Optimierungsverfahren für robuste und dauerhafte Stahl- und Faserbetontragwerke unter Berücksichtigung skalenübergreifen der polymorpher Unschärfemodellierung
Zusammenfassung der geplanten Projektinhalte unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus der ersten Bearbeitungsphase
Das übergreifende Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von Rechengenauigkeit und Optimierungsmethoden für den lebensdauerorientierten Entwurf von Stahl- und Stahlfaserbetonstrukturen, die es erlauben, den Einfluss polymorpher Unschärfen über die gesamte Lebensdauer der Struktur zu verfolgen. Wechselwirkende Belastungs- und umweltbedingte Schädigungsprozesse und die Ausbreitung der Unschärfen über mehreren räumlichen und zeitlichen Skalen werden durch maßstabsgerechte Ersatzmodelle in Verbindung mit physikalisch fundierten Modellen für Stahl- und Faserbeton und Mehrfeldstrukturanalyse berücksichtigt.
Die in der 1. Förderphase entwickelte Sub-Modelling Strategie wird in der 2. Phase zu einem hydro-mechanischen Modell erweitert, um den Einfluss korrosiver Prozesse auf den Tragwerkszustand über die Nutzungsdauer zu erfassen. Des weiteren ist das Ziel, die aus der Faserorientierung entstehenden Unschärfen durch eine Anzahl an Simulationen des Gießverfahrens zu quantifizieren und nachfolgend statistische Daten für das Faserbetontragwerk, welches auf effizienten Ersatzmodellen basiert zu generieren.
a) Eingangsparameter eines Fuzzy-Zufallsfeldes (beispielhaft als stochastische Verteilung mit anisotropen Fuzzy-Korrelationsparametern quantifizierter Elastizitätsmodul); b) Realisierung des Fuzzy-Zufallsfeldes; c) Kombination eines convolutional neural network (CNN) und eines recurrent neural network (RNN) um zeitabhängige fuzzy-stochastische Strukturprozesse zu prognostizieren
Optimierungsalgorithmen für zeitabhängige polymorph unscharfe a priori Parameter und Designparameter werden, unter Verwendung der Partikelschwarmoptimierung, entwickelt. Da zeitabhängige Designparameter zu hochdimensionalen Designräumen führen, werden Ansätze untersucht, die das Optimierungsproblem in mehrere interagierende Subprobleme aufteilen, welche sequenziell oder parallel gelöst werden. Das bedeutet, dass die Zielfunktion und die Nebenbedingungen der Subprobleme während der Optimierung variieren. Ein wichtiger Aspekt ist die Untersuchung der Sensitivität von verschiedenen Ersatzmaßen der polymorph unscharfen Zielfunktion bezüglich des optimalen Designs. Neben zeitabhängigen Parametern werden räumlich korrelierte stochastisch verteilte Materialparameter, welche als Zufallsfelder quantifiziert werden, berücksichtigt. Aufgrund des aus den Zufallsfeldern resultierenden hochdimensionalen Eingangsraums werden convolutional neural networks entwickelt, um die Zufallsfelder auf die Zielgrößen abzubilden.
Zur Kombination von zeitabhängigen polymorph unscharfen a priori Parametern und Designparametern und räumlich korrelierten stochastisch verteilten Material Parametern werden convolutional neural networks und recurrent neural networks kombiniert.
a) Zwei Zeitpunkte der Computersimulation des Gießprozesses; b) Illustration der räumlichen Verteilung des Tensors der Faserorientierung als Elipsen und Histogramme an zwei ausgewählten Punkten für mehrere Realisierungen
Die entwickelten numerischen Modelle für Stahl- und Stahlfaserbeton und die Methoden zur Unschärfequantifizierung und Optimierung werden verwendet, um die Lebensdauer einer vorgespannten Stahlbetonbrücke, die durch Faserbetonschichten verstärkt wird, zu optimieren.
Wesentliche Projektziele
- Wie breiten sich Unschärfen auf der Materialskala (Faserverteilung, Rissrauhigkeit, Stahl-Beton-Verbundeigenschaften) und herstellungsbedingte Ungenauigkeiten (z.B. Position der Bewehrung) über räumliche und zeitliche Skalen aus und beeinflussen die Zuverlässigkeit der Struktur?
Können Simulationen des Gießprozesses helfen, Unschärfen bei der Auslegung von Faserbetonstrukturen zu reduzieren? - Wie wirken sich der Beton- und Bewehrungsentwurf (Fasern vs. konventionelle Bewehrung und Hybridkonstruktionen) und die damit verbundenen Unschärfen auf die Dauerhaftigkeit und Lebensdauer einer Struktur aus?
- Ist es möglich, die optimale Betondeckung für einen dauerhaftigkeitsorientierten Entwurf zu bestimmen, wobei unscharfe Wechselwirkungen zwischen dem Bewehrungsentwurf, der Rissbildung und dem Eindringen von korrosiven Substanzen berücksichtigt werden?
- Wie wirken sich Verstärkungsmaßnahmen von Spannbetontragwerken unter Verwendung von Hochleistungs-Faserbeton und unter Berücksichtigung der polymorphen Unschärfen auf die Ermüdung und folglich auf die erwartete Lebensdauer der Struktur aus?
M.Sc. Roskosch
M.Sc. Stefanie Schoen
Ruhr-Universität Bochum
Lehrstuhl für Statik und Dynamik
M.Sc. Edler
M.Sc. Philipp Edler
Ruhr-Universität Bochum
Lehrstuhl für Statik und Dynamik
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