Schlanke Strukturen neigen zum Schwingen. Diese Schwingungen können zu einer Verkürzung der Lebensdauer, unter Umständen sogar zum Versagen der Struktur führen. Zur Reduzierung der Schwingungen können Dämpfersysteme eingesetzt werden. Ein aktives Dämpfersystem, der sogenannte Doppelunwuchtrotor wurde am Institut für Baustatik und Stahlbau entwickelt. Die Grundeinheit besteht aus zwei, mit gleicher Geschwindigkeit rotierenden Unwuchten, die jeweils Zentrifugalkräfte erzeugen. Je nach Vorgabe des Drehsinns (gleichsinnig oder gegensinnig) und des Phasenwinkels zwischen beiden Rotoren ist die insgesamt resultierende Kraftgröße ein Moment, eine gerichtete Kraft oder eine Kombination aus beidem. Die resultierende Kraftgröße soll zum Dämpfen eingesetzt werden. Ziel der Arbeit ist sowohl der Entwurf von Regelungsstrategien für den Doppelunwuchtrotor als auch die Erprobung dieser Strategien durch Simulation und Versuch. Außerdem soll die Effektivität des Dämpfersystems für reale Strukturen, zum Beispiel für Windenergieanlagen und Schrägseilbrücken, durch numerische Simulation untersucht werden.Stichworte

In numerical simulation methods in the field of structural dynamics, a distinction is made between explicit and implicit methods. Explicit algorithms for time integration are very well suited for strongly nonlinear and nonsmooth problems, since they do not require an iterative solution of the global dynamic equations of motion. In special engineering applications, such as crash or sheet metal forming simulations, they are generally more robust than implicit algorithms. But the conditional stability of explicit algorithms limits the allowed so-called critical time step size, which directly depends on the highest natural frequency of the discrete system. There are several approaches to reduce numerical costs and thus to increase the efficiency of explicit simulations. Here we mention (1) finite element technology to avoid locking effects, (2) adaptive mesh refinement strategies, (3) subcycling or asynchronous time integration, (4) model reduction methods and (5) mass scaling methods. Usually, different approaches are used in combination in practical applications. Especially the combination of the approaches (1) and (5) is obvious and is state of the art in explicit FE programs. So far, however, these two strategies for efficiency improvement have only been applied separately. The theoretical connection and practical combination of efficient methods from FE technology and efficient methods of mass scaling have not been systematically investigated so far. It is precisely this connection that forms the basis for the planned research project. The overall goal of this research project is to increase the accuracy and efficiency of simulations of thin-walled structures in the context of explicit algorithms for time integration. Fundamental improvements are expected for the two most common element types in this context, (I) eight-noded solid or solid-shell elements and (II) four-noded Reissner-Mindlin shell elements. Methodologically, selective mass scaling concepts are developed which are inspired by finite element technology and are characterized by high accuracy. The new mass scaling concepts developed in the preliminary work exhibit accuracies comparable to stiffness-proportional mass scaling methods but with significantly higher efficiency. Furthermore, the newly developed mass scaling concepts exhibit some physically and numerically desirable properties. For example, they are a priori preserving both momentum and angular momentum. The newly developed methods promise a universal applicability of the mass scaling concept, independent of the underlying FE technology to avoid locking, and independent of the mentioned discretization concept (I) or (II).

The proposed research project aims toward improving dynamic simulation of buckling and wrinkling of thin shells and membranes. When using standard finite elements, correct representation of buckling modes and wrinkling patterns typically require rather fine meshes, particularly in the case of very thin structures. The first working hypothesis is that smooth discretization methods, for instance in the context of isogeometric analysis, are capable of representing the correct modes already for relatively coarse discretizations. The second working hypothesis supposes that the intrinsically locking-free hierarchic shell formulations, developed earlier by the applicant for static problems, offer advantages also in dynamic simulations in comparison to established methods. They avoid transverse shear locking a priori, i.e. independent of the discretization concept, by a smart modification of the kinematic equations via direct parametrization of transverse shear rotations or displacements. Besides, membrane locking is avoided by a novel mixed principle (mixed displacements – MD), which exclusively uses displacement-type degrees of freedom. Apart from avoiding locking, the MD method promises improved convergence properties in the context of iterative methods. Both concepts facilitate to increase efficiency of explicit dynamic analyses via innovative methodological ideas for mass scaling.

Aufgrund der infrastrukturellen Entwicklung werden immer mehr Brücken mit wachsender Spannweite entworfen und hinsichtlich der Realisierbarkeit diskutiert. Weitgespannte Seilbrücken sind durch ihre Schlankheit extrem empfindlich auf Wind induzierte Schwingungen. Neben wirbelinduzierten Schwingungen (Vortex Shedding) können sehr häufig Brückenflattern, Galloping und Buffeting auftreten. Durch die Kopplung der Biege- und Torsionsschwingungen entstehen die meist gefährlichen Flatterschwingungen, welche die aeroelastische Instabilität der Brücke hervorruft. Die Brücke gerät durch eine kleine Störung in Bewegung, wodurch zusätzliche aerodynamische Kräfte entstehen. Wenn die Windgeschwindigkeit einen kritischen Wert überschreitet, kann die Bewegung der Brücke nicht mehr aufgehalten, die Schwingungen werden durch die Bewegung selbst induziert und angefacht. Dies führt in sehr kurze Zeit zum Versagen der gesamten Brückenkonstruktion. In diese Forschungsvorhaben wird nach Möglichkeiten gesucht, die aerodynamische Stabilität von Brücken zu erhöhen. Dabei soll die für das Einsetzen von Flatterschwingungen zugehörige kritische Windgeschwindigkeit erhöht werden. Verschiedene passive Dämpfungsvorrichtungen wurden entwickelt und werden hinsichtlich ihrer Wirksamkeit untersucht. Eine bewegliche passive Vorrichtung ist das sogenannte Infrapendel. In einer nichtbeweglichen passiven Vorrichtung wird die Erhöhung der Flatterresistenz durch am Brückendeck exzentrisch angebrachte starre Flügel erreicht. Die Flügel werden beidseitig am Brückendeck angebracht. Allerdings ist dies nicht über die gesamte Brückenspannweite erforderlich, sondern lediglich in den Bereichen, wo die Schwingungsamplitude Maximalwerte besitzt. Die Wirksamkeit der Flügel in Hinblick auf eine Erhöhung der kritischen Windgeschwindigkeit und die Ausführbarkeit werden gezielt untersucht. Der Versuchsaufbau wird im institutseigenen Windkanal untersucht und die Ergebnisse werden anschließend stets durch numerische Simulation validiert. Gegenstand der Forschung ist es, ein für die Baupraxis anwendbare, ausführbare Konstruktion zur Flatterstabilisierung weitgespannter Brücken zu entwickeln.

A progressive collapse is a situation where local failure of a primary structural component leads to the collapse of adjoining members which, in turn, leads to additional collapse. Global system collapse will occur if the damaged system is unable to reach a new static equilibrium configuration. During their lifetime, civil engineering structures could be subjected to natural hazards like earthquakes, hurricanes, tornadoes and fires, and man-made hazards such as blast and impact. Structures are usually designed for credible events that can happen during their lifespan, but extreme events for which they were not adequately designed for can result in catastrophic failure. Potential abnormal load hazards that can trigger progressive collapse are categorized as: aircraft impact, design/construction error, fire, gas explosions, accidental overload, hazardous materials, vehicular collision, explosions, etc. As these hazards have low probability of occurrence, they are either not considered in structural design or addressed indirectly by passive protective measures. Nowadays, extreme events are considered to be credible events, with a finite probability of occurrence. Most of them have characteristics of acting over a relatively short period of time and result in dynamic responses. Lack of knowledge about structural behavior under collapse conditions reveals the importance of this topic. The objective of this research is to investigate important issues related to progressive collapse of seismically designed steel structures using numerical and analytical methods.

Seit dem Kollaps der Zwillingstürme des World Trade Centers in New York ist die Frage nach der globalen Standsicherheit von Hochhäusern unter außergewöhnlicher Belastung in den Vordergrund gerückt. Allerdings haben sich bisher nur wenige wissenschaftliche Untersuchungen mit dem dort beobachteten Kollapstyp, dem sogenannten pfannkuchenartigen Kollaps, befasst. Solche Kollapse werden durch das Versagen aller Stützen eines oder mehrerer benachbarten Stockwerke ausgelöst und sind meistens nach schweren Erdbeben beobachtet worden. Die möglichen auslösenden Ereignisse können aber vielfältig sein, z. B. Brand oder Flugzeugeinschlag. Das Versagen der Stützen eines Stockwerkes führt dazu, dass sich der Bauwerksteil oberhalb dieses Stockwerkes in Bewegung setzt und kinetische Energie aufsammelt. Einmal ausgelöst, endet ein solcher Kollaps häufig mit der totalen Zerstörung des Bauwerkes, die einzelnen Decken stapeln sich aufeinander wie die Lagen eines Pfannkuchens, woher auch die Bezeichnung kommt. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es der Empfehlung des FEMA-Reports über den Einsturz des WTC zu folgen und festzustellen, ob es im Rahmen des praktisch und wirtschaftlich Möglichen Entwurfsstrategien gibt, die es erlauben einen solchen Kollaps aufzuhalten oder sein Ausmaß zu begrenzen, nachdem er einmal in Gang gesetzt worden ist.