Formoptimierung von windbelasteten Strukturen
Windingenieurwesen beschäftigt sich u.a. mit der Ermittlung der Strukturantwort infolge Wind. Diese Beurteilung ist die Grundlage für den Entwurf von Bauwerken und Bauteilen, insbesondere wenn Wind ein dominierender Lastfall ist. Oft wäre es erwünscht, die wind-induzierte Antwort zu reduzieren bzw. zu beschränken. Dies kann als eine Optimierungs- oder Regelungsaufgabe angesehen werden.
Typische Maßnahmen, um die wind-induzierte Antwort zu beschränken sind:
- Änderungen des statischen Systems bzw. von Strukturparametern
- Einführung von zusätzlicher Dämpfung, z.B. mittels externer Dämpfer
- Aerodynamische Modifikationen
Diese Strukturierung ist gemäß Tamura und Kareem (2013), die auch den Begriff „aerodynamische/aeroelastische Formgebung“ (siehe im Original auf Englisch: „aerodynamic/aeroelastic shape tailoring“) eingeführt haben. Die Letzte der genannten Maßnahmen befasst sich mit der richtigen Wahl und notwendigen Änderungen der Form von Strukturelementen und Bauwerken, um die Auswirkungen des Windes zu reduzieren. Diese aerodynamischen Modifizierungen werden zurzeit meist durch ingenieurmäßige Erfahrung, parametrische Studien und basierend auf mehreren Versuchen geplant. Die Formen von Strukturen und ihren Komponenten können normalerweise nur einmal gebaut und dann nicht mehr modifiziert werden, weswegen die Wahl von einer gut geeigneten Geometrie hinsichtlich der Windlast schon während der Entwurfsphase sehr wichtig ist.
Formoptimierung ist ein aktiver Forschung- und Entwicklungsbereich am Lehrstuhl für Statik. In der Automobil- und Luftfahrtindustrie wird Formoptimierung schon erfolgreich eingesetzt. Als Optimierungsziel hat man dort beispielsweise die Verringerung des Luftwiderstands der Fahrzeuge und die Maximierung des Auftrieb-zu-Luftwiderstand-Verhältnisses von Flugzeugen. Das Ziel der aktuellen Forschung ist, diese Methoden neu bzw. weiter zu entwickeln um Formoptimierung unter Windlast von Bauwerken zu ermöglichen. Im Bereich Bauwerksaerodynamik treten weitere Herausforderungen auf, wie z.B. stark variierende Anströmungswinkel, fluktuierende Windgeschwindigkeiten in der atmosphärischen Grenzschicht, mögliche Interferenzen mit andere Bauwerken, große Ablösezonen usw., die es erschweren, eindeutige und bemessungsrelevante Szenarien und Zielfunktionen zu definieren.
Die aktuelle Forschung befasst sich mit der Entwicklung von passenden numerischen Methoden (implementiert in Forschungssoftware), die für prädiktive Zwecke aerodynamische Form-Sensitivitäten liefern bzw. in der Zukunft eine automatisierte Formoptimierung ermöglichen. Beispielsweise sollen maximale Kräfte und Verformungen im Endzustand begrenzt und Beschleunigungen wegen Komfort beschränkt werden können. Dazu sollte die entwickelte Software die Möglichkeit bieten, Sicherheitsaspekte und Gebrauchstauglichkeit z.B. im Fall des Verkehrs auf Brücken untersuchen zu lassen und zu verbessern.
