Wenn der Wind um die Dächer pfeift…

Technisch-Wissenschaftliches Hochleistungsrechnen im Bauingenieurwesen

Das Zeltdach des Münchener Olympiastadions ist auf Grund seiner kühnen Konstruktion weltberühmt. Nicht nur wegen der Diskussion um einen Stadionneubau in München bläst ein rauer Wind um das dreißig Jahre alte Baudenkmal. Auch sonst ist es mit seiner exponierten Lage Witterungseinflüssen ausgesetzt. Für Ingenieure der Universität Erlangen-Nürnberg ist es vor allem als numerisches Problem von Interesse.

„Zeltdachkonstruktionen wie in München sind in hohem Maße windbelastet. Die Untersuchung ihrer Standfestigkeit ist eine klassische Aufgabe des technisch-wissenschaftlichen Hochleistungsrechnens“, erläutert Dr.-Ing. Michael Breuer vom Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg (Prof. Dr. Franz Durst). Durch die starke Windbelastung entstehen an der Ober- und Unterseite des Zeltdaches jeweils unterschiedlich hohe Drücke, die bei der Auslegung derartiger Bauwerke zu berücksichtigen sind. Die Probleme hierbei sind vielfältig und komplex. Eine derartige Koppelung von verschiedenen Teilproblemen macht die Anwendung von Simulationsverfahren des technisch-wissenschaftlichen Hochleistungsrechnens sinnvoll.

Im Rahmen des bayerischen Forschungsverbundes für Technisch-Wissenschaftliches Hochleistungsrechnen (FORTWIHR) wurden in Erlangen in der dritten Förderperiode von September 1998 bis Februar 2001 Simulationswerkzeuge zur Berechnung der Fluid-Struktur-Interaktion bei windbelasteten leichten Flächentragwerken entwickelt. An diesem Projekt waren innerhalb des Forschungsverbundes neben dem Erlanger Lehrstuhl für Strömungsmechanik die Technische Universität München (Lehrstuhl für Bauinformatik und Lehrstuhl für Informatik IV) sowie die Firmen SOFiSTiK AG und Siemens Nixdorf AG beteiligt. Erst durch die Zusammenarbeit der verschiedenen Fachdisziplinen und den Einsatz von leistungsstärksten Rechnern (u.a. des neuen Bundesrechners HITACHI SR8000-F1) konnten die aufwendigen numerischen Simulationen für die Fluid-Struktur-Wechselwirkungsproblematik durchgeführt werden.

Die eigentliche Simulation erfolgt durch Koppelung des am Lehrstuhl für Strömungsmechanik entwickelten CFD (Computer Fluid Dynamics)-Programms FASTEST-3D mit dem von der SOFiSTiK AG zur Verfügung gestellten Strukturmechanik-Code ASE. Ausgehend vom geometrischen Modell wurde eine modulare Systemarchitektur entwickelt. Der iterative Lösungsprozess selbst wird mit einem geeigneten Rahmenalgorithmus gesteuert. „Bei der Ermittlung der maßgeblichen Winddruckverteilung müssen die Auswirkungen verschiedener Anströmrichtungen und auch der Einfluss der Umgebungsbebauung berücksichtigt werden“, beschreibt Dipl.-Ing. Markus Glück, Mitarbeiter der Numerikgruppe am Lehrstuhl für Strömungsmechanik, die Vorzüge der numerischen Simulation. „Die einzelnen Teilprobleme werden bei der Simulation zu einer Gesamtaufgabe gekoppelt.“ Mit diesen Ergebnissen kann dann die ingenieurmäßige Konstruktion und Dimensionierung des Bauwerkes beginnen.

Bevor die entwickelte Software in der Praxis an einer Zeltdachkonstruktion erprobt wurde, musste sie zahlreiche Testverfahren durchlaufen. So wurde insbesondere die Konvergenz und Stabilität des verwendeten Lösungsansatzes an einfachen Beispielen einer Prüfung unterzogen. Ihre Feuertaufe bestand die Neuentwicklung dann bei der Auslegung einer Zeltdach-Konstruktion, die zur Zeit am Max-Planck-Institut in Dresden realisiert wird. Hierfür wurden Fluid-Struktur-Simulationen bei turbulenter Anströmung durchgeführt (Abb.1). Exemplarisch für die stationären Ergebnisse ist in Abb. 2 die berechnete Druckverteilung auf der Oberseite des Membrandaches dargestellt. Die Summe aus den Druckverteilungen der Ober- und Unterseite sowie den ebenfalls berechneten Schubspannungen ergeben nach einer Interpolation die entsprechenden Knotenlasten für die Struktursimulation. Abb. 3 zeigt die für das Tragwerk aus der Struktur-Berechnung erhaltenen Strukturverschiebungen in z-Richtung. Weiterhin wurden mit Hilfe der entwickelten Software die im Material auftretenden Spannungen analysiert.

Ein Blick in die Technikgeschichte zeigt die Bedeutung, die dem technisch-wissenschaftlichen Hochleistungsrechnen als Schlüsseltechnologie zugestanden werden muss. Katastrophen wie der Einsturz der Kraftwerkskühltürme 1965 in Ferrybridge, England, (Abb. 4) lassen sich durch die numerische Simulation weitestgehend ausschließen. Gut „beschirmt“ dürfen sich daher Pilger rund um die Kaaba-Moschee in Mekka fühlen. Derartige Schirmstrukturen wurden von der Firma SOFiSTiK AG bisher ohne genaue Kenntnis der Windlasten ausgelegt. Mit der in FORTWIHR entwickelten Software können sie jetzt statisch oder dynamisch gekoppelt berechnet werden. Dadurch ist eine genauere und zuverlässigere Auslegung von Leichtbaukonstruktionen möglich geworden.

Kontakt:
Dr.-Ing. Michael Breuer, Lehrstuhl für Strömungsmehanik
Cauerstr. 4, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/ 761 -246, Fax: 09131/ 761 -275

Hinweis:
Die Abbildungen sind zum herunterladen unter:
http://www.uni-erlangen.de/docs/FAUWWW/Aktuelles/2001/Forschung_2001/Fortwihrbau.html und auf Anfrage in der Pressestelle der Universität Erlangen-Nünrberg erhältlich.


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Heidi Kurth

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