Computerorientierte Methoden zur Berechnung statischer und dynamischer Beanspruchungen und Eigenschaften von Tragwerken

Wenn Rembrandt zittert oder das Leichentuch Christi zu retten ist, ist Prof. Dr.-Ing. Michael Link im Einsatz. Der Leiter des Fachgebiets Leichtbau im Kasseler Fachbereich Bauingenieurwesen befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung computerorientierter Methoden, mit denen er statische und dynamische Beanspruchungen und Eigenschaften von Tragwerken berechnet und überprüft. Sie haben das Ziel, die Genauigkeit von Computermodellen zu verbessern und mit deren Hilfe Konstruktionsprozesse zu optimieren oder den Ausnutzungsgrad von Werkstoffen zu erhöhen und die Sicherheit von Tragwerken zu analysieren. Und ob nun die Capella della Sindone in Turin, in der das legendäre Leichentuch Christi aufgehoben wird, nach einem Feuer rekonstruiert werden soll oder im frisch renovierten Schloss in Wilhelmshöhe in Kassel der ausgestellte Rembrandt an den Wänden vibriert oder das Vibrationsverhalten von Helikoptern untersucht werden soll: Links Methoden sind prinzipiell auf Tragwerke und Bauteile im Bauwesen und im Maschinenbau anwendbar. Besonders bedeutsam sind sie dort, wo es auf hohen Leichtbaugrad ankommt, wie in der Luft- und Raumfahrttechnik oder im Serienbau.

Computersimulation der Capella della Sindone in Turin Die Capella della Sindone wurde im 17. Jahrhundert von Guarino Guarini erbaut und ist berühmt durch das Turiner Leichentuch Christi, das dort aufbewahrt wurde. 1997 wurde die Struktur der Kapelle durch einen Brand stark in Mitleidenschaft gezogen. Gemeinsam mit der Technischen Universität Turin wurde das Fachgebiet Leichtbau der Uni Kassel durch den Kulturminister des Piemont beauftragt, das Verhalten der geschädigten Struktur zu untersuchen. Hierzu wurden in Kassel so genannte finite Elementmodelle erstellt, die gegenwärtig anhand von dynamischen Testdaten überprüft und mit Hilfe der im Fachgebiet Leichtbau entwickelten Identifikationsverfahren verbessert werden.

Die Computersimulationsmodelle der Kapelle basieren auf vermessenen geometrischen Daten und theoretischen Annahmen über das Verhalten der alten Baumaterialien. Dieses wird rechnerisch einzelnen Tragelementen zugewiesen, die im Computer zum Simulationsmodell für das Gesamtbauwerk zusammengesetzt werden, um damit das Tragwerkverhalten im Bauwerk zu erfassen. Als zweiter Schritt werden diese in Kassel entwickelten Simulationsmodelle benutzt, um die Auswirkungen der geplanten Rekonstruktionsmaßnahmen auf die Statik des Bauwerks zu untersuchen. Gegenwärtig wird anhand realer Testdaten überprüft, ob die eingebrachten Annahmen stimmen. Hier kommen die spezifischen Kasseler Kompetenzen, die Rückwärtsüberprüfung über eine so genannte Systemidentifikation ins Spiel: deren Prinzip ist es, dass aus dem Vergleich von Simulationsergebnissen mit Daten aus realen Experimenten „rückwärts“ auf die Eigenschaften des Bauwerks bzw. Tragwerks geschlossen werden kann. Damit lassen sich auch verborgene Schäden aufdecken und reale BelastungsSituationen des Bauwerkes wirklichkeitsnäher nachbilden. Unter anderem werden in die Berechnungen Straßen- und Bodenbewegungen eingegeben, die zum Beispiel zu für den Menschen kaum spürbaren Schwingungen des Bauwerks führen aber von hochempfindlichen Sensoren gemessen werden können. Das nicht unaufwendige und langwierige Verfahren ist in der ersten Phase der Modellierung nun abgeschlossen. Erste reale Tests wurden durchgeführt und werden gegenwärtig von Link und seinen Mitarbeitern zusammen mit einem in Kassel weilenden Wissenschaftler der Turiner Uni mit den in Kassel entwickelten Identifikationsverfahren ausgewertet. Danach kann das Simulationsmodell zum Beispiel auch zur Untersuchung des Bauwerks unter extremen Beanspruchungen benutzt werden; etwa, wie das Bauwerk sich bei Erdbeben verhalten würde. Und es können daraus Hinweise abgeleitet werden, welche baulichen Maßnahmen für einen solchen Fall ergriffen werden sollen.

Die Methoden zur Erforschung der Strukturdynamik und der experimentellen und rechnerischen Systemidentifikation wurden von Prof. Link in den zahlreichen anwendungsorientierten Projekten umgesetzt, sei es zum Schwingungsverhalten von Fahrleitungen bei hohen Zuggeschwindigkeiten, bei der Schwingungsanalyse der Elbe-Brücke bei Wittenberg oder bei der Lösung der Schwingungsprobleme im Kasseler Schloss Wilhelmshöhe. Da mussten dann die Zwischenwände versteift werden, hinter denen sich nach der Renovierung des Schlosses die neue Klimaanlage befand, deren Lüftung den guten Rembrandt erschaudern ließ.

Aus dem Arbeitsbereich des Fachgebietes Leichtbau heraus sind zahlreiche Software-Produkte entwickelt worden, die sich im betrieblichen Einsatz befinden, etwa ein Programm, das zur Auswertung von Vibrations-Testdaten zur Ermittlung von Eigenfrequenzen, Schwingungsformen und Dämpfungswerten dient, und das mittlerweile von einer französischen Firma vertrieben wird ebenso wie ein Lehrprogramm zum Finite-Elemente-Verfahren in der Statik und Dynamik. Ein Absolvent des Fachgebietes hat eine Ausgründung mit einem der Softwareprodukte zur Systemidentifikation vorgenommen. Er hat die Software weiterentwickelt, vertreibt und benutzt sie nun bei seinen Projekten hauptsächlich in der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrttechnik.

Ein laufendes von der EU finanziertes Forschungsprojekt von Prof. Link unter Führung der Firma Rolls-Royce betrifft die Weiterentwicklung der Identifikationsverfahren für Anwendungen bei der Entwicklung von Flugtriebwerken unter extremen Beanspruchungen wie sie beispielsweise beim Bruch von Triebwerksschaufeln im Flug auftreten.

Zukunftsprojekte von Link sind unter anderem Forschung zur Verringerung von Hubschrauber-Vibrationen zur Verbesserung des Passagierkomforts in der Kabine. Eine europäische Forschungskooperation mit insgesamt drei Unis, drei Großforschungseinrichtungen und drei Industriepartnern, zu denen auch die EUROCOPTER Deutschland gehört, läuft derzeit.

Info:
Universität Kassel
Prof. Dr.-Ing. Michael Link
Institut für Baustatik und Baudynamik
Leichtbau
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