Mit Zufällen rechnen: Stochastische Strukturoptimierung erfasst Wind, Verkehr und Bauwerksdynamik

Wie vorhersagen, wenn die Gefahren zufällig auf Bauwerke einwirken – wie etwa Wind, extreme Stürme oder andere Naturereignisse?

Zufällig ist nicht unberechenbar für Bochumer Bauingenieure um Prof. Dr.-Ing. Dietrich Hartmann und Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Höffer. Im SFB 398 entwickelten sie am Beispiel „Stabbogenbrücke“ einen neuen Ansatz des parallelen Rechnens mit Software-Agenten und überwinden damit die Grenzen heutiger Rechnerkapazitäten.

Das Verfahren ist Bestandteil realistischer Lebensdauermodelle, die die Grundlage bilden für eine sichere Bauwerksplanung und ein Monitoring der Alterungsprozesse über die ganze Nutzungsdauer hinweg ermöglichen sollen.

Migrierende Software-Agenten

Der nagende Zahn der Zeit kann bei Bauwerken mitunter auch kurzfristig beträchtliche Wirkung zeigen. So führten etwa bei der Stabbogenbrücke Münster-Hiltrup hochfrequente Schwingungen der Hänger quer zur Windrichtung bereits kurz nach ihrer Fertigstellung zu deutlichen Rissen im Abschlussblech einiger Hänger, die den Stabbogen mit den Hauptlängsträgern der Brücke verbinden. Komplexe und zufallsbedingte Ausgangsprobleme – wie in diesem Fall – lassen sich mit der heute verfügbaren Rechenkapazität nicht mit Hilfe eines einheitlichen Analyse- und Entwurfsmodells erfassen. Daher wählten die Ingenieure einen Mehrebenenansatz bei dem Informationen mit Hilfe von Software-Agenten je nach Bedarf zwischen sieben ineinander geschachtelten Modellebenen ausgetauscht werden: Lastebene, Gesamttragwerksebene, Bauteilebene, Schädigungsebene, Zuverlässgkeitsebene, Optimierungsebene, Modellebene.

Evolution im Hänger-Anschluss-Blech

Ein weiteres Ziel war die Optimierung und damit Lebensverlängerung von Bauteilen, am konkreten Beispiel die Form des Anschlussbleches „Hänger-Bogen“. Dafür setzten die Ingenieure auf der Optimierungsebene Verfahren ein, die den Prinzipien der biologischen Evolution ähneln (populationsbasierte Evolutionsstrategien). Die Form des Bleches wird mit Hilfe eines Computermodells auf Basis einer für komplizierte Strukturgeometrien besonders effizienten Finite-Elemente-Methode gesteuert, mit dem sich gleichzeitig die im Blech auftretenden Spannungen berechnen lassen. Aufbauend auf dem Optimierungsmodell kann dann die Form des Blechs so angepasst werden, dass maximal auftretende Spannungen möglichst kleine Werte annehmen. Mit der optimierten Geometrie ließen sich die Spannungen am Übergang Hänger-Blech deutlich reduzieren.

RUBIN zum Thema

Zum Thema berichtet das aktuelle Wissenschaftsmagazin RUNIN (Sonderheft zum SFB 398 „Lebensdauerorientiert Entwurfskonzepte“) mit Bildern zum Herunterladen unter: http://www.rub.de/rubin

Weitere Informationen

Prof. Dr.-Ing. Dietrich Hartmann (Ingenieurinformatik), Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Höffer (Aerodynamik und Strömungsmechanik), Fakultät für Bauingenieurwesen der Ruhr-Universität Bochum, Tel.: 0234/32-23047, E-Mail: hartus@inf.bi.rub.de, Tel.: 0234/32-25302, E-Mail: ruediger.hoeffer@rub.de

Redaktion: Barbara Kruse