TU Dresden RWTH Leibniz Institut

Teilprojekt C03

Numerische Homogenisierung und Mehrskalenmodellierung mit bildgebenden Verfahren zur Analyse des Tragverhaltens von Schalenstrukturen

Der Fokus des TP liegt auf dem In-silico-Design dünner, gekrümmter Schalentragwerke aus Carbonbeton mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM). Hinsichtlich der Effizienz eignen sich hierzu insbesondere Schalenelemente. Im Rahmen des Teilprojekts wird ein numerisches Mehrskalenmodell entwickelt, das durch Homogenisierung eines an die Schalenkinematik angepassten, repräsentativen Volumenelements (SRVE) die Modellierung der Carbonbewehrung und die Verwendung von 3D-Materialgesetzen zulässt. Um geometrische sowie physikalische Nichtlinearitäten zu berücksichtigen, wird die Berechnung im Rahmen einer gekoppelten Mehrskalenmodellierung durchgeführt (FE2-Methode).

Um den numerischen Aufwand zu reduzieren, wird eine neuartige Formulierung auf Basis der Scaled-Boundary-Finite-Element-Method (SBFEM) verwendet. Die Geometrien werden mit NURBS-basierten Ansatzfunktionen beschrieben. Somit ergibt sich eine isogeometrische Analyse für skalierte Ränder (SBIGA).

Zur Erstellung sowie Validierung des Modells werden bildgebende Verfahren verwendet. Aus den CT-Daten werden mit Hilfe von Level-Set- bzw. Marching-Cube-Algorithmen die Oberflächenbeschreibung der Carbonrovings sowie des Betons extrahiert. Mithilfe der zuvor genannten Elementformulierung ergibt sich ein numerisches Abbild der Struktur.

Angegliedert an das Projekt C03 ist das Ergänzungsprojekt C03*: Eine isogeometrische Schalenformulierung basierend auf einem Micro-Plane Damage Modell zur Analyse des Tragverhaltens von Carbon verstärkten Betonschalen.

Wissenschaftler

Sven Klinkel
Teilprojektleiter
Sven Klinkel
Prof. Dr.-Ing. habil.
RWTH Aachen University, Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik
Mies-van-der-Rohe-Str. 1
52074 Aachen
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Leonie Mester
M.Sc.
RWTH Aachen University, Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik
Mies-van-der-Rohe-Str. 1
52074 Aachen

Publikationen

Mester, L.; Klarmann, S.; Klinkel, S. (2021) A homogenisation approach for shell structures using scaled boundary isogeometric analysis on RVE-level in Proc. Appl. Math. Mech. 21:1 – Special Issue: 92nd Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), 15.–19.03.2021 in Kassel, paper no. e202100157, 2 pages – https://doi.org/10.1002/pamm.202100157

Chasapi, M.; Mester, L.; Simeon, B.; Klinkel, S. (2021) Isogeometric analysis of 3D solids in boundary representation for problems in nonlinear solid mechanics and structural dynamics in Int J Numer Methods Eng, p.1–25 – DOI: 10.1002/nme.6893