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
52074 Aachen
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Kooperationen
Publikationen | Publications
Chasapi, M.; Mester, L.; Simeon, B.; Klinkel, S. (2022) Isogeometric analysis of 3D solids in boundary representation for problems in nonlinear solid mechanics and structural dynamics in: Int J Numer Methods Eng 123, issue 5, p. 1228–1252– DOI: 10.1002/nme.6893
Klarmann, S.; Kikis, G.; Klinkel, S.; Chudoba, R. (2023) Isogeometric cohesive zone modeling of interfaces in reinforced concrete structures in: Proc. Appl. Math. Mech. – DOI: 10.1002/pamm.202300160
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, issue 1 – Special Issue: 92nd Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), 15.–19.03.2021 in Kassel, e202100157, 2 p. – DOI: 10.1002/pamm.202100157
Mester, L.; Klarmann, S.; Klinkel, S. (2023) Homogenisation for macroscopic shell structures with application to textile‐reinforced mesostructures in: Proc. Appl. Math. Mech. 22, issue 1 – Special Issue: 92nd Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), e202200137 – DOI: 10.1002/pamm.202200137
Mester, L.; Klarmann, S.; Klinkel, S. (2023) Homogenization assumptions for the two-scale analysis of first-order shear deformable shells in: Comput Mech – DOI: 10.1007/s00466-023-02390-z
Mester, L.; Klempt, V.; Wagner, F.; Scheerer, S.; Klarmann, S.; Vakaliuk, I.; Curbach, M.; Maas, H.-G.; Löhnert, S.; Klinkel, S. (2023) A Comparison of Multiscale Methods for the Modelling of Carbon-Reinforced Concrete Structures in: Ilki, A.; Çavunt, D.; Çavunt, Y. S. [eds.] Building for the Future: Durable, Sustainable, Resilient – Proc. of fib Symposium 2023, 05.–07.06.2023 in Istanbul (Turkey), publ. in: Lecture Notes in Civil Engineering 350, Cham: Springer, p. 1418–1427 – DOI: 10.1007/978-3-031-32511-3_145
Mester, L.; Wagner, F.; Liebold, F.; Klarmann, S.; Maas, H.-G.; Klinkel, S. (2022) Image-based modelling of carbon-fibre reinforced concrete shell structures in: Stokkeland, S.; Braarud, H. C. [eds.] Concrete Innovation for Sustainability – Proc. for the 6th fib International Congress 2022, 12.–16.06.2022 in Oslo (Norway), Oslo: Novus Press, p. 1631–1640.
Wagner, F.; Mester, L.; Klinkel, S.; Maas, H.-G. (2023) Analysis of Thin Carbon Reinforced Concrete Structures through Microtomography and Machine Learning in: Buildings 13, issue 9, 2399 – DOI: 10.3390/buildings13092399
Studentische Arbeiten | Student's works
Krusche, J. (2023) Bildgebende Verfahren zur Modellierung von Carbonbeton [Bachelorarbeit].
Sevindik, J. (2023) Entwicklung und Implementierung eines Pre-Prozessors zur Verarbeitung von NURBS-Oberflächen im Rahmen der Scaled Boundary Isogeometric Analysis [Bachelorarbeit].
Lenze, C. (2023) The Influence of the Scaling Center Position on the Uniqueness of Solutions in the Scaled Boundary Finite Element Method [Bachelor’s thesis].
Elisová, A. (2022) Comparison of Different Numerical Models for Concrete and their Implementation [Master’s thesis]. mit | with C03*
Spahn, F. (2022) Development and Implementation of a Scaled Boundary Formulation for Slender Beam-like Structures for Anisotropic Fibre-Matrix Materials [Master’s thesis].
Pierick, B. (2021) Computation of the scaling center for arbitrarily shaped polygons for the application in the Scaled Boundary Finite Element Method using Deep Convolutional Neural Networks [Bachelor’s thesis].