Simultane Analyse von Bauwerk-Wind-Wechselwirkungen

Hübner, Björn GND

Ein simultanes Lösungsverfahren für Fluid-Struktur-Wechselwirkungen aus dem Bereich der Bauwerksaeroelastik wird vorgestellt. Die Modellierung der Tragwerksdynamik erfolgt mit der geometrisch nichtlinearen Elastizitätstheorie in total Lagrangescher Formulierung. Die Strömung wird mit den inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben, und wenn Turbulenzeffekte massgeblich sind, kommen die Reynolds-Gleichungen in Verbindung mit dem k-omega-Turbulenzmodell von Wilcox zum Einsatz. Die einheitliche Diskretisierung beider Felder mit der Raum-Zeit-Finite-Element-Methode führt zu einem konsistenten Berechnungsmodell für das gekoppelte System. Da die isoparametrischen Raum-Zeit-Elemente ihre Geometrie in Zeitrichtung ändern können, erlaubt die Methode eine natürliche Beschreibung des infolge Strukturbewegungen zeitveränderlichen Strömungsgebiets. Die gewichtete Integralformulierung der Kopplungsbedingungen mit globalen Freiwerten für die Randspannungen sichert eine konservative Kopplung von Fluid und Struktur. Beispielhafte Untersuchungen aeroelastischer Instabilitäten von Brückenquerschnitten und selbsterregter Flatterschwingungen von eigengewichtsvorgespannten Membranen belegen, dass die simultane Lösung des streng gekoppelten Systems zu einem effizienten Berechnungsverfahren mit hoher Konvergenz und Genauigkeit der numerischen Lösung führt.

A simultaneous solution procedure for fluid-structure interaction problems in the area of building aeroelasticity is presented. The structural motion is described by a geometrically nonlinear theory for elastic deformation behavior using a total Lagrangian approach. The flow field is modeled by the incompressible Navier-Stokes equations, which will be Reynolds averaged, if turbulence effects are essential. In this case, the k-omega turbulence model of Wilcox is used. The space-time finite element method is applied to both continua leading to a consistent discretization of fluid and structure. Since isoparametric space-time elements are adaptable in time direction, the method implies a natural description of the time dependent fluid domain, which has moving boundaries as a result of structural deformations. In order to enforce momentum conservation between both continua, a weighted residual formulation of coupling conditions is introduced using boundary tractions as additional variables. Numerical investigations of aeroelastic instabilities of bridge deck cross sections and flutter phenomena of gravity prestressed membranes demonstrate efficiency and versatility of the numerical scheme, which ensures high convergence and accuracy due to the simultaneous solution of the strongly coupled system.

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Hübner, Björn: Simultane Analyse von Bauwerk-Wind-Wechselwirkungen. 2003.

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