TY - INPR A1 - Kavrakov, Igor A1 - Morgenthal, Guido T1 - A synergistic study of a CFD and semi-analytical models for aeroelastic analysis of bridges in turbulent wind conditions N2 - Long-span bridges are prone to wind-induced vibrations. Therefore, a reliable representation of the aerodynamic forces acting on a bridge deck is of a major significance for the design of such structures. This paper presents a systematic study of the two-dimensional (2D) fluid-structure interaction of a bridge deck under smooth and turbulent wind conditions. Aerodynamic forces are modeled by two approaches: a computational fluid dynamics (CFD) model and six semi-analytical models. The vortex particle method is utilized for the CFD model and the free-stream turbulence is introduced by seeding vortex particles upstream of the deck with prescribed spectral characteristics. The employed semi-analytical models are based on the quasi-steady and linear unsteady assumptions and aerodynamic coefficients obtained from CFD analyses. The underlying assumptions of the semi-analytical aerodynamic models are used to interpret the results of buffeting forces and aeroelastic response due to a free-stream turbulence in comparison with the CFD model. Extensive discussions are provided to analyze the effect of linear fluid memory and quasi-steady nonlinearity from a CFD perspective. The outcome of the analyses indicates that the fluid memory is a governing effect in the buffeting forces and aeroelastic response, while the effect of the nonlinearity is overestimated by the quasi-steady models. Finally, flutter analyses are performed and the obtained critical velocities are further compared with wind tunnel results, followed by a brief examination of the post-flutter behavior. The results of this study provide a deeper understanding of the extent of which the applied models are able to replicate the physical processes for fluid-structure interaction phenomena in bridge aerodynamics and aeroelasticity. KW - Ingenieurwissenschaften KW - Aerodynamik KW - Bridge KW - Aerodynamic nonlinearity KW - Fluid memory KW - Vortex particle method KW - Buffeting KW - Flutter Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200206-40873 N1 - This is the pre-peer reviewed version of the following article: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0889974617308423?via%3Dihub, which has been published in final form at https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2018.06.013 ER - TY - INPR A1 - Kavrakov, Igor A1 - Morgenthal, Guido T1 - Aeroelastic analyses of bridges using a Pseudo-3D vortex method and velocity-based synthetic turbulence generation N2 - The accurate representation of aerodynamic forces is essential for a safe, yet reasonable design of long-span bridges subjected to wind effects. In this paper, a novel extension of the Pseudo-three-dimensional Vortex Particle Method (Pseudo-3D VPM) is presented for Computational Fluid Dynamics (CFD) buffeting analysis of line-like structures. This extension entails an introduction of free-stream turbulent fluctuations, based on the velocity-based turbulence generation. The aerodynamic response of a long-span bridge is obtained by subjecting the 3D dynamic representation of the structure to correlated free-stream turbulence in two-dimensional (2D) fluid planes, which are positioned along the bridge deck. The span-wise correlation of the free-stream turbulence between the 2D fluid planes is established based on Taylor's hypothesis of frozen turbulence. Moreover, the application of the laminar Pseudo-3D VPM is extended to a multimode flutter analysis. Finally, the structural response from the Pseudo-3D flutter and buffeting analyses is verified with the response, computed using the semi-analytical linear unsteady model in the time-domain. Meaningful merits of the turbulent Pseudo-3D VPM with respect to the linear unsteady model are the consideration of the 2D aerodynamic nonlinearity, nonlinear fluid memory, vortex shedding and local non-stationary turbulence effects in the aerodynamic forces. The good agreement of the responses for the two models in the 3D analyses demonstrates the applicability of the Pseudo-3D VPM for aeroelastic analyses of line-like structures under turbulent and laminar free-stream conditions. KW - Bridge KW - Aerodynamik KW - Ingenieurwissenschaften KW - Computational Bridge Aerodynamics KW - Buffeting KW - Flutter KW - Long-span Bridges KW - Vortex Particle Method Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200206-40864 N1 - This is the pre-peer reviewed version of the following article: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141029617322976?via%3Dihub, which has been published in final form at https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.08.093 ER - TY - JOUR A1 - Benz, Alexander A1 - Taraben, Jakob A1 - Lichtenheld, Thomas A1 - Morgenthal, Guido A1 - Völker, Conrad T1 - Thermisch-energetische Gebäudesimulation auf Basis eines Bauwerksinformationsmodells JF - Bauphysik N2 - Für eine Abschätzung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und Quartieren können thermisch-energetische Simulationen eingesetzt werden. Grundlage dieser Simulationen sind geometrische und physikalische Gebäudemodelle. Die Erstellung des geometrischen Modells erfolgt in der Regel auf Basis von Bauplänen oder Vor-Ort-Begehungen, was mit einem großen Recherche- und Modellierungsaufwand verbunden ist. Spätere bauliche Veränderungen des Gebäudes müssen häufig manuell in das Modell eingearbeitet werden, was den Arbeitsaufwand zusätzlich erhöht. Das physikalische Modell stellt die Menge an Parametern und Randbedingungen dar, welche durch Materialeigenschaften, Lage und Umgebungs-einflüsse gegeben sind. Die Verknüpfung beider Modelle wird innerhalb der entsprechenden Simulations-software realisiert und ist meist nicht in andere Softwareprodukte überführbar. Mithilfe des Building Information Modeling (BIM) können Simulationsdaten sowohl konsistent gespeichert als auch über Schnittstellen mit entsprechenden Anwendungen ausgetauscht werden. Hierfür wird eine Methode vorgestellt, die thermisch-energetische Simulationen auf Basis des standardisierten Übergabe-formats Industry Foundation Classes (IFC) inklusive anschließender Auswertungen ermöglicht. Dabei werden geometrische und physikalische Parameter direkt aus einem über den gesamten Lebenszyklus aktuellen Gebäudemodell extrahiert und an die Simulation übergeben. Dies beschleunigt den Simulations-prozess hinsichtlich der Gebäudemodellierung und nach späteren baulichen Veränderungen. Die erarbeite-te Methode beruht hierbei auf einfachen Modellierungskonventionen bei der Erstellung des Bauwerksinformationsmodells und stellt eine vollständige Übertragbarkeit der Eingangs- und Ausgangswerte sicher. Thermal building simulation based on BIM-models. Thermal energetic simulations are used for the estimation of the heating demand of buildings and districts. These simulations are based on building models containing geometrical and physical information. The creation of geometrical models is usually based on existing construction plans or in situ assessments which demand a comparatively big effort of investigation and modeling. Alterations, which are later applied to the structure, request manual changes of the related model, which increases the effort additionally. The physical model represents the total amount of parameters and boundary conditions that are influenced by material properties, location and environmental influences on the building. The link between both models is realized within the correspondent simulation soft-ware and is usually not transferable to other software products. By Applying Building Information Modeling (BIM) simulation data is stored consistently and an exchange to other software is enabled. Therefore, a method which allows a thermal energetic simulation based on the exchange format Industry Foundation Classes (IFC) including an evaluation is presented. All geometrical and physical information are extracted directly from the building model that is kept up-to-date during its life cycle and transferred to the simulation. This accelerates the simulation process regarding the geometrical modeling and adjustments after later changes of the building. The developed method is based on simple conventions for the creation of the building model and ensures a complete transfer of all simulation data. KW - Building Information Modeling KW - Energiebedarf KW - Gebäudehülle KW - Schnittstelle KW - Simulation KW - BIM KW - Gebäudesimulation KW - IFC-basierte Gebäudesimulation KW - thermische Gebäudehülle KW - building simulation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20181221-38354 N1 - Copyright 2018 Ernst & Sohn. Dieser Artikel kann für den persönlichen Gebrauch heruntergeladen werden. Andere Verwendungen bedürfen der vorherigen Zustimmung der Autoren und des Verlags Ernst & Sohn. Der folgende Artikel erschien in der Bauphysik 40 (2), 2018 und kann unter folgendem Link abgerufen werden. https://www.ernst-und-sohn.de/app/artikelrecherche/artikel.php?lang=de&ID=38470&utm_source=eus&utm_medium=artikel-db&utm_campaign=Bp_2018_2 IS - 40, Heft 2 SP - 61 EP - 67 ER - TY - JOUR A1 - Benz, Alexander A1 - Taraben, Jakob A1 - Lichtenheld, Thomas A1 - Morgenthal, Guido A1 - Völker, Conrad T1 - Thermisch-energetische Gebäudesimulation auf Basis eines Bauwerksinformationsmodells JF - Bauphysik N2 - Für eine Abschätzung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und Quartieren können thermisch-energetische Simulationen eingesetzt werden. Grundlage dieser Simulationen sind geometrische und physikalische Gebäudemodelle. Die Erstellung des geometrischen Modells erfolgt in der Regel auf Basis von Bauplänen oder Vor-Ort-Begehungen, was mit einem großen Recherche- und Modellierungsaufwand verbunden ist. Spätere bauliche Veränderungen des Gebäudes müssen häufig manuell in das Modell eingearbeitet werden, was den Arbeitsaufwand zusätzlich erhöht. Das physikalische Modell stellt die Menge an Parametern und Randbedingungen dar, welche durch Materialeigenschaften, Lage und Umgebungs-einflüsse gegeben sind. Die Verknüpfung beider Modelle wird innerhalb der entsprechenden Simulations-software realisiert und ist meist nicht in andere Softwareprodukte überführbar. Mithilfe des Building Information Modeling (BIM) können Simulationsdaten sowohl konsistent gespeichert als auch über Schnittstellen mit entsprechenden Anwendungen ausgetauscht werden. Hierfür wird eine Methode vorgestellt, die thermisch-energetische Simulationen auf Basis des standardisierten Übergabe-formats Industry Foundation Classes (IFC) inklusive anschließender Auswertungen ermöglicht. Dabei werden geometrische und physikalische Parameter direkt aus einem über den gesamten Lebenszyklus aktuellen Gebäudemodell extrahiert und an die Simulation übergeben. Dies beschleunigt den Simulations-prozess hinsichtlich der Gebäudemodellierung und nach späteren baulichen Veränderungen. Die erarbeite-te Methode beruht hierbei auf einfachen Modellierungskonventionen bei der Erstellung des Bauwerksinformationsmodells und stellt eine vollständige Übertragbarkeit der Eingangs- und Ausgangswerte sicher. Thermal building simulation based on BIM-models. Thermal energetic simulations are used for the estimation of the heating demand of buildings and districts. These simulations are based on building models containing geometrical and physical information. The creation of geometrical models is usually based on existing construction plans or in situ assessments which demand a comparatively big effort of investigation and modeling. Alterations, which are later applied to the structure, request manual changes of the related model, which increases the effort additionally. The physical model represents the total amount of parameters and boundary conditions that are influenced by material properties, location and environmental influences on the building. The link between both models is realized within the correspondent simulation soft-ware and is usually not transferable to other software products. By Applying Building Information Modeling (BIM) simulation data is stored consistently and an exchange to other software is enabled. Therefore, a method which allows a thermal energetic simulation based on the exchange format Industry Foundation Classes (IFC) including an evaluation is presented. All geometrical and physical information are extracted directly from the building model that is kept up-to-date during its life cycle and transferred to the simulation. This accelerates the simulation process regarding the geometrical modeling and adjustments after later changes of the building. The developed method is based on simple conventions for the creation of the building model and ensures a complete transfer of all simulation data. KW - Gebäudehülle KW - Energiebedarf KW - Simulation KW - Schnittstelle KW - Building Information Modeling KW - Gebäudesimulation KW - BIM KW - IFC-basierte Gebäudesimulation KW - thermische Gebäudehülle KW - building simulation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20181102-38190 UR - https://e-pub.uni-weimar.de/opus4/frontdoor/index/index/docId/3835 N1 - Copyright 2018 Ernst & Sohn. Dieser Artikel kann für den persönlichen Gebrauch heruntergeladen werden. Andere Verwendungen bedürfen der vorherigen Zustimmung der Autoren und des Verlags Ernst & Sohn. Der folgende Artikel erschien in der Bauphysik 40 (2), 2018 und kann unter folgendem Link abgerufen werden. https://www.ernst-und-sohn.de/app/artikelrecherche/artikel.php?lang=de&ID=38470&utm_source=eus&utm_medium=artikel-db&utm_campaign=Bp_2018_2. IS - 40, Heft 2 SP - 61 EP - 67 ER -