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Ausgehend von den fundierten Erfahrungen, die für das Schweißen von verschiedensten Metallen vorliegen, wird an der Professur Stahlbau der Bauhaus-Universität Weimar ein neuartiges Verfahren zum CO2-Laserstrahlschweißen von Quarzglas numerisch untersucht. Dabei kommt die kommerzielle FE-Software SYSWELD® zum Einsatz. Die erforderlichen Versuche werden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH aus Jena realisiert. Die numerische Analyse wird eingesetzt, um geeignete Prozessparameter zu bestimmen und deren Auswirkungen auf die transienten thermischen und mechanischen Vorgänge, die während des Schweißvorgangs ablaufen abzubilden. Um die aus der Simulation erhaltenen Aussagen zu überprüfen, ist es erforderlich, das Berechnungsmodell mittels Daten aus Versuchsschweißungen zu kalibrieren. Dabei sind die verwendeten Materialmodelle sowie die der Simulation zugrunde gelegten Materialkennwerte zu validieren. Es stehen verschiedene rheologische Berechnungsmodelle zur Auswahl, die die viskosen Materialeigenschaften des Glases abbilden. Dabei werden die drei mechanischen Grundelemente, die HOOKEsche Feder, der NEWTONsche Dämpfungszylinder und das ST.-VENANT-Element miteinander kombiniert. Die Möglichkeit, thermische und mechanische Vorgänge innerhalb des Glases während des Schweißvorgangs und nach vollständiger Abkühlung, vorhersagen zu können, gestattet es den Schweißvorgang über eine Optimierung der Verfahrensparameter gezielt dahingehend zu beeinflussen, die Wirtschaftlichkeit des Schweißverfahrens zu verbessern, und ein zuverlässiges Schweißergebnis zu erhalten. Dabei können auch nur unter hohem experimentellen Aufwand durchführbare Versuche simuliert werden, um eine Vorhersage zu treffen, ob es zweckmäßig ist, den Versuch auch in der Praxis zu fahren. Dies führt zu einer Reduzierung des experimentellen Aufwandes und damit zu einer Verkürzung des Entwicklungszeitraumes für das angestrebte Verfahren.
Die Entwicklung von Hybridtechnologien führt zu vielen neuartigen und effizienten Anwen-dungen. Hybridtechnologien kommen immer dann zum Einsatz, wenn die ausschließliche Nutzung einer Technologie oder eines Werkstoffs nicht zum gewünschten Ergebnis führt. Dann kann durch Kombination unterschiedlicher Werkstoffe oder Technologien ein System geschaffen werden, das in seiner Konfiguration ein Optimum an Eigenschaften darstellt.
Im Bauwesen geht die Entwicklung schon seit jeher in Richtung von immer schlankeren ar-chitektonisch ansprechenden Konstruktionen. In der gegenwärtigen Entwicklung ermöglichen hochtechnologische Kunststoffe und Faserwerkstoffe, wie z. B. Kohlenstofffasern, sehr schlanke, leichte und dennoch hochtragfähiger Konstruktionen. Der wirtschaftliche Aspekt bei der Entwicklung von Tragsystemen bzw. -strukturen erfordert dabei in fast allen Fällen eine kostengünstig effiziente Ausbildung und die Optimierung von Trageigenschaften und Kostenfaktoren. Daher besteht oft die Anforderung nach einem Verbundsystem, bei dem unterschiedliche Materialien in der Art miteinander kombiniert werden, dass jeder Werkstoff für eine bestimmte Beanspruchung angeordnet wird und sein Tragfähigkeitspotenzial optimal ausschöpft. Im Rahmen dieser Arbeit werden an konkreten Beispielen Möglichkeiten aufge-zeigt, Hochtechnologiewerkstoffe in effizienter Art und Weise zu nutzen.
Der Kunststoff-Faser-Verbundwerkstoff stellt eine Möglichkeit dar, den als solches nur für dünnschichtige Klebverbindungen nutzbaren Klebstoff in seinen Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern. Die Fasern wirken dabei dem mechanischen Schwachpunkt des Klebstoffs, einer nur geringen Zugfestigkeit, effektiv entgegen. Mit faserverstärkten Klebstoff können Anwendungen realisiert werden, bei denen der Klebstoff auch zur Zugkraftübertragung ge-nutzt wird. Zusätzlich bieten Füllstoffe eine Möglichkeit, die Steifigkeit des Klebstoffs zu stei-gern, was für viele mechanischen Beanspruchungen Vorteile mit sich bringt. Die Kombination aus einem partikelgefüllten und zusätzlich faserverstärkten Klebstoff führt zu einem Ver-bundwerkstoff, der für viele unterschiedliche Anwendungen geeignet ist. Praktische Anwen-dungsmöglichkeiten finden sich in der Herstellung von Fassadenelementen, wo der faserver-stärkte Klebstoff zur Verbindung von Aluminiumhohlprofilen verwendet wird. Weitere Anwen-dungsgebiete erstrecken sich auf die Zugkraftbewehrung von Betontragelementen, bei denen der faserverstärkte Klebstoff die Rolle einer Zugbewehrung an der Betonoberfläche übernimmt.
Alu-CFK-Hybridelemente ermöglichen die Herstellung sehr effizienter Tragsysteme, bei de-nen Gewichtsreduzierung der Tragstruktur und Kosteneinsparungen im Betrieb des Bauwerks gleichermaßen ermöglicht werden. Die CFK-Lamellen werden dabei in den am stärksten längskraftbeanspruchten Bereichen eines Aluminiumtragelementes angeordnet, wodurch sich die Biegetragfähigkeit des dann hybriden Tragelements signifikant erhöht. In der Folge können Gewichtsreduzierungen, verglichen mit herkömmlichen Aluminiumtragelementen, erzielt werden. Weiterhin können die Querschnittsaußenmaße bei Alu-CFK-Hybridelementen deutlich reduziert werden. In der Folge vereinfachen sich der Transport und die Montage dieser Art Tragwerke, was besonders bei fliegenden Bauten einen wesentlichen Vorteil dar-stellt.
Der Einsatz von Glas-Kunststoff-Hybridelementen ermöglicht die Konstruktion transparenter Tragstrukturen in einer optisch einzigartigen Qualität. Die Konstruktion eines Glas-Kunststoff-Hybridelementes ermöglicht ein redundant wirkendes Tragverhalten, bei dem die Steifigkeit und optische Qualität des Glases optimal im Tragsystem genutzt werden können. Der Kunst-stoff stellt eine Art Sicherheitselement dar und übernimmt im Falle eines Glasbruchs die Tragwirkung des Glases. Die Eigenschaft der Vorankündigung eines Systemversagens stellt die Grundlage für eine baupraktische Anwendung des Glas-Kunststoff-Hybridelementes als statisches Tragsystem dar. Durch die Redundanz des Tragverhaltens von Glas-Kunststoff-Hybridelementen ist das Versagen dieser Tragstruktur durch optische oder strukturelle An-zeichen erkennbar und eine Bemessung somit möglich.
Für die mechanische Analyse grundlegender Zusammenhänge in Hybridsystemen können ingenieurmäßige, analytische und numerische Betrachtungen durchgeführt werden. Die in-genieurmäßigen Betrachtungen sind sehr gut geeignet, um Abschätzungen zu treffen, die in später durchgeführten experimentellen Bauteiluntersuchungen oft auch ihre Bestätigung fan-den. Bei Detailbetrachtungen, wie z. B. der Analyse eines nichtlinearen Spannungsverlaufes in mechanisch beanspruchten Klebfugen, bietet eine numerische Betrachtung mittels FEM Vorteile, da sie eine sehr detaillierte Auswertung in Bereichen mit hohen Spannungsgradien-ten ermöglicht. Durch die Anwendung der FEM ist es möglich, Strukturen in unterschiedlichen Skalierungsbereichen zu analysieren und dabei auch Bereiche einzubeziehen, die für experimentelle Untersuchungen nur sehr schwer zugänglich sind. Genaue Kenntnisse über das Materialverhalten der zu analysierenden Stoffe stellen dabei eine wesentliche Grundlage für die Erstellung qualitativ hochwertiger Rechenmodelle dar.
Das FEM-Programmsystem „SYSWELD“ kommt für die Berechnung des Temperaturfeldes bei einer Laserstrahlschweißung zum Einsatz. Insbesondere sollen der Einfluss des Energieeintrages und die damit verbundene Gefügeumwandlung eines Feinkornbaustahles untersucht und Aussagen zur notwendigen Modellierungsgenauigkeit der Nahtgeometrie bzw. Netzverfeinerung getroffen werden. Im Einzelnen sind folgende Teilaufgaben zu lösen: - ausführliche Literaturrecherche zur numerischen Analyse von Schweißverbindungen insbesondere zu temperaturabhängigen Materialeigenschaften von Feinkornbaustählen, - Darstellung der Wärmequelle für das Laserstrahlschweißen, - Erprobung unterschiedlicher Netzvarianten für die FE-Analyse von instationären Temperaturfeldern, - Untersuchung zur Modellierungsgenauigkeit der Nahtgeometrie, - Parameterstudien zum Einfluss der Materialkennwerte und Gefügekinetik auf das Temperaturfeld sowie das Gefüge.
Datenmodelle zur Bearbeitung von Ingenieuraufgaben am Beispiel von Wohnhäusern in Stahlbauweise
(2006)
Modelle bilden die Grundlage der Planung. Sie repräsentieren die zur Bearbeitung erforderlichen Eigenschaften eines Bauwerks in einer an die spezifische Aufgabe angepassten Form. Zwischen den verschiedenen zur Abbildung des Bauwerks eingesetzten Modellen bestehen fachliche Zusammenhänge bezüglich der darin abgebildeten Aspekte. Diese Abhängigkeiten werden in der praktischen Planungsbearbeitung gegenwärtig auf Grundlage von Erfahrungswerten, normativen Vorgaben und vereinfachenden Annahmen berücksichtigt. Die detailliertere Modellierung von Bauwerkseigenschaften führt zu einer engeren Verzahnung der verschiedenen Modelle. Um eine fachliche Inselbildung zu vermeiden, ist eine entsprechend angepasste Abbildung der zwischen den einzelnen Modellen bestehenden Beziehungen erforderlich. Mit den steigenden Ansprüchen an eine Bearbeitung von Ingenieuraufgaben gewinnt eine über den Zweck der Bereitstellung ausgewählter Informationen zum Bauwerk und der Unterstützung eines Datenaustauschs zwischen verschiedenen Fachplanern hinausgehende datentechnische Abbildung an Bedeutung. Dies setzt eine Diskussion der Anforderungen an eine solche Beschreibung aus fachlicher Sicht voraus. Die Untersuchung der fachlichen Anforderungen wird am Beispiel von Wohnhäusern in Stahlbauweise geführt.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Energieeintrag beim Laserstrahl-schweißen untersucht. Das verwendete Material ist ein Stahl der Sorte S355 J2G3. Für das FE-Programm SYSWELD sind verschiedene Wärmequellen entwickelt, erprobt und über Temperaturfelder mit einander verglichen wurden. Dabei kamen unterschiedliche Netz-varianten zum Einsatz. Der Energieeintrag wurde abzüglich der Verluste die beim Laserstrahlschweißen entstehen betrachtet, dabei sind die Verluste aus Transmission, Reflexion und Metalldampf separat betrachtet wurden. Es wurden auch Materialparameter wie: Verdampfungsenthalpie, spezifische Wärmekapazität sowie Wärmeleit-fähigkeit analysiert. Die Ergebnisse zur Anpassung des Energieeintrages waren im Gegensatz zu den Materialparametern noch ausbaufähig.
The 19th International Conference on the Applications of Computer Science and Mathematics in Architecture and Civil Engineering will be held at the Bauhaus University Weimar from 4th till 6th July 2012. Architects, computer scientists, mathematicians, and engineers from all over the world will meet in Weimar for an interdisciplinary exchange of experiences, to report on their results in research, development and practice and to discuss. The conference covers a broad range of research areas: numerical analysis, function theoretic methods, partial differential equations, continuum mechanics, engineering applications, coupled problems, computer sciences, and related topics. Several plenary lectures in aforementioned areas will take place during the conference.
We invite architects, engineers, designers, computer scientists, mathematicians, planners, project managers, and software developers from business, science and research to participate in the conference!