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Studien-/Masterarbeiten
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Studien-/Masterarbeiten

Das Institut für Statik und Dynamik bietet Studien- und Masterarbeiten mit konstruktivem oder theoretisch-numerischem Schwerpunkt an. Schwerpunkt der konstruktiv ausgerichteten Aufgabenstellungen ist die numerische Analyse von Grenzzuständen der Tragfähigkeit unter statischen und dynamischen Einwirkungen. Schalentragwerke, Membran- und Seil(netz)-tragwerke, Türme und Masten sowie Anschlussdetails werden mit modernen Berechnungsverfahren modelliert und untersucht.  Interessen der Studierenden können bei der Aufgabenstellung berücksichtigt werden. Bitte kontaktieren Sie uns für mögliche Aufgabenstellungen. 

Sie finden auf dieser Seite auch aktuelle Angebote in Zusammenarbeit mit externen Kooperationspartnern. 

Für Themen möglicher Arbeiten im Kontext unserer aktuellen Forschungsprojekte wenden Sie sich bitte an die jeweils genannten Projektbearbeiter.

Themenübersicht (forschungsorientiert)

Modellierung und Simulation flexibler Schutzstrukturen Mehrfeldmodellierung mit der DEM
Systemidentifikation im Kontext des Life-Cycle-Engineerings DEM for modeling solids
Beschreibung von Rissbildung und Faserauszug in ultrahochfestem faserverstärkten Beton (UHPFRC) Robuste Strömungssimulation mit Embedded Formulations
Modeling anisotropic damage of concrete Optimization at multi-physics problems
Physik- und datengetriebene Modellierung zur Berechnung und Bemessung von Tragwerken in frühen Entwurfsphasen  

Modellierung und Simulation flexibler Schutzstrukturen

In Folge der Klimakrise drängt die Frage nach ausreichendem Schutz von Leben und ziviler Infrastruktur in Gebirgsregionen vor Naturgefahren wie Lawinen, Steinschlag und Murenabgängen. Diesen sollen eigens konzipierte Schutznetze garantieren. Sie ermöglichen die ernorme Energie durch große Verformungen umzuleiten und teilweise durch plastifizierende Bremselemente zu dissipieren.
Ziel ist die numerische Simulationen dieser Barrieren um die Optimierung und Weiterentwicklung der Strukturen zu ermöglichen, ohne auf aufwändige Feldversuche zurückgreifen zu müssen. Spannende Herausforderungen ergeben sich dafür aus der geometrischen und der materialbedingten Nichtlinearität sowie der Interaktion zwischen Struktur und Beanspruchungsmasse. Für die Modellierung von Murenabgängen ist die Material Point Method (MPM) besonders geeignet, da sich damit stark verformende Kontinua gut abbilden lassen. Die Netzstrukturen werden mit der Finiten Element Methode (FEM) diskretisiert. 
Die Kopplung beider Methoden sowie die Beschreibung anderer Phenomene, wie die Drainage der Mure beim Aufprall auf die durchlässige Barriere, sind Teil dieses Arbeitsfeldes.

Themen & Fragestellungen:

  • Modellierung von Schutznetzen bei Steinschlag (FEM – FEM Kopplung)
  • Vergleich verschiedener Elementformulierungen bei der Netzmodellierungen
  • Modellierung des Aufpralls einer Mure gegen eine starre Barriere

Johanna Sigeneger

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Systemidentifikation im Kontext des Life-Cycle-Engineerings

Während des Bauprozesses und der Lebensdauer eines Bauwerks ändert sich dessen Beschaffenheit. Änderungen können dabei aus Beschädigungen des Tragwerks, der Degradation von Materialien oder fehlerhaft verbauten Materialien und Querschnitten resultieren. Getrieben von der Idee eines Digital Twins von Bauwerken müssen diese Änderungen in die zugehörigen Berechnungsrechenmodelle eingearbeitet werden.
Die System Identifikation beschäftigt sich mit dem automatisierten Updaten von Berechnungsmodellen basierend auf real gemessenen Systemantworten.

Themen & Fragestellungen:

  • Literaturübersicht und Bewertung von bestehenden “Update”-Algorithmen
  • Implementierung und Analyse der Performance eines ausgewählten Algorithmus
  • Ist eine Support-Vector-Machine oder ein Neural-Network zur Itentifikation von geschädigten Balkenabschnitten geeignet?
  • Implementierung und analyse bestehender/ausgewählter Algorithmen zur effizienten Positionierung von Sensoren zur Messung von Systemantworten für eine spätere Nutzung in der System Identifikation
  • Kann eine Kombination von MCMC und zellularen Automaten zur Identification von Modellen aus Messungen genutzt werden?

Dr.-Ing. Christian Flack

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Beschreibung von Rissbildung und Faserauszug in ultrahochfestem faserverstärkten Beton (UHPFRC)

In ultrahochfesten Beton (UHPC) eingebettete Mikrostahlfasern erhöhen die Duktilität und verbessern das Nachbruchverhalten unter Zugbeanspruchungen. Nachdem die Zugfestigkeit der UHPC-Matrix erreicht ist, wird die Tragfähigkeit des Werkstoffes durch die Aktivierung der Mikrostahlfasern sichergestellt. Aufgrund des Verbundes zwischen der UHPC-Matrix und den Stahlfasern bleibt die Tragfähigkeit in der Rissprozesszone erhalten, bis durch zu hohe Beanspruchungen eine Schädigung der Verbundzone erfolgt. Die Mikrostahlfasern lösen sich von der UHPC-Matrix und es folgt der Faserauszug, welcher zum kontrollierten Versagen des Verbundwerkstoffes führt.
Für eine effiziente und wirtschaftliche Bemessung von Bauteilen ist es notwendig die rissüberbrückende Fasertragwirkung und die damit verbundenen phänomenologischen Prozesse, die in der Verbundzone zwischen beiden Materialkomponenten stattfinden, zu charakterisieren und Modellgleichungen für die Beschreibung des Materialverhaltens zu entwickeln.
Die Vorhersage des Verformungs- und Schädigungsverhaltens von UHPFRC auf der Makro- und Strukturebene durch numerischen Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) ist dabei sehr nützlich. Viel Flexibilität in der Elementformulierung und der Wahl geeigneter Ansätze für weiterer Unbekannte im Elementgebiet, wie bspw. Spannungen, bietet das gemischt-hybride Elementkonzept. Der Vorteil liegt in einer direkten Berechnung aller Unbekannten ohne Nachlaufrechnung. Durch die Reduktion des Gesamtgleichungssystems auf die Verschiebungsfreiwerte ist trotz einer höheren Anzahl an Unbekannten eine effiziente Lösung möglich.

Themen & Fragestellungen:

  • Aufbereitung ausgewählter Materialgleichungen für UHPFRC unter eindimensionaler Betrachtung am Materialpunkt
  • Analyse des Spannungs-Deformationsverhaltens von UHPFRC mit einem bestehenden FE-Programm unter Verwendung ausgewählter und aufbereiteter Materialmodelle aus der Literatur
  • Implementierung ausgewählter Materialmodelle in ein gemischt-hybrides Elementkonzept
  • Implementierung von gemischt-hybriden Elementen in ein bestehendes FE-Programm (Dreieckselement für Scheiben, Tetraederelement)

Lena Gietz             

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Physik- und datengetriebene Modellierung zur Berechnung und Bemessung von Tragwerken in frühen Entwurfsphasen

Bereits in frühen Entwurfsphasen eines Bauwerks müssen Tragwerksplaner auf Basis von wenigen Informationen die finalen Bauteilabmessungen des Tragwerks mithilfe von Erfahrung und überschlägigen Bemessungen festgelegen. Da die Sicherheit der Tragwerke oberste Priorität hat, werden diese Bemessungen häufig mit einem entsprechenden Aufschlag durchgeführt. Zudem lässt der Top-Down-Ansatz der Planungsphasen eines Bauwerks keine Verbesserungen zwischen den Leistungsphasen im Falle von möglichen Anpassungen zu. Die sich daraus ergebenden Potentiale zur Steigerung von Materialeffizienz und Wirtschaftlichkeit werden in diesem Projekt mithilfe eines hybriden Modellierungsansatzes untersucht. Es werden Ingenieurserfahrungen vergangener Bauprojekte nutzbar gemacht und mit den strukturmechanischen Modellen der Bauteile zusammengeführt. Ziel ist es, Vorschläge zur Optimierung von Bauteilentwürfen zu machen, um die Ingenieure in frühen Planungsphasen zu unterstützen.

Themen & Fragestellungen:

  • Analyse und Entwicklung einer detaillierten Kosten-Zielfunktion zur Berücksichtigung von Nachhaltigkeitsaspekten und Wirtschaftlichkeit von Stahlbeton-Querschnitten im Hochbau

  • Implementierung und Evaluierung von modellbasierten Optimierungsalgorithmen für das Hyperparameter-Tuning mithilfe von Wahrscheinlichkeitsmodellen

  • Anwendung von physikbasierten neuronalen Netzwerken zur Simulation des Verformungsverhaltens einfacher mechanischer Systeme

  • Simulation von gekoppelten mechanischen Systemen durch die Verwendung hybrider Modelle

  • Durchführung von Robustheitsuntersuchungen an hybriden Struktur-Ersatzmodellen

  • Implementierung und Analyse von Energieansätzen und differentiellen Gleichgewichtsformulierungen zur Entwicklung hybrider Struktur-Ersatzmodelle

  • Umfassende Literaturübersicht und kritische Diskussion der aktuellen Anwendungen von physikbasierten ML-Algorithmen im Bauwesen

Thies Mattes Buschke

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Modeling anisotropic damage of concrete

Concrete structures generally consist of numerous micro-cracks and the accumulation and propagation of these cracks might lead to a growth of major cracks and ultimately result in failure. It is important to develop advanced methods to assess the damage state and to predict the failure mechanisms of aged structures.
Modelling damage in concrete as isotropic has proved to be in good agreement with the experimental results. However, these models fail to represent the actual behaviour of concrete under complex loading conditions. This can be attributed to the fact that the response of a structure depends on the direction of application of the load as well, which necessitates the importance of considering damage induced anisotropy. Numerical implementaion of these anisotropic damage models are incorporated into finite element codes within the framework of Kratos MultiPhysics.
Furthermore, the softening-induced localization of deformation in concrete is also addressed to avoid mesh dependencies. To achieve this, an implicit gradient formulation is utilized in the existing model.

Topics & research questions:

  • Literature review on different approaches for anisotropic damage formulations
  • Literature review on nonlocal regularization methods dependent on the damage induced anisotropy
  • Validations of current anisotropic damage model for experimental results from literature for different load cases

Athira Vadakkekkara

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Mehrfeldmodellierung mit der DEM

Das heterogene Gefüge von Beton kann mit Partikelpackungen unterschiedlicher Korngrößenverteilungen beschrieben werden. Hierfür wird die Diskrete Elemente Methode (DEM) verwendet, die zu den Partikelmethoden zählt. Die mechanischen Eigenschaften des Zementsteins werden in den Kontaktbedingungen berücksichtigt. Die einzelnen Kontakte werden mit Bruchkriterien auch für die Beschreibung von Bruchvorgängen genutzt. Für die Beschreibung von Transportprozessen im Beton wird auf Basis einer VORONOI-Tesselation ein Poren-Netzwerk erstellt, das eine direkte Kopplung einzelner Felder auf der Mikro- bzw. Mesoskala ermöglicht. Sowohl chemische als auch thermische Einflüsse und deren Auswirkungen auf die Lebensdauer können somit erfasst werden.

Themen & Fragestellungen:

  • Erstellung von virtuellen Probekörpern aus realen CT-Aufnahmen
  • Implementierung, Vergleich und Bewertung von Bruchmodellen (codePinC vs. Kratos)
  • Modellierung der Chloridschädigung (ungesättigter Transport)

Dr.-Ing. Christian Flack

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DEM for modeling solids

In recent years, the Discrete Element Method (DEM) has been widely employed as an alternative to the Finite Element Method (FEM) for modelling crack nucleation and its subsequent propagation in materials such as Concrete. The Discrete Element Method offers implicitely the ability to describe crack nucleation as the breakage of bonds between two material points that were previously bonded together upon reaching a certain failure criteria. However, the range of material that can be represented within DEM is in general restricted to values of Poisson’s ratio under 0.25. Also, within this range, a stiffer response of the structure is observed. This is especially prominent under bending dominated problems. Since an accurate elastic material response is a prerequisite for subsequent analysis, the development of a bond model that accurately captures the linear elastic domain for valus of Poisson’s ratio in the range 0 to under 0.5 is of utmost importance.

Topics & research questions:

  • Literature research on the existing bond models in DEM and other closely related Particle-based methods for modelling macroscopic homogeneous elastic continuum

Rahav Venkateswaran

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Robuste Strömungssimulation mit Embedded Formulations

Ziel ist die Weiterentwicklung einer EBM FE-Formulierung für robuste Strömungssimulationen und FSI-Studien beweglicher, flexibler oder sich verformender Strukturen. EBM steht hierbei für die Embedded Boundary Method, bei der nicht ein an die Struktur angepasstes, konformes, Fluid-Netz aus Finiten Elementen genutzt wird, sondern die Struktur in das bereits bestehende Fluid-Netz integriert wird.
Das bringt einige Vorteile mit sich, zum Beispiel bei unsauberen Struktur-Geometrien, starken Verformungen bis hin zu Kontakt oder Topologieoptimierung. Allerdings entstehen auch Herausforderungen, die schon gelöst wurden oder noch gelöst werden müssen oder verbessert werden können, wie die Approximation der Struktur-Geometrie und das Aufbringen der Randbedingungen.

Themen & Fragestellungen:

  • Adaptive Netzverfeinerung: “clevere” Verfeinerung, Schnittvorhersage
  • Optimisierungs-Framework
  • Koppeln von Embedded- und Struktur-Löser (CoSimulation, C++)

Franziska Wahl

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Optimization at multi-physics problems

Developing numerical methodologies for dynamically coupled multi-physics problems solving and computing their sensitivities with respect to different design variables for optimization purposes including shape optimization, topology optimization, system identification is of high interest. All of these methodological developments have the focus on enabling it to be executed on shared memory and/or distributed memory parallelized computing systems giving importance on efficient and effective data structures and algorithm developements.

Topics & research questions:

  • Development of coupled multi-physics sensitivity analysis framework with data structures and algorithms
  • Development of stabilized sensitivity analysis for chaotic problems
  • Development of methodologies to be used in system identification

Dr.-Ing. Ihar Antonau

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Ansprechpartner

Dr.-Ing. Christian Flack
+49 531 391 - 3665
c.flack(at)tu-braunschweig.de
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