Membranstrukturen inspirieren Architekten und Ingenieure schon seit Jahrzehnten zu leichten Tragwerken mit immer größer werdenden Spannweiten. Durch die Fortschritte, die computerbasierte Berechnungen und Materialentwicklungen mit sich bringen, lassen sich sehr vielfältige und ansprechende Tragwerke verwirklichen. Das dynamische Verhalten von Membranen kann besonders bei großen Spannweiten eine entscheidende Rolle für die Sicherheit des Tragwerks spielen, besonders im Hinblick auf Windbelastung. Im Gegensatz zu massiven Bauten zeichnen sich Membrantragwerke unter anderem durch aeroelastisches Verhalten aus. Während der Einfluss der Luft auf die Schwingungen massiver Bauwerke vernachlässigbar gering ist, beeinflusst er Membranen in ihrem dynamischen Verhalten in erheblichem Maße. Der Effekt der Luft auf die Schwingungen von leichten Strukturen wird Added Mass Effect genannt und bildet das Thema dieser Master’s Thesis. Um den Einfluss der Luft auf Frequenzen und Dämpfungseigenschaften zu untersuchen, wurden Simulationen verschiedener Strukturen mit Carat ++ (www.carat.st.bv.tum.de), OpenFOAM (www.openfoam.com) und EMPIRE für die Kopplung (www.empire.st.bv.tum.de) durchgeführt. Durch Vergleiche zwischen reiner Strukturanalyse und Fluid-Struktur-Interaktion konnte der Einfluss der Luft für verschiedene Geometrien mit und ohne Randseile dargestellt werden. Zunächst konnte die Anwendung der oben genannten Programme anhand von veröffentlichten physischen sowie numerischen Experimenten verifiziert werden. Neben den Einflüssen unbewegter Luft auf schwingende Membranen wurden auch Strömungen erzeugt und deren Effekte untersucht. Anhand einer Parameterstudie wurde für einen Membranstreifen untersucht, welchen Einfluss unterschiedliche Eigenschaften wie Spannweite und Vorspannung auf das unterschiedliche Schwingungsverhalten in Vakuum und in Luft haben. Mit dem Ziel, Rechenzeiten zu minimieren, wurden schließlich publizierte vereinfachte Formeln angewandt, um die mitschwingende Luftmasse zu berechnen. Diese Luftmasse wurde auf die Struktur addiert, um anschließend die sich ergebenden Frequenzen und Dämpfungseigenschaften mit den FSI Ergebnissen zu vergleichen. Schwingungen von Membranen in Luft weisen deutlich geringere Frequenzen auf, als jene in entsprechender Mode in Vakuum. Zusätzlich zu diesem Effekt lässt sich eine Vergrößerung der Dämpfung beobachten. Die Berücksichtigung der mitschwingenden Luftmasse ist also essentiell, um das Schwingungsverhalten von Membrantragwerken in Luft fehlerfrei zu beschreiben.     «

Membranstrukturen inspirieren Architekten und Ingenieure schon seit Jahrzehnten zu leichten Tragwerken mit immer größer werdenden Spannweiten. Durch die Fortschritte, die computerbasierte Berechnungen und Materialentwicklungen mit sich bringen, lassen sich sehr vielfältige und ansprechende Tragwerke verwirklichen. Das dynamische Verhalten von Membranen kann besonders bei großen Spannweiten eine entscheidende Rolle für die Sicherheit des Tragwerks spielen, besonders im Hinblick auf Windbelastung....     »