Leistungen
Die Kompetenzen des Büros im Bereich des Windingenieurwesens haben ihren Ursprung in Guido Morgenthals Promotion in Cambridge, bei der die Software VXflow zur numerischen Strömungsanalyse entstanden ist. Durch Erfahrungen bei einer Vielzahl von Projekten und die Entwicklung weiterer Software, kann die Firma heute das folgende Leistungsspektrum abdecken:
- Analyse von Wirbel-induzierten (VIV) und Buffeting-Schwingungen in Bauzuständen und im Endzustand
- Entwurf von Dämpfern zur Schwingungsreduzierung
- Untersuchung von „guide vanes“ und anderen Bauteilen zur Strömungsbeeinflussung und Reduktion von VIV
- Simulation aeroelastischer Instabilitäten wie Flattern und Galloping
- Analyse der Effizienz von Windabweisern auf Brücken, incl. Optimierung der Geometrie und Ermittlung der zusätzlichen Windlasten auf den Überbau sowie der Kippmomente auf Fahrzeuge
- Formoptimierungsmethoden für Brückendecks und Hochbauten auf der Basis von Performance-Kriterien für die Winderregung
- Modellierung von „energy harvesting devices“ in Form von flatternden Membranen (mit Stanford University)
Der Film zeigt eine Zeitschrittsimulation der Buffeting-Erregung der Stonecutters Bridge im Bauzustand mit maximalem Kragarm.
VXflow
Unsere eigene CFD-Software VXflow basiert auf der Vortex Partikel Methode und ermöglicht die effiziente numerische Simulation der Umströmung beliebig komplexer Querschnittsgeometrien wie z.B. von Brückendecks. Durch umfangreiche Entwicklungsarbeiten bietet das Softwarepaket heute folgende Features:
- Mehrscheiben- (pseudo-3D-) Formulierung zur Modellierung der Aerodynamik linienförmiger Bauwerke mit veränderlichem Querschnitt, z.B. langgespannter Brücken, hoher Maste und Türme
- Fluid-Struktur-Interaktions-Simulationen auf der Basis vollständiger Bauwerksmodelle oder mittels modaler Strukturrepräsentation
- Adaptive Methoden zur Anpassung von Genauigkeit und Effizienz
- Berechnung flexibler Strukturen wie von Membranen o.ä.
- Modellierung transienter Geschwindigkeitsrandbedingungen zur Berücksichtigung atmosphärischer Turbulenz, z.B. für Buffeting-Berechnungen
- Parallelisierung durch OpenMP sowie Nutzung von GPU durch Portierung des Rechenkerns auf OpenCL für extrem hohe Effizienz
- Qualitativ hochwertige und effiziente Strömungsvisualisierung mit dem Post Processing Tool VXviz sowie weiterer Aufbereitung mit VXpost
Im folgenden sind einige Bilder und Filme gezeigt, die die Fähigkeiten von VXflow darstellen.
Referenzen
Einige der Projekte, zu denen wir mit Expertise im Windingenieurwesen beigetragen haben sind:
- Grenzwaldtalbrücke (2022)
- Pattullo Bridge, Kanada (2021)
- Ponte Spada, Schweiz (2021)
- Weidenstruktur Archiv der Zukunft Lichtenfels (2020)
- Funkmast Bad Reichenhall (2020)
- Fourth Panama Canal Bridge, Panama (2020)
- Macau Zipline, Macau/China (2019)
- MyThuan Bridge, Vietnam (2019)
- Gordie Howe Bridge Schrägkabel, Kanada (2019)
- Queen Elizabeth II Bridge (Dartford Crossing), GB (2017)
- Third Panama Canal Bridge, Panama (2017)
- Elbebrücke Magdeburg (2017)
- Kruunuvuori Bridge Helsinki, Finnland (2016-2018)
- Rhein-Brücke Duisburg (2017)
- Danjiang Bridge, Taiwan (2016-2017)
- 3rd Orinoco Bridge, Venezuela (2016)
- New Champlain Corridor Bridge, Kanada (2015-2016)
- Mersey Gateway Crossing, UK (2013-2017)
- Div. Maste und Türme
- Stonecutters Bridge, Hongkong, China (2005-2010)
- Sutong Bridge, China (2005-2008)
- Dolsan Watah Bridge, Korea (2004)
- Chenab Bridge, Indien (2004)
- Bukhang Bridge, Korea (2004)
- Strelasundbrücke (2004-2005)
- Orinoco Bridge, Venezuela (2003)
- Fußgängerbrücke Kehl-Strasbourg (2002-2004)
- River Neath Viaduct, UK (2001-2002)
Ein Teil dieser Arbeiten wurde im Rahmen der Tätigkeit bei den Büros Leonhardt Andrä und Partner, Stuttgart und AECOM, Hongkong durchgeführt.
Veröffentlichungen zum Thema bzw. zu den Projekten:
- Tolba, K.I., Morgenthal, G., Parallel Scalability and Efficiency of Vortex Particle Method for Aeroelasticity Analysis of Bluff bodies, accepted by Computational Particle Mechanics
- Kavrakov, I., Morgenthal, G, Comparative Assessment of Aerodynamic Models for Buffeting and Flutter of Long-span Bridges, Engineering (2017) (in press)
- Tolba, K.I., Morgenthal, G., Pseudo three-dimensional simulation of aeroelastic response to turbulent wind using Vortex Particle Methods, Journal of Fluids and Structures 72 (2017), pp. 1-24
- Milani, D., Morgenthal, G., Methods for Controlling the Local Spatial and Temporal Resolution of Vortex Particle Simulations of Bluff Body Aerodynamics Problems, accpeted by Computers and Fluids
- Chawdhury, S., Morgenthal, G., Numerical simulations of aeroelastic instabilities to optimize the performance of flutter-based electromagnetic energy harvesters, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2017, pp.1-17
- Abbas, T., Kavrakov, I., Morgenthal, G., Methods for Flutter Stability Analysis of Long-span Bridges: A Review, Proceedings of the ICE – Bridge Engineering 170 (2017), pp. 271-310
- Chawdhury, S., Morgenthal, G., Flow Reproduction using Vortex Particle Methods for Simulating Wake Buffeting Response of Bluff Structures, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 151 (2016), pp. 122-136
- Abbas, T., Morgenthal, G., Framework for Sensitivity and Uncertainty Quantification in the Flutter Assessment of Bridges, Journal of Probabilistic Engineering Mechanics, 43 (2016), pp. 91-105
- Morgenthal G., Sanchez-Corriols, A., Bendig, B., A GPU-accelerated Pseudo-3D Vortex Method for Aerodynamic Analysis, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 125 (2014), pp. 69-80
- Sanchez Corriols, A, Morgenthal G., Vortex-Induced Vibrations on Cross Sections in Tandem Arrangement, Structural Engineering International, 02/2014; 24(1)
- McRobie, A., Morgenthal, G., Abrams, D., Prendergast, J., Parallels between the wind excitation and the crowd loading of bridges, Philosophical Transactions of the Royal Society A, 371 (2013), pp. 20120430-20120446
- Park, J., Morgenthal, G., Kim, K., Kwon, S., Law, K., Power Evaluation for Flutter-based Electromagnetic Energy Harvester Using CFD Simulations, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 9/2014; vol. 25, pp. 1800–1812
- Morgenthal, G.,Yamasaki, Y., (Aerodynamic) Behaviour of Very Long Cable-stayed Bridges During Erection, Proceedings of ICE – Bridge Engineering, 163 (2010), pp. 213-224
- Morgenthal, G., Walther, J.-H., An Immersed Interface Method for the Vortex-In-Cell Algorithm, Computers and Structures, 85 (2007), pp. 712-726
- Morgenthal, G., Kovacs, I., Saul, R., Analysis of Aeroelastic Bridge Deck Response to Natural Wind, Structural Engineering International, 15 (2005), pp. 232-235
- Morgenthal, G., Advances in Numerical Bridge Aerodynamics and Recent Applications, Structural Engineering International, 15 (2005), pp. 95-100