Technik

Modelle – von der Exploration zur Vorhersage

Fr, 11.09.2015 - 14:46 — Peter Schuster

Peter SchusterIcon MINTWissenschaftliches Rechnen (computational science) ist neben Theorie und Experiment zur dritten Säule naturwissenschaftlicher Forschung geworden. Computer-Modelle erlauben Gesetzmäßigkeiten komplexer unerforschter Systeme zu entdecken, Vorhersagen für komplexe dynamische Systeme zu erstellen und reale Vorgänge in einer Präzision zu simulieren, die experimentell erreichbare Genauigkeiten bereits übertreffen kann. Der theoretische Chemiker Peter Schuster ist seit den frühen 1960er Jahren auf dem Gebiet der Modellierungen tätig. An Hand einiger typische Beispiele zeigt er hier Wert und Aussagefähigkeit von Computer-Modellen auf.*

Herbert Mang

Herbert MangEm. o. Prof. Herbert A. Mang studierte Bauingenieurwesen und Mathematik (Technische Universität Wien, Texas Technological University). Nach seiner Habilitation war er langjähriger Ordinarius für Festigkeitslehre und Vorstand des gleichnamigen Instituts an der TU Wien und Dekan und Prorektor ebendort. Mang war Generalsekretär und darauf folgend Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und Präsident internationaler wissenschaftlicher Organisationen. Er ist Träger hochrangiger Auszeichnungen, Inhaber zahlreicher Ehrendoktorate und Mitglied höchstrenommierter Gesellschaften. Forschungsschwerpunkte: Numerische Mechanik, Numerische Akustik, Mehrskalen-Analysen.

Academic and Professional Activities Abroad

1942: geboren in Wien
1967: Dipl.-Ing. (Bauingenieurwesen), Technische Universität (TU) Wien
1970: Dr. techn., TU Wien
1974: Ph.D. (Hauptfach: Bauingenieurwesen, Nebenfach: Mathematik), Texas Tech University, USA
1977: Habilitation, TU Wien
1983: o. Prof (Festigkeitslehre), TU Wien
1984-2004 Vorstand, Inst. für Festigkeitslehre, TU Wien

Josef Eberhardsteiner

Josef EberhardsteinerO.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. DDr. h.c. Josef Eberhardsteiner gehört zu den international angesehensten Wissenschaftlern auf dem Gebiet des Bauingenieurwesens.

Eberhardsteiner wurde 1957 in Ansfelden (nahe Linz) geboren. Er studierte an der Technischen Universität Wien Bauingenieurwesen.

Beruflicher Werdegang

1983 Dipl.-Ing. der Studienrichtung Bauingenieurwesen, TU Wien
1983-1984 Universitätsassistent am Institut für Baustatik und Festigkeitslehre (TU Wien)
1989 Promotion zum Dr. techn. (TU Wien)
1992 - Leiter des Laboratoriums des Instituts für Festigkeitslehre
2001 Habilitation für das Fachgebiet „Festigkeitslehre":

Assistive Technologien als Unterstützung von Aktivem Altern

Icon MINTBis zum Jahr 2030 wird die Zahl pflegebedürftiger alter Menschen in Österreich auf über 800.000 Personen angestiegen sein und damit die Kapazitäten professioneller Hilfs- und Pflegesysteme weit überfordern. Inwieweit ist ein Ersatz konventioneller Pflege und Betreuung durch technische Produktentwicklungen zumutbar?

Ilse Kryspin-ExnerZu den bedeutsamsten Phänomenen des 21. Jahrhunderts zählen die rapid ansteigende Alterung der Bevölkerung und das zunehmende Tempo der Technisierung. Diese Schnittstelle hatte in den letzten Jahren großes Forschungsinteresse – vor allem der Technikseite – zur Folge. Psychologische Modelle zur Akzeptanz oder wie diese technischen Möglichkeiten optimal zu nutzen sind („usability“), ebenso wie ethische Gesichtspunkte, etwa Zumutbarkeit oder ständige Überwachung, wurden kaum oder nur am Rande beachtet.

Die Alterspyramide

Durch den wachsenden Anteil an Älteren - bereits viel diskutiert, wird die Alterspyramide in Zukunft im wahrsten Sinne des Wortes „auf den Kopf gestellt“ (Abbildung 1) – ist eine Veränderung der Altenpflege und Betreuung in den kommenden Jahrzehnten europaweit unabdingbar.

Entwicklung der Bevölkerungspyramide in ÖAbbildung 1: Die Entwicklung der Bevölkerungspyamide in Österreich

Die erhöhte Zahl von Single-Haushalten und das in den Hintergrund Treten von traditionellen Pflege- und Hilfeleistungen, die früher vorwiegend aus dem Familiensystem übernommen wurden, fordern einerseits einen höheren Bedarf an professionellen Dienstleistungen, andererseits sind bereits jetzt nicht genügend personelle Ressourcen vorhanden und auch vom Gesundheitssystem nicht finanzierbar.

Die Zahl pflegebedürftiger Personen in Österreich wird für das Jahr 2030 auf 811.000 Personen geschätzt. Wie soll mit Prognosen wie diesen umgegangen werden, wenn man bedenkt, dass viele ältere Menschen so lange wie möglich in den eigenen vier Wänden verbleiben möchten? Noch bevor diese Überlegungen für die Zukunft zum gravierenden Problem werden, hat die Technik mit Produktentwicklungen begonnen, um in weiterer Folge als Ressourcen in das Gesundheitssystem integriert werden zu können.

Holzkonstruktionen werden berechenbar — Neue gestalterische Möglichkeiten im Ingenieurholzbau

Icon MINT„Holz ist der größten und nötigsten Dinge eines in der Welt, des man bedarf und nicht entbehren kann.“ (Martin Luther, 1532). Seit den frühesten Epochen dient Holz als Baumaterial für die verschiedenartigsten Konstruktionen, seine mechanischen Eigenschaften werden allerdings auch heute noch überwiegend empirisch, in langwierigen Testreihen, ermittelt. Mikromechanische Modelle von Holz machen die Materialeigenschaften berechenbar und ermöglichen es, das volle architektonische und konstruktive Potential von Holz auszuschöpfen.

Josef EberhardsteinerHolzwerkstoffe zur Herstellung von Strukturelementen gewinnen im Bauwesen zunehmend an Bedeutung. Der Verbrauch an Bauholz boomt nicht zuletzt auf Grund der offensichtlichen ökologischen Vorteile. Hinsichtlich des Holzvorrats liegt unser Land im europäischen Spitzenfeld (rund 48 % der Gesamtfläche sind bewaldet, davon etwa 54 % mit Fichten). Es wächst jährlich mehr Holz nach als geerntet wird und steht damit auch künftigen Generationen nachhaltig zur Verfügung (http://www.proholz.at/wald-holz/wald-in-zahlen/).

Den gestalterischen Möglichkeiten des Bauens mit Holz sind allerdings enge Grenzen gesetzt. Nach wie vor gehen die Bemessungskonzepte von Holzkonstruktionen, ebenso wie zahlreiche Bauvorschriften von einer rein empirischen, veralteten Basis aus, welche leider häufig unbefriedigende Resultate hinsichtlich der Effizienz und Sicherheit von Holzbaukonstruktionen liefert. Stark überdimensionierte Tragelemente aus Holz sind oftmals das Ergebnis.

Will man das volle architektonische und konstruktive Potential des überaus vielseitigen Werkstoffs Holz ausschöpfen und seine Verwendung für moderne, innovative Konstruktionen erleichtern, so bedarf es verlässlicher neuer Methoden zur Berechnung der Materialeigenschaften. Die rechnerischen Methoden sollten einerseits langwierige experimentelle Testreihen (zum Teil) ersetzen können und andererseits als Instrument zur Vorhersage und Optimierung der Materialeigenschaften von Holzwerkstoffen dienen.

Multi-scale Analysen zur Prognose der Tragsicherheit von Bauwerken

Herbert MangIcon MINT
Worum geht es bei solchen Analysen? Viele Baustoffe weisen ungeachtet ihres makroskopisch homogenen Erscheinungsbildes eine inhomogene Mikrostruktur auf. Sie enthalten verschiedene Bestandteile, die sich auf einer hinreichend kleinen Längenskala unterscheiden lassen. Multi-scale Analysen erlauben die Quantifizierung des Einflusses der Mikrostruktur auf das makroskopische mechanische Verhalten solcher Materialien.

Worin liegt die praktische Bedeutung solcher Analysen? Multi-scale Analysen ermöglichen wirklichkeitsnahe mathematische Beschreibungen des Materialverhaltens. Da der Kollaps von Bauwerken oftmals eine Folge von Materialversagen ist, hängt die Qualität von Prognosen möglicher Kollapsszenarien wesentlich von der Qualität solcher Beschreibungen ab.

Woher stammt das Wissen um solche Szenarien? Um vorhersehbare Schadensfälle im Bauwesen zu verhindern bzw. die Schäden infolge unvorhersehbarer Naturkatastrophen für Mensch, Bauwerk und Umwelt möglichst klein zu halten, beschäftigt sich die baumechanische Forschung intensiv mit dem Versagen von Konstruktionselementen und damit zusammenhängend mit dem Kollaps von Bauwerken. Darauf beziehen sich die ersten drei der vier folgenden Beispiele.

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