Bewertung gekoppelter numerischer und experimenteller Partialmodelle im Konstruktiven Ingenieurbau (2008 - 2018)
In der kreativen Bauplanung existiert ein Nebeneinander unterschiedlichster Modelle, die die Prognose der Funktionsfähigkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit von Tragwerken ermöglichen sollen. Globale Probleme müssen im Ingenieurwesen auf der Basis von Partialmodellen abgebildet werden, da im Allgemeinen die Komplexität für ein einziges, umfassendes Modell gegenwärtig zu groß ist. Es existieren unzählige, häufig komplexe Partialmodelle, die weitgehend isoliert voneinander entwickelt, eingesetzt und teilweise sehr willkürlich gekoppelt werden, um Probleme in der notwendigen Globalität zu beschreiben.
Die bei der Modellbildung (Abstraktion) getroffenen Annahmen und Vereinfachungen führen zu Prognoseergebnissen, die nur als idealisierte Beschreibung der Wirklichkeit interpretiert werden dürfen. Die Art der Kopplung der Partialmodelle zu einem Gesamtmodell spielt dabei eine bisher wenig beachtete, jedoch essentielle Rolle. Insgesamt gibt es bisher keine grundlegenden Untersuchungen zur Bewertung der Qualität von (Partial-)Modellen unter Berücksichtigung der Einflüsse aus Modellkopplungen. Das Vertrauen in die Vorhersage eines speziellen Ingenieurmodells ist bisher weitgehend in der Erfahrung des Ingenieurs begründet.
Die Bearbeitung der skizzierten Problematik und damit des Themas des GRK 1462 erfolgte in zwei Phasen. Die erste Phase konzentrierte sich auf die Schaffung methodischer Grundlagen zur Bewertung der Qualität von Prognosemodellen des konstruktiven Ingenieurbaus in einer quantifizierbaren Form. Wichtig waren dabei eine Systematisierung von Modelleigenschaften, Synthese- und Analysemethoden sowie das Zusammenspiel von Partial- und Globalmodellen. Wesentliche Modelleigenschaften waren dabei Sensitivität, Robustheit, Komplexität und Unsicherheitsbereiche. Als zukunftsfähige Arbeitsmethoden wurden herausgearbeitet die adaptive, stochastische, inverse und mehrskalige Modellierung. Es wurden evaluierbare Algorithmen zur Verifizierung, Kalibrierung und Validierung von Modellen entwickelt und Methoden für eine Qualitätsabschätzung und Vergleichbarkeit für gekoppelte Modelle getestet. Gleichzeitig erfolgte über den gesamten Projektzeitraum – nicht zuletzt zur beispielhaften Erprobung der gewonnenen Erkenntnisse – die Bearbeitung von Referenzobjekten.
Die zweite Phase widmete sich insbesondere der quantitativen Bewertung von Partialmodellen und deren Kopplungen unter der holistischen Berücksichtigung von Unschärfeeffekten. Darüber hinaus erfolgten Untersuchungen zum Zusammenspiel von experimentellen Modellen mit den bis dato betrachteten mathematischen bzw. numerischen Modellen. Im Mittelpunkt standen dabei die Beschreibungen unterschiedlicher Experimentalmodelle, ausgehend vom Experiment an Kleinteilen bis hin zum Monitoring von komplexen Bauwerken. Die Schaffung einer konsistenten Methodik zur Bewertung hybrider, d.h. gekoppelter numerischer und experimenteller, Prognosemodelle des Konstruktiven Ingenieurbaus sowie insbesondere deren Interaktion lieferten interessante Erkenntnisse zur Bewertung der Qualität von Modellaussagen. Es zeigt sich, dass der Qualität der Erfassung (Messung, Übermittlung, Aufzeichnung und Langzeitspeicherung), Systematisierung und Bewertung von Messdaten eine wesentliche Rolle im Prozess einer Modellbewertung zukommt. Eine realitätsbezogene Bewertung der Aussagefähigkeit und -qualität von globalen Modellen, die auf einer Kopplung von Partialmodellen basieren, ist demzufolge nur über die Anwendung hybrider Modelle möglich.
Die Definition von Qualität bzw. Qualitätsansprüchen bedarf, auch bei objektiven Randbedingungen und Systemgrenzen, subjektiver Zieldefinitionen. Deshalb ist die Einführung einer generalisierten Methode zur Bewertung von Ingenieurmodellen nur bedingt möglich. Qualität kann lediglich als bewertete Quantität, die objektiv darstellbar ist, verstanden werden. Unter diesem Postulat sind zur Festlegung von standardisierten Zuverlässigkeitskriterien bzw. konstruktiven Regeln in den meisten Fällen umfängliche wissenschaftliche Untersuchungen speziell zur Modellkopplung und den Partialmodellen notwendig.
Die Qualität der globalen Modelle wird in den kommenden Jahren einen erheblichen Wandel erleben, zumal zukünftige Möglichkeiten in der Modellbildung komplexere Systeme, Bauteile und Baustrukturen ermöglichen werden. In diesem Zusammenhang erfährt die Evaluierung der Wechselwirkung von partiellen Modellen eine zunehmende Bedeutung.
Die am Graduiertenkolleg 1462 beteiligten Forscherinnen und Forscher möchten sich an dieser Stelle besonders bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die gewährte Förderung sowie die durchgängig sehr professionelle und hilfreiche Begleitung des Kollegs bedanken.
Ein ganz besonderer Dank gilt unserem geschätzten Kollegen Professor Tom Schanz. Sein intensives Engagement in der Zeit der Antragsphase und bei der Leitung des Kollegs als Sprecher zu Beginn der Förderung sowie seine weitere fachliche und ideelle Unterstützung waren für den Erfolg der Arbeiten von außerordentlicher Bedeutung. Daher ist es uns ein großes Anliegen, ihm diesen Bericht und damit das Ergebnis des Graduiertenkollegs zu widmen.
