Research Projects


Am Lehrstuhl für Statik und Dynamik werden numerische Modelle für Simulationen des Kurz- und Langzeitverhaltens von Materialien und Strukturen entwickelt. Ziel ist es, zuverlässige Prognosen des Schädigungsverhaltens und der Lebensdauer von Tragwerken zu ermöglichen. Bei der Erforschung neuer Material- und Strukturmodelle werden in vielen Fällen skalenübergreifende Modellierungsansätze gewählt, um die Wechselwirkungen zwischen der Mikrostruktur von Werkstoffen und dem Strukturverhalten besser als bisher abbilden zu können. Neuere Entwicklungen zielen auf die Nutzung numerischer Methoden im Verbund mit Messungen zur aktiven Steuerung von Prozessen unter Verwendung von Modellreduktions- und Unschärfemethoden.




Sonderforschungsbereich 837 "Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau" (seit 2010)




2010 hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) den Sonderforschungsbereich 837 "Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau" an der Ruhr-Universität Bochum eingerichtet. Schwerpunkte der seit Sommer 2018 laufenden 3. Förderphase ist die Erforschung neuartiger verformungstoleranter Tunnelausbauten, die Entwicklung neuer Werkzeug- und Maschinenkonzepte sowie digitaler Simulationsmodelle für eine interaktive Trassenplanungen und eine vortriebsbegleitende Prozesssteuerung. Der SFB 837 besteht aus 15 wissenschaftlichen Teilprojekten, wovon drei Teilprojekte am Lehrstuhl für Statik und Dynamik bearbeitet werden:
- B2: Schädigungsanalysen und Konzepte für einen schädigungstoleranten Tunnelausbau
- C1: Prozessorientierte Simulationsmodelle für den maschinellen Tunnelvortrieb
- C4: Simulationsmodelle für Prozesse am Schneidrad und in der Abbaukammer

Darüber hinaus ist Prof. Meschke Sprecher des SFB 837. Das Integrierte Graduiertenkolleg (MGK) des SFB 837 wird von Dr. Freitag geleitet.

Weitere Informationen unter SFB 837.




Schwerpunktprogramm 2020 - Zyklische Schädigungsprozesse in Hochleistungsbetonen im Experimental-Virtual-Lab (seit 2017)




Im Teilprojekt „Wirkung von Mikrofasern auf die Degradation in Hochleistungsbeton unter zyklischer Beanspruchung“ des DFG-Schwerpunktprogramms 2020 werden numerische Modelle entwickelt, die in der Lage sind, die Mikrorissentwicklung von Hochleistungsbeton in hoher Auflösung direkt auf der Mesoskala abzubilden und über die gesamte zyklische Lastgeschichte zu verfolgen. Ein Schwerpunkt ist dabei die Frage, inwieweit die Mikrorissentwicklung durch Zugabe von Mikrofasern (wenige µm breit, ca.1 bis 1,5 mm lang) gebremst werden kann bzw. welche Auswirkungen unterschiedliche Mikrofasertypen (Stahl, Carbon, AR-Glas) auf die Mikrorissentwicklung haben.

Weitere Informationen unter SPP 2020.




Schwerpunktprogramm 1886 - Polymorphe Unschärfemodellierungen für den numerischen Entwurf von Strukturen (seit 2017)




Ziel des Teilprojekts 6 „Optimierungsverfahren für robuste und dauerhafte Stahl- und Faserbetontragwerke unter Berücksichtigung skalenübergreifender polymorpher Unschärfemodellierung“ des DFG-Schwerpunktprogramms 1886 ist die Entwicklung numerischer Zuverlässigkeitsmodelle und Optimierungsverfahren für den lebensdauerorientierten Entwurf von Stahl- und Faserbetontragwerken, mit denen der Einfluss von unscharfen, d.h. nicht deterministisch beschreibbaren Entwurfsgrößen und unscharfen zeitvarianten Einwirkungen auf den Tragwerkszustand über die gesamte Nutzungsdauer erfasst werden kann. Dazu werden gekoppelte Mehrfeldsimulationen unter Berücksichtigung skalenübergreifender polymorpher Unschärfemodelle (stochastische Parameter, Intervalle, Fuzzy-Größen und verallgemeinerte Unschärfemodelle) entwickelt.

Weiter Informationen unter SPP 1886.

Das Schwerpunktprogramm 1886 wird von Prof. Kaliske (Technische Universität Dresden) koordiniert. Prof. Meschke und Dr. Freitag sind für die Koordination des Programmkomplex C „Interaktionen und multiphysikalisches Verhalten mit unscharfen Daten“ innerhalb des SPP 1886 verantwortlich.




Forschergruppe 1498 – Alkali-Kieselsäure-Reaktionen in Betonbauteilen bei gleichzeitiger zyklischer Beanspruchung und externer Alkalizufuhr (seit 2013)




Im Teilprojekt 3 „Numerisches Modell zur Beschreibung von Alkalitransport und AKR-induzierter Schädigung in Beton“ der DFG-Forschergruppe 1498 werden numerische Modelle für den Transport von Alkalien und die durch AKR hervorgerufene Schädigungen im Beton über die Methode der Finiten Elemente entwickelt. Dabei werden alle für den Transport von Alkalien innerhalb des intakten bzw. bereits vorgeschädigten Betongefüges wesentlichen Mechanismen und Prozesse sowie von Frost-Tau-Wechselbeanspruchungen berücksichtigt.

Weitere Informationen unter FOR 1498 - AKR.




MERCUR – Synthese von maschinellem Lernen und numerischer Simulation zur Echtzeitsteuerung von Tunnelvortriebsprozessen (seit 2017)




Im Rahmen der Universitätsallianz Ruhr wird am Lehrstuhl für Statik und Dynamik der Ruhr-Universität Bochum in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Künstliche Intelligenz der TU Dortmund zum Thema „Synthese von maschinellem Lernen und numerischer Simulation zur Echtzeitsteuerung von Tunnelvortriebsprozessen“ geforscht. Das Projekt wird vom Mercator Research Center Ruhr (MERCUR) gefördert. Ziel ist es, simulations- und monitoringbasierte Methoden für Echtzeitprognosen des Tunnelvortriebsprozesses mit Methoden des maschinellen Lernens zu verbinden. Die aus einem Simulationsmodell erhaltenen physikalischen Zusammenhänge und das Wissen, das durch die prozessbegleitende Datenanalyse aus Monitoring- und Messdaten erlangt wird, werden fusioniert, um die Prozesssteuerung im maschinellen Tunnelbau maßgeblich zu verbessern.

Weitere Informationen unter MERCUR.







Shynergie – Development of a virtual geomechanical project laboratory for monitoring hydraulic stimulations on the basis of process expertise gained from experiments and modelling (2015 – 2018)


Hydraulic fracturing is a method to increase the hydraulic conductivity of low-permeable rock formations in order to extract oil and gas from deep underground reservoirs. The Institute for Structural Mechanics was involved in three subprojects of the Shynergie project.

UP 1 “Experimental investigation and hydro-mechanical modeling of the propagation mechanisms of stimulation-induced fractures”
The aim of the subproject (UP1) was to develop numerical methods for the simulation and analysis of hydraulic stimulation scenarios in 2D- and 3D-settings. Assuming the brittle behavior of rocks, the research focused primarily on the Griffith's theory of cracks equilibrium. Two different models have been developed based on the variational approach to the fracture mechanics and the theory of configurational forces.


UP 5 “Scale bridging modelling of inelastic processes of hydraulic stimulation”
The information on the influence of induced and pre-existing fractures on the overall permeability and diffusivity of subsurface energy reservoirs is one of the fundamental quantities in engineering energy extraction systems. Using a multiscale micromechanics modelling approach, a simple explicit formulae has been developed for estimating the influence of the density, geometry and morphology of distributed fractures on the overall permeability of the material.


UP 6 “Tool to map the mind of an ideal expert”
Based on the research results of the Shynergie project, a virtual lab has been created to document experimental results and to numerically investigate the cracking behavior of test specimens. A user interface has been developed and the numerical simulation models are approximated by fast surrogate models.


For further details, see Shynergie.




AGES – Applied Research on Enhanced Geothermal Energy Systems (2014 – 2017)




Die Graduiertenschule AGES wurde gemeinsam von der Hochschule Bochum und der Ruhr-Universität Bochum getragen und zielte auf die Verzahnung von Grundlagen- und Anwendungsforschung zur Entwicklung von Konzepten und Technologien zur Gewinnung und Nutzung von Erdwärme aus petrothermalen Reservoirs, von Technologien zur Versorgung von Metropolregionen mit Strom, Wärme und Kälte aus Tiefengeothermie und zur Untersuchung der Akzeptanz- und Nachhaltigkeit für geothermische Infrastrukturprojekte. Am Lehrstuhl für Statik und Dynamik wurde dazu ein Projekt mit dem Thema “Computational Stimulation of Geothermal Reservoirs using a coupled XFEM – GFEM Approach“ bearbeitet. Zur Prognose der Rissgeometrie und der Fluidtransporteigenschaften des gerissenen Gesteins wurden numerische Modelle auf Basis der Extended Finite Element Method (XFEM) und der Interface Generalized Finite Element Method (IGFEM) entwickelt.

Weitere Informationen unter AGES.




MERCUR – Subsurface Modeling and Engineering: Robuste numerische Simulation von Versagensprozessen in Geomaterialien (2013 – 2015)




Die Vorhersage potentieller Versagensmechanismen des Untergrunds bzw. Schädigungen unterirdischer Infrastruktur ist eine wesentliche Voraussetzung für die sichere und nachhaltige Nutzung des unterirdischen Raumes. Im vom Mercator Research Center Ruhr (MERCUR) geförderten Projekt wurden, aufbauend auf umfangreichen Vorarbeiten, numerische Modelle für die Initiierung und Ausbreitung von Versagenszonen in Geomaterialien entwickelt, die auch für großangelegte 3D Analysen mit komplexen Riss- bzw. Scherbandkonfgurationen robuste und zuverlässige Versagensanalysen ermöglichen. Das Projekt war thematisch im Kern, des mittlerweile gegründeten RUB-Research Departments „Subsurface Modeling and Engineering“.

Weitere Informationen unter MERCUR.




VIGONI – Advanced Computational Modelling of Shear Failure in Tunneling (2012 – 2013)




Within the VIGONI-Program funded by the DAAD, a cooperation project between the Institute for Structural Mechanics at Ruhr University Bochum and Prof.Carlo Callari, Facoltà di Ingegneria, Università del Molise, Italy has been established. The main aim of the project was the development of the scientific and technological basis for a new three dimensional finite element model with improved criteria for localized shear band propagation in saturated soft soil based on the so-called Strong Discontinuity Approach (SDA), in which interactions between the shear failure zone and the pore fluid are accounted for. In the model development, special attention has been placed on propagation criteria for the shear failure zone.




Projekt Areva– Werkstoffmodell für Finite Elemente Analysen von Stahlbetonkonstruktionen (2011)




In Zusammenarbeit mit der Firma Areva NP wurde ein Werkstoffmodell für Stahlbeton auf Basis einer mehrflächigen elasto-plasto-Schädigungstheorie für Beton und ein elasto plastisches Modell für Bewehrungsstahl in eine finite Elemente Formulierung für Schalen (Reissner-Mindlin) implementiert. Die Interaktion zwischen den beiden Baustoffen wurde mit einer Schubspannungs-Schlupf-Beziehung berücksichtigt. Die Elementformulierung wurde anhand verschiedener Experimente validiert und getestet.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Prof. Günther Meschke.




EU-Projekt EMSAT – Enhanced Monitoring and Simulation Assisted Tunneling (2010 – 2013)




Im Projekt EMSAT wurde unter Zusammenarbeit des Lehrstuhls für Statik und Dynamik der Ruhr-Universität Bochum und der Firma GeoData und dem Lehrstuhl für Subsurface Engineering der Montanuniversität Leoben ein Simulationssystem entwickelt, das auf Basis technischer Messwerte kontinuierlich Prognosen erstellt. Damit können sowohl Sicherheit, als auch Wirtschaftlichkeit im Tunnelbau wesentlich verbessert werden. Die drei Einzelkomponenten Monitoring-, Simulations- und Informationssystem lassen sich über das Internet verbinden. Am Lehrstuhl für Statik und Dynamik wurden dazu web-basierte Technologien zur Echtzeit-Verbindung von Monitoring-Systemen und numerischen Prognosemodellen für den Tunnelbau entwickelt. Das Projekt wurde im Rahmen des Swiss Innovation Forum 2014 mit dem EUREKA-Award in der Kategorie „Innovator of Tomorrow“ ausgezeichnet. Das Projekt EMSAT wurde im Rahmen des Programms Eurostars gefördert.

Weitere Informationen unter Eurostars-Eureka.




DFG-Projekt – Finite Element Modell für die Bodenvereisung im Rahmen des Tunnelbaus (2008 – 2013)




Die Vereisungstechnik ist eine im Tunnelbau häufig verwendete Methode, um während des Vortriebs durch Gefrieren des im Boden enthaltenen Grundwassers temporär einen verfestigten Boden mit geringer Permeabilität in der Umgebung des Tunnelquerschnitts zu erhalten. Ziel des Projekts war die Entwicklung eines dreidimensionalen Simulationsmodells, das alle bei Anwendung der Vereisungstechnik wesentlichen Komponenten und Prozesse realitätsnah abbildet. Dazu wurde ein Mehrphasenmodell für Böden im Rahmen der Theorie poröser Medien entwickelt, das die komplexen, in der Porenstruktur von Böden im Zuge des Phasen-wechsels und der Eislinsenbildung ablaufenden Prozesse abbildet. Das entwickelte Simulationsmodell kann als Prognoseinstrument für die Planung und Optimierung von vereisungstechnischen Maßnahmen im Tunnelbau unter Anwendung des Gefrierverfahrens genutzt werden.

Weitere Informationen unter DFG.




EU-Projekt – TUNCONSTRUCT (2005 – 2009)




Die europäische Gesellschaft wird zunehmend mit infrastrukturellen Problemen konfrontiert sein. Steigende Schadstoff und Lärmbelastung, Verbrauch urbanen Lebensraumes durch stetig steigendes Verkehrsaufkommen haben ein problematisches Maß erreicht. Die Verlagerung von Verkehrsströmen in den Untergrund kann hier in vielen Fällen zur Entlastung innerstädtischer Bereiche führen. Die Verminderung der mit solchen Tunnelbauprojekten noch immer verbundenen hohen Kosten und Risiken war Ziel des europäischen Forschungsprojektes TUNCONSTRUCT. Mit einem Gesamtbudget von 30 Millionen Euro und 41 Partnern aus elf europäischen Ländern handelte es sich um das bisher größte Verbundforschungsprojekt der EU im Bauwesen. Im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelte der Lehrstuhl für Statik und Dynamik ein effizientes, robustes und wirklichkeitsnahes Simulationsmodell (ekate) zur numerischen Berechnung maschinell vorgetriebener Tunnel. Dem Lehrstuhl wurde außerdem die Koordination des Bereiches "Design of Underground Structures" mit einem Gesamtvolumen von 4,6 Millionen EURO und 17 beteiligten Partnern übertragen.

Weitere Informationen unter TUNCONSTRUCT.




DFG-Projekt – Finite Elemente Modell für den Schildvortrieb von Tunneln (2002 – 2008)




Gegenstand des Forschungsprojekts war die Entwicklung eines dreidimensionalen Simulationsmodells für maschinelle Tunnelvortriebe in Lockergestein, das alle wesentlichen Komponenten der Vortriebsmaschine, der Stützmaßnahmen und des durchörterten Bodens einschließlich ihrer Wechselwirkungen als Gesamtsystem berücksichtigt und den schrittweisen Vortriebsprozess realitätsnah abbildet. Das entwickelte Modell ist in der Lage, die komplexen Wechselwirkungen zwischen diesen Komponenten wirklichkeitsnah zu erfassen. Mit Hilfe dieses Modells lassen sich die zu erwartenden Setzungen an der Geländeoberfläche sowie die Beanspruchungen und Verformungen des Tunnelausbaus prognostizieren und die Wechselwirkungen zwischen Boden, Vortriebsmaschine, Tunnelausbau, Vortriebspressen und Verpressung des Ringspalts analysieren.

Weitere Informationen unter DFG.




Projekt Firma Blum– Entwicklung eines Stoffmodells für Holzwerkstoffe zum Zwecke dreidimensionaler Finite Elemente Simulationen des Tragverhaltens neuartiger Befestigungsmittel in Spanplatten (2000 – 2003)




In einem Forschungsprojekt mit der Blum GmbH wurde ein Materialmodell für Holzwerkstoffe entwickelt. Das Model basiert auf einer mehrflächigen elasto-plasto-Schädigungstheorie und wurde für geometrische nichtlineare Analysen erweitert. Das Stoffmodell und die dazugehörigen Modelparameter wurden anhand von Experimenten an Spanplatten mit verschiedenen Schichtungen kalibriert. Anhand von numerischen Studien wurde das Tragverhalten verschiedener Befestigungsmitteln untersucht.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Prof. Günther Meschke.





Sonderforschungsbereich 398 "Lebensdauerorientierte Entwurfskonzepte unter Schädigungs- und Deteriorationsaspekten" (1996 – 2007)




Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bauwerken in Industriestaaten werden durch umfangreiche Standards und technische Vorschriften der Regierung und/oder der Baubehörden kontrolliert. Jedoch beachten diese Vorschriften die Lebenszeit und die Überwachungsperioden dieser Bauwerke nicht ausreichend bzw. kann die Lebenszeit von Baukonstruktionen stark zwischen ein paar Jahren im Falle von Behelfskonstruktionen, ein paar Jahrzehnten in Bezug auf Produktions- und industriellen Möglichkeiten und bis zu mehr als einem Jahrhundert wie z.B. bei Brücken und Wasserreservoirs variieren. Diese Unzulänglichkeiten hatten eine Gruppe von Forschern der Ruhr-Universität Bochum dazu motiviert, den Sonderforschungsbereich 398 zu gründen, der durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert wurde. Ziel des SFB war es, lebenszeitorientierte Entwurfskonzepte im Bauwesen zu entwickeln. In 17 Forschungsprojekten wurden Strategien und Konzepte in Bezug auf langzeitliche strukturelle Alterung und stochastische Lastszenarien erarbeitet, wovon drei Teilprojekte am Lehrstuhl für Statik und Dynamik bearbeitet wurden:



Weitere Informationen unter SFB 398.