Alexander Paolini M.Sc. Research Assistant Room: 3157 Email: alexander.paolini[at]tum.de Tel: +49 89 289-23096 Fax: +49 89 289-25051

Research

• Simulation in applied mechanics

Publications

Journal Papers



• Paolini, A.; Korshunova, N.; Kollmannsberger, S.; Rank, E. Show abstract Multiscale analysis of high damping composites using the finite cell and the mortar method
  International Journal of Structural Stability and Dynamics, 2021
  DOI: 10.1142/S0219455421501492 - Status: Postprint / reviewed
  
  
  
  Metal lattice structures filled with a damping material such as polymer can exhibit high stiffness and good damping properties. Mechanical simulations of parts made from these composites can however require a large modeling and computational effort because relevant features such as complex geometries need to be represented on multiple scales. The finite cell method (FCM) and numerical homogenization are potential remedies for this problem. Moreover, if the microstructures are placed in between the components of assemblies for vibration reduction, a modified mortar technique can further increase the efficiency of the complete simulation process. With this method, it is possible to discretize the components separately and to integrate the viscoelastic behavior of the composite damping layer into their weak coupling. The present paper provides a multiscale computational material design framework for such layers, based on FCM and the modified mortar technique. Its efficiency even in the case of complex microstructures is demonstrated in numerical studies. Therein, computational homogenization is first performed on various microstructures before the resulting effective material parameters are used in larger-scale simulation models to investigate their effect and to verify the employed methods.
  
  
  
• Paolini, A.; Kollmannsberger, S.; Rank, E.; Horger, T.; Wohlmuth, B. Show abstract A mortar formulation including viscoelastic layers for vibration analysis
  Computational Mechanics 63 (1), pp. 23-33, 2019
  DOI: 10.1007/s00466-018-1582-9 - Status: Verlagsversion / published
  
  
  
  In order to reduce the transfer of sound and vibrations in structures such as timber buildings, thin elastomer layers can be embedded between their components. The influence of these elastomers on the response of the structures in the low frequency range can be determined accurately by using conforming hexahedral finite elements. Three-dimensional mesh generation, however, is yet a non-trivial task and mesh refinements which may be necessary at the junctions can cause a high computational effort. One remedy is to mesh the components independently from each other and to couple them using the mortar method. Further, the hexahedral mesh for the thin elastomer layer itself can be avoided by integrating its elastic behavior into the mortar formulation. The present paper extends this mortar formulation to take damping into account such that frequency response analyses can be performed more accurately. Finally, the proposed method is verified by numerical examples.
  
  
  
• Paolini, A.; Kollmannsberger, S.; Rank, E. Show abstract Additive manufacturing in construction: A review on processes, applications, and digital planning methods
  Additive Manufacturing, 2019
  DOI: 10.1016/j.addma.2019.100894 - Status: Postprint / reviewed
  
  
  
  The application of additive manufacturing (AM) in construction has been increasingly studied in recent years. Large robotic arm- and gantry-systems have been created to print building parts using aggregate-based materials, metals, or polymers. Significant benefits of AM are the automation of the production process, a high degree of design freedom, and the resulting potential for optimization. However, the building components and 3D-printing processes need to be modeled appropriately. In this paper, the current state of AM in construction is reviewed. AM processes and systems as well as their application in research and construction projects are presented. Moreover, digital methods for planning 3D-printed building parts and AM processes are described.
  
  
  
• Paolini, A.; Frischmann, F.; Kollmannsberger, S.; Rabold, A.; Horger, T.; Wohlmuth, B.; Rank, E. Show abstract BIM gestützte strukturdynamische Analyse mit Volumenelementen höherer Ordnung
  Bauingenieur 93 (4), pp. 160-166, 2018 - Status: Verlagsversion / published
  
  
  
  Building Information Modeling ermöglicht die automatisierte Erstellung von Simulationsmodellen und schafft somit eine wichtige Grundlage, Zeit und Kosten einzusparen sowie die Qualität der Planung von Gebäuden zu erhöhen. Die Art des Simulationsmodells hängt jedoch wesentlich von der konkreten Problemstellung ab. Für Schwingungsanalysen bei Massivholzkonstruktionen ist eine mechanisch korrekte Beschreibung der Stoßstellen zwischen den Bauteilen von großer Bedeutung. Dafür eignen sich Modelle aus hexaedrischen finiten Elementen erheblich besser als Schalenelemente. Ein konformes Hexaedernetz kann allerdings mit verfügbaren Netzgeneratoren nur bei bestimmten Gebäudegeometrien automatisch erzeugt werden und weist an Stoßstellen eine große Anzahl von Elementen auf, was zu einem hohen Rechenaufwand führen kann. Im vorliegenden Beitrag wird deshalb ein alternatives Verfahren vorgestellt, mit dem ein hexaedrisches Finite Elemente Modell automatisch aus einem Bauwerksinformationsmodell (BIM) abgeleitet werden kann. Die im BIM definierten Bauteile werden dabei getrennt voneinander vernetzt und deren Verbindungen zueinander mit Hilfe der Mortar-Methode abgebildet. Eine große Recheneffizienz wird durch die Verwendung von Ansatzfunktionen höherer Ordnung in Kombination mit einem relativ groben Netz erreicht. Nach der Beschreibung des Verfahrens wird seine Anwendbarkeit an einem mehrgeschossigen Massivholzgebäude demonstriert.
  
  
  
• Paolini, A.; Kollmannsberger, S.; Winter, C.; Buchschmid, M.; Müller, G.; Rabold, R.; Mecking, S.; Schanda, U.; Rank, E. Show abstract A high order finite element model for vibration analysis of cross laminated timber assemblies
  Building Acoustics 24 (3), pp. 135-158, 2017
  DOI: 10.1177/1351010X17727126 - Status: Verlagsversion / published
  
  
  
  The vibration behavior of cross laminated timber (CLT) components in the low frequency range can be predicted with high accuracy by the finite element method. However, the modeling of assembled CLT components has been studied only scarcely. The three-dimensional p-version of the finite element method, which is characterized by hierachical high order shape functions, is well suited to consider coupling and support conditions. Furthermore, a small number of degrees of freedom can be obtained in case of thin-walled structures by using p-elements with high aspect ratios and anisotropic ansatz spaces. In this paper, a model for CLT assemblies made of volumetric high order finite elements is presented. Two representative types of connections are investigated, one with an elastomer between the CLT components and the other without. The model is validated and suitable ranges for the stiffness parameters of the finite elements which represent the junction are identified.
  
  
  

Conference Papers

• Paolini, A.; Winter, C.; Müller, G.; Kollmannsberger, S.; Rank, E. Show abstract Vergleich der h- und p-Version der FEM zur Prognose des Körperschalls in Massivholzkonstruktionen
  In: Fortschritte der Akustik, DAGA 2018, München, Deutschland, 2018
  
  
  
  Bei der Planung eines Massivholzgebäudes sollte der Schallschutz sorgfältig berücksichtigt werden. Für die Bestimmung des Körperschalls in Massivholzkonstruktionen ist beispielsweise die Energieflussanalyse geeignet, die auf der Finiten Elemente Methode (FEM) basiert. Der Berechnungsaufwand kann jedoch insbesondere im hohen Frequenzbereich groß sein, weil eine feine Diskretisierung zur Berücksichtigung geringer Wellenlängen erforderlich ist. Im vorliegenden Beitrag wird deshalb der Einfluss verschiedener Diskretisierungsansätze auf den Aufwand von Körperschallprognosen im bauakustisch relevanten Bereich bis etwa 3000 Hz anhand eines repräsentativen Decken-Wandanschlusses untersucht. Dabei werden zwei unterschiedliche Strategien zur Erhöhung der Genauigkeit der Lösung angewendet: h-Verfeinerung und p-Verfeinerung. Im Fall der h-Verfeinerung wird das Finite-Elemente-Netz verfeinert, ohne den Polynomgrad der Ansatzfunktionen zu erhöhen. Im Fall der p-Verfeinerung wird der Polynomgrad erhöht, während das Netz grob bleibt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass die Recheneffizienz im betrachteten Frequenzbereich durch die Verwendung von Ansatzfunktionen hoher Ordnung deutlich gesteigert werden kann.
  
  
  
• Paolini, A.; Frischmann, F.; Kollmannsberger, S.; Rank, E.; Mecking, S.; Winter, C.; Buchschmid, M.; Müller, G. Show abstract Parameteridentifikation von Brettsperrholz-Elementen mittels Bayesscher Optimierung
  In: Fortschritte der Akustik, DAGA 2016, Aachen, Deutschland, 2016
  
  
  
  Die Finite Elemente Methode ist im Bereich niedriger Frequenzen ein leistungsstarkes Werkzeug zur schwingungstechnischen Analyse von Konstruktionen aus Brettsperrholz-Elementen. Die Berechnungsergebnisse hängen allerdings stark von den Werten der Materialparameter ab. Im vorliegenden Beitrag werden diese deshalb mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens festgelegt. Das untersuchte Bauteil ist ein im Holzmassivbau üblicher Decken-Wandanschluss. Dieser wurde messtechnisch untersucht und mit finiten Elementen hoher Ordnung simuliert. Die zu minimierende Zielfunktion wird durch den quadratischen Mittelwert (RMS-Wert) der prozentualen Abweichungen der berechneten Eigenfrequenzen beschrieben. Ihr Verlauf und ihre Ableitung sind jedoch nicht bekannt und ihre Werte können nur mit großem Aufwand an einzelnen Stellen ermittelt werden. Außerdem ist die Anzahl der Parameter wegen des orthotropen Materialverhaltens von Holz und der mit zusätzlichen Parametern zu berücksichtigenden Verbindungsstellen hoch. Da auch Aspekte des Aufbaus von Brettsperrholz-Elementen, wie z.B. die Verleimung, durch die Materialparameter abgebildet werden sollen, muss innerhalb großer Wertebereiche gesucht werden. Aufgrund dieser Umstände wird die Bayessche Optimierung verwendet. Dabei wird das globale Minimum durch schrittweise Auswertung der Zielfunktion bestimmt, wobei die jeweils folgende Stelle auf Grundlage der bereits bekannten Funktionswerte berechnet wird. Hierdurch konnte ein RMS-Wert von unter 5 erzielt werden.
  
  
  

Conference Talks

• Paolini, A.; Kollmannsberger, S.; Rank, E. Additive Manufacturing in Construction: An Overview
  In: LOC Center Day, Munich, Germany, 2018
  
  
  
  
  
  
  
• Kollmannsberger, S.; Kaufmann, S.; Paolini, A.; Rank, E. Additive Manufacturing in Construction
  In: Annual Meeting of the LOC, Munich, Germany, 2018
  
  
  
  
  
  
  
• Paolini, A.; Frischmann, F.; Kollmannsberger, S.; Rabold, A.; Mecking, S.; Schanda, U.; Rank, E. Show abstract Abbildung von Elastomeren in FE-Modellen von Holzbaukonstruktionen
  In: Fortschritte der Akustik, DAGA 2017, Kiel, Deutschland, 2017
  
  
  
  Elastomere werden wegen ihrer viskoelastischen Eigenschaften in Holzbauverbindungen eingesetzt, um die Übertragung von Körperschall zwischen Bauteilen zu vermindern. Ihre Wirkung auf das Schwingungsverhalten von Holzbaukonstruktionen im niederfrequenten Bereich kann mit der Finiten Elemente Methode prognostiziert werden. Zur Erzielung aussagekräftiger und genauer Ergebnisse müssen geeignete Materialparameter für die finiten Elemente bestimmt werden, welche die Elastomere unter Verwendung eines viskoelastischen Materialmodells darstellen. Eine Möglichkeit, bei der keine weiteren experimentellen Untersuchungen durchzuführen sind, ist die Berechnung des komplexen Elastizitätsmoduls aus den Datenblattangaben des Elastomer-Herstellers für eine festgelegte Querdehnzahl. Allerdings ist die Querdehnzahl nicht genau bekannt. Zudem werden bei diesem Verfahren vereinfachende Annahmen getroffen. Beispielsweise werden zusätzliche Aspekte des Aufbaus von Holzbauverbindungen wie die Verschraubung nicht berücksichtigt. Im vorliegenden Beitrag wird ein FE-Modell eines Decken-Wandanschlusses, der eine Elastomerschicht enthält, hinsichtlich des Einflusses der Materialparameter des Elastomers auf dessen Eigenfrequenzen untersucht. Ferner werden die Berechnungsergebnisse mit den Messergebnissen einer Betriebsschwinganalyse verglichen. Hierdurch ist eine Verifikation der Modellannahmen und die Angabe eines geeigneten Wertebereichs der Querdehnzahl für den untersuchten Elastomertyp möglich.
  
  
  

Teaching

Courses

• Bau- und Umweltinformatik 2 (Summer Terms 2017, 2018, 2019)

Supervised Theses

• Energieflussanalyse mittels p-FEM (Bachelor Thesis, Summer Term 2017)

Supervised Software Lab Projects

• Optimization of layered structures using high order finite elements (2017)
• Harmonic analysis of structures comprising materials with different damping characteristics (2016)