56.03 Methoden im Bauingenieurwesen
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In der täglichen Ingenieurpraxis werden in zunehmenden Maße numerische Analysen im Rahmen der Finite-Elemente-Methode auch zur Untersuchung stabilitätsgefährdeter Strukturen eingesetzt. Für die aktuelle Praxis, insbesondere im konstruktiven Stahlbau, ist jedoch festzustellen, dass zwischen der fortgeschrittenen Theorie und dem Niveau der praktischen Anwendung numerischer Stabilitätsanalysen eine große Kluft besteht. Aus praktischer Sicht erscheint es unumgänglich, die weiter wachsende Diskrepanz zwischen den umfangreichen theoretischen Möglichkeiten und der gegenwärtigen Praxis abzubauen. Damit steht der praktisch tätige Ingenieur vor der Aufgabe, sein Wissen auf dem Gebiet numerischer Stabilitätsanalysen zu vertiefen und bereits vorhandene FE-Programme um Berechnungsalgorithmen für umfassende numerische Stabilitätsanalysen zu erweitern. Dafür werden in der Arbeit die Grundlagen einer FEM- orientierten modernen Stabilitätstheorie einheitlich und aus Sicht einer praktischen Anwendung aufbereitet. Die Darstellung von realisierten programmtechnischen Umsetzungen für erweiterte Analysenmethoden wie Nachbeulanalysen, Pfadwechsel und Approximationen imperfekter Pfade ermöglicht eine Erweiterung des Methodenvorrates. Die innerhalb der Arbeit untersuchten Beispiele zeigen, dass durch die Anwendung der behandelten Verfahren das Tragverhalten einer stabilitätsgefährdeten Struktur wesentlich besser eingeschätzt werden kann als bei Beschränkung auf die herkömmlichen Analysemethoden.
Wir betrachten im ÖPNV (Öffentlichen Personennahverkehr) diejenige Situation, daß zwei Bus- oder Straßenbahnlinien gemeinsame Haltestellen haben. Ziel unserer Untersuchungen ist es, für beide Linien einen solchen Fahrplan zu finden, der für die Fahrgäste möglichst viel Bequemlichkeit bietet. Die Bedarfsstruktur - die Anzahl von Personen, die die beiden Linien benutzen - setzt dabei gewisse Beschränkungen für die Taktzeiten der beiden Linien. Die verbleibenden Entscheidungsfreiheiten sollen im Sinne der Zielstellung ausgenutzt werden. Im Vortrag wird folgenden Fragen nachgegangen: - nach welchen Kriterien kann man die "Bequemlichkeit" oder die "Synchonisationsgüte" messen? - wie kann man die einzelnen "Synchronisationsmaße" berechnen ? - wie kann man die verbleibenden Entscheidungsfreiheiten nutzen, um eine möglichst gute Synchronisation zu erreichen ? Die Ergebnisse werden dann auf einige Beispiele angewandt und mit den bereitgestellten Methoden Lösungsvorschläge unterbreitet.
Die Versagenswahrscheinlichkeit nach einem Grenzzustand wird gewöhnlich mit dem Integral I der Basisvariablen-Verteilungsdichte über den Versagensbereich bestimmt. Dabei ist eine geschlossene Lösung nur im Spezialfall normalverteilter Basisvariablen bei Linearität der Grenzzustandsgleichung möglich. In anderen Fällen sind verschiedene Näherungsverfahren gebräuchlich, die auf den Momenten der Basisvariablen und geeignet gewählten Indizes als Sicherheitskenngrößen beruhen. Eine größere Genauigkeit bieten die Zuverlässigkeitstheorien erster bzw. zweiter Ordnung, die ebenfalls von I ausgehen. Im Beitrag wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, dessen Ausgangspunkt nicht I, sondern das Kraftgrößenverfahren als einem Standardalgorithmus des konstruktiven Ingenieurbaus ist. Die Einbeziehung der maßgebenden Zufallsgrößen in die Matrix der Vorzahlen und die Belastungszahlen führt zur Verallgemeinerung des Systems der Elastizitätsgleichungen zum zufälligen System der Elastizitätsgleichungen. Dessen Lösung, die durch den Übergang zu einem deterministischen Ersatzsystem gewonnen wird, liefert die statisch Unbestimmten als Funktionen der im System wirkenden Zufallsgrößen (z.B. E-Modul der Stäbe und Belastung). Da dieser Zusammenhang analytisch vorliegt, kann die Wirkung einzelner Zufallseinflüsse auf die statisch Unbestimmten und die daraus folgenden sicherheitsrelevanten Zustandsgrößen beurteilt werden. Die Dichtefunktion der Grenzzustandsgleichung kann berechnet oder durch Simulation ermittelt werden. Daraus folgt . Nicht normalverteilte Zufallsgrößen werden durch Entwicklung in orthogonale Polynome Gaußscher Zufallsgrößen berücksichtigt.
Die Arbeit befaßt sich mit varianzmindernden Verfahren zur Monte Carlo Simulation von stochastischen Prozessen, zum Zweck der Zuverlässigkeitsbeurteilung von Baukonstruktionen mit nichtlinearem Systemverhalten. Kap. 2 ist eine Literaturstudie zu varianzmindernden Monte Carlo Methoden. In Kap. 3 wird die Spektrale Darstellung eines stationären, skalaren Gauß - Prozesses hergeleitet. Auf dieser Grundlage werden verschiedene Simulationsmodelle diskutiert. Das in Kap. 4 entwickelte varianzmindernde Simulationsverfahren basiert auf der Spektralen Darstellung. Nach einer ersten Pilotsimulation werden die Frequenzen für die Einführung zufälliger Amplituden bestimmt und deren Parameter angepaßt. Der zweite Lauf erfolgt mit diesen Parametern nach dem Prinzip des Importance Sampling. Das Verfahren wird in Kap. 5 für eine Brücke unter Erdbebenbelastung angewendet. Die Brücke ist mit sog. Hysteretic Devices zur Energiedissipation ausgerüstet. Es werden einerseits die Genauigkeit und Effizienz des Simulationsverfahrens, andererseits die Leistungsfähigkeit der Hysteretic Devices zur Erdbebenertüchtigung von Bauwerken demonstriert.
Im Vortrag wird der Frage nachgegangen, inwieweit ein Zusammenhang zwischen der Zuverlässigkeit und gewissen strukturellen Parametern eines Verkehrsnetzes besteht. Das Verkehrsnetz wird hierzu als bewerteter Graph aufgefasst. Zur Analyse der Verkehrsnetzzuverlässigkeit werden die Kanten mit ihren Verfügbarkeiten (>Zuverlässigkeiten<) bewertet. Die Zuverlässigkeit des Verkehrsnetzes hat einen großen Einfluss auf die Beurteilung des Straßennetzes. Im Sinne einer Regressionsanalyse soll der Zusammenhang mit weiteren, speziell für die Betrachtung von Verkehrsnetzen entwickelten strukturellen Kenngrößen untersucht werden, das sind insbesondere die Dispersion des Verkehrsnetzes und die Unterentwicklung des Netzes. Aus der Vielzahl der theoretisch denkbaren Verkehrsnetzstrukturen spiegelt die Ring-Radius-Struktur die realen Straßennetze am besten wider. Solche Ring-Radius-Strukturen kommen in vielen Städten vor. Die Berechnung der Verkehrsnetzzuverlässigkeit erfolgt mittels eines Algorithmus, der auf dem Prinzip der vollständigen Enumeration aller möglichen Kombinationen der Verfügbarkeit bzw. Nichtverfügbarkeit der einzelnen Kanten basiert und die gewünschte Kenngröße exakt bestimmt. Obwohl der Algorithmus speziell auf eine möglichst geringe Rechenzeit ausgerichtet ist, bleibt das Verfahren doch numerisch recht aufwendig. An Hand von zehn verschiedenen Ring-Radius-Strukturen wird der Nachweis eines Zusammenhangs zwischen den strukturellen Kenngrößen und der Verkehrsnetzzuverlässigkeit geführt. Damit können mittels struktureller Bewertungen (die mit einem vergleichsweise geringen Aufwand an Input-Daten und Rechenzeit bestimmbar sind) Aussagen über die Zuverlässigkeit des Verkehrsnetzes getroffen werden.