TY - THES A1 - Roos, Dirk T1 - Approximation und Interpolation von Grenzzustandsfunktionen zur Sicherheitsbewertung nichtlinearer Finite-Elemente-Strukturen T1 - Reliability analysis using approximation and interpolation of nonlinear finite element limit state functions N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Berechnung der Sicherheit von Strukturen mit sowohl geometrisch als auch physikalisch nichtlinearem Verhalten. Die Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeit einer Struktur mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationsmethoden erfordert, dass die Funktion der Strukturantwort implizit berechnet wird, zum Beispiel durch nichtlineare Strukturanalysen für jede Realisation der Zufallsvariablen. Die Strukturanalysen bilden jedoch den Hauptanteil am Berechnungsaufwand der Zuverlässigkeitsanalyse, so dass die Analyse von realistischen Strukturen mit nichtlinearem Verhalten durch die begrenzten Computer-Ressourcen stark eingeschränkt ist. Die klassischen Antwortflächenverfahren approximieren die Funktion der Strukturantwort oder aber die Grenzzustandsfunktion durch Polynome niedriger Ordnung. Dadurch ist für die Auswertung des Versagens-Kriteriums nur noch von Interesse, ob eine Realisation der Basisvariablen innerhalb oder außerhalb des von der Antwortflächenfunktion gebildeten Raumes liegt - die Strukturanalyse kann dann entfallen. Bei stark nichtlinearen Grenzzustandsfunktionen versagt die polynomiale Approximation. Das directional sampling neigt bei Problemen mit vielen Zufallsvariablen zu einem systematischen Fehler. Das adaptive importance directional sampling dagegen beseitigt diesen Fehler, verschenkt jedoch Informationen über den Verlauf der Grenzzustandsfunktion, da die aufgefundenen Stützstellen aus den vorangegangenen Simulationsläufen nicht berücksichtigt werden können. Aus diesem Grund erscheint eine Kombination beider Simulationsverfahren und eine Interpolation mittels einer Antwortfläche geeignet, diese Probleme zu lösen. Dies war die Motivation für die Entwicklung eines Verfahren der adaptiven Simulation der Einheitsvektoren und anschließender Interpolation der Grenzzustandsfunktion durch eine Antwortflächenfunktion. Dieses Vorgehen stellt besondere Anforderungen an die Antwortflächenfunktion. Diese muss flexibel genug sein, um stark nichtlineare Grenzzustandsfunktionen beliebig genau annähern zu können. Außerdem sollte die Anzahl der verarbeitbaren Stützstellen nicht begrenzt sein. Auch ist zu berücksichtigen, dass die Ermittlung der Stützstellen auf der Grenzzustandsfunktion nicht regelmäßig erfolgt. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden der lokalen Interpolation der Grenzzustandsfunktion durch Normalen-Hyperebenen bzw. sekantialen Hyperebenen und der sowohl lokalen als auch globalen Interpolation durch gewichtete Radien erfüllen diese Anforderungen. ungen. dieser Arbeit entwickelten Methoden der lokalen Interpolation der Grenzzustandsfunktion durch Normalen-Hyperebenen bzw. sekantialen Hyperebenen und der sowohl lokalen als auch globalen Interpolation durch gewichtete Radien erfüllen diese Anforderungen. N2 - The objective is the analysis of the structural reliability of nonlinear finite element systems. Normally, the limit state of a structural system is described implicitly, e.g. through an algorithmic procedure within finite element analysis. Alternatively, the original limit state function can be approximated by a response surface function. One of the major advantages of the response surface method lies in its potential to selectively determine the number of structural analyses of the support points. By such means the computational effort can be substantially reduced. On the other hand, the global approximation schemes widely used in the application of the response surface method can be quite misleading due to the lack of information in certain regions of the random variable space. It is therefore required to avoid such undesirable interpolation errors at reasonable computational effort. The polynomial approximations are not quite flexible. They always need a predefined number of limit state check points in unimportant directions in order to avoid any approximation problems. On this account the maximum number of limit state check points is limited, too. The study presents an approach to polyhedral and weighted modeling of convex and concave failure surfaces intended to provide reasonably accurate estimates of failure probabilities while maintaining computational efficiency. In particular, these response surfaces can be adaptively refined to consistently increase the accuracy of the estimated failure probability. This is achieved by a combination of random search strategies (based on the adaptive directional sampling approach) as well as deterministic search refinement together with local and global interpolation schemes. The main advantage of these methods is their flexibility for the approximation of highly nonlinear limit state functions. In this sense, the proposed methods are very robust and efficient. KW - Tragwerk KW - Nichtlineares System KW - Tragfähigkeit KW - Mechanisches Versagen KW - Zuverlässigkeitstheorie KW - Finite-Elemente-Methode KW - Sicherheit KW - Antwortflächenverfahren KW - structural reliability KW - response surface method KW - finite elements Y1 - 2001 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20040311-745 ER - TY - JOUR A1 - Kaplinski, O. T1 - Phenomenon of inhertia in the Production Systems reliability Analysis N2 - The paper analyses the influence of the effect of inertia on the reliability of production systems. Systems inertia represents the phenomenon of continuing work for some time after the breakdown of one of the former phases. In our considerations, inertia is treated as the time elapsed from the onset of breakdown till the system's inability to work. A special method had to be devised to investigate the effect of inertia in order to evaluate the reliability of production systems and to attempt algorithmization to control the reliability of production system by means of inertia or reserving. The method of reliability analysis is presented only in an inform aspect. The possibilities of increasing reliability of production systems are listed. A comparison of the redundancy method and inertia method is presented. The results of this comparison and simulated investigations of influence of inertia on reliability of system are essential scope of the paper. Selected conclusions are as follows: when inertia approaches the last phase in the system, its influence on the shape of the distribution of the system's ability increases; an increase in inertia causes an increase in the availability of the system which approaches a certain border value; dependence of the average of a system's disability on inertia has a saddle-like character whereas dependence of the number of breakdowns (stoppages) in the system has the nature of an S-curve. KW - Zuverlässigkeitstheorie KW - Trägheit Y1 - 1997 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20111215-5320 ER - TY - THES A1 - Higuchi, Shoko T1 - Cost-Benefit Based Maintenance Optimization for Deteriorating Structures N2 - In recent years increasingly consideration has been given to the lifetime extension of existing structures. This is based on the fact that a growing percentage of civil infrastructure as well as buildings is threatened by obsolescence and that due to simple monetary reasons this can no longer be countered by simply re-building everything anew. Hence maintenance interventions are required which allow partial or complete structural rehabilitation. However, maintenance interventions have to be economically reasonable, that is, maintenance expenditures have to be outweighed by expected future benefits. Is this not the case, then indeed the structure is obsolete - at least in its current functional, economic, technical, or social configuration - and innovative alternatives have to be evaluated. An optimization formulation for planning maintenance interventions based on cost-benefit criteria is proposed herein. The underlying formulation is as follows: (a) between maintenance interventions structural deterioration is described as a random process; (b) maintenance interventions can take place anytime throughout lifetime and comprise the rehabilitation of all deterioration states above a certain minimum level; and (c) maintenance interventions are optimized by taking into account all expected life-cycle costs (construction, failure, inspection and state-dependent repair costs) as well as state- or time-dependent benefit rates. The optimization is performed by an evolutionary algorithm. The proposed approach also allows to determine optimal lifetimes and acceptable failure rates. Numerical examples demonstrate the importance of defining benefit rates explicitly. It is shown, that the optimal solution to maintenance interventions requires to take action before reaching the acceptable failure rate or the zero expected net benefit rate level. Deferring decisions with respect to maintenance not only results, in general, in higher losses, but also results in overly hazardous structures. N2 - Die Verlängerung der Nutzungsdauer bestehender Tragwerke hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dies liegt in der Tatsache begründet, dass ein nicht unerheblicher Anteil der Infrastruktur wie auch an Gebäuden durch Überalterung bedroht ist, und dass es aus rein wirtschaftlichen Gründen nicht länger möglich ist diesen Zustand durch Neubau zu entgegnen. Es sind also Instandhaltungsstrategien notwendig, die eine teilweise oder vollständige Revitalisierung von Tragwerken erlauben. Allerdings müssen diese Instandhaltungsstrategien auch einen volkswirtschaftlichen Sinn haben, das heißt die entsprechenden Aufwendungen müssen durch einen zukünftig zu erwartenden Nutzen aufgewogen werden. Ist dies nicht der Fall, so sind die Tragwerke in der Tat veraltet - zumindest in ihrer momentanen funktionellen, wirtschaftlichen, technischen oder gesellschaftlichen Bedeutung - und Alternativvorschläge müssen untersucht werden. In dieser Arbeit wird die Planung von Instandhaltungsmaßnahmen als Optimierungsaufgabe unter Verwendung von Kosten-Nutzen-Kriterien formuliert. Die zugrunde liegende Beschreibung ist wie folgt: (a) die Abnahme der Tragfähigkeit zwischen den Instandhaltungsmaßnahmen wird als Zufallsprozess beschrieben; (b) die Instandhaltungsmaßnahmen können jederzeit während der Nutzungsdauer stattfinden und bestehen in der Reparatur von Schadenszuständen eines gewissen Niveaus; (c) die Instandhaltungsmaßnahmen werden hinsichtlich aller Lebensdauerkosten (Errichtungs-, Versagens-, Inspektions- und schadensabhängiger Reparaturkosten) sowie des zustands- und zeitabhängigen Nutzens optimiert. Die Optimierung erfolgt mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus. Die vorgeschlagene Formulierung erlaubt darüber hinaus auch die Bestimmung von optimalen Nutzungsdauern und zulässigen Versagensraten. Die Rechenbeispiele weisen die Bedeutung einer expliziten Ausweisung des Nutzens aus. Es wird gezeigt, dass eine optimale Strategie für Instandhaltungsmaßnahmen ein aktiv werden vor Erreichen zulässiger Versagensraten oder dem Verschwinden des Nettonutzens je Zeiteinheit erfordert. Das Aufschieben von Entscheidungen bezüglich der Durchführung von Instandhaltungsmaßnahmen zieht in der Regel nicht nur höhere Folgekosten nach sich, sondern resultiert auch in Tragwerke mit unzulässig hohem Gefährdungspotential. T2 - Kosten-Nutzen orientierte Optimierung von Instandhaltungsmaßnahmen für alternde Tragwerke KW - Kosten-Nutzen-Analyse KW - Zuverlässigkeitstheorie KW - Optimierung KW - Instandhaltung KW - Markov-Kette mit stetiger Zeit KW - Cost-Benefit Analysis KW - Reliability Theory KW - Optimization KW - Rehabilitation KW - Continuous-Time Markov Chain Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20080513-13616 ER -