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In der vorliegenden Arbeit wird das Tragverhalten und das Sicherheitsniveau axial belasteter Großbohrpfähle in den pleistozänen Kalkarenit der Küstenregion von Dubai untersucht. Zunächst wird auf der Grundlage von Ergebnissen umfangreicher Baugrundanalysen und Probebelastungen das Tragverhalten detailliert beschrieben. Anschließend wird ein auf der Finiten-Elemente-Methode basierendes Strukturmodell zur Simulation des Last-Setzungsverhaltens von Großbohrpfählen im Sinne eines numerischen Versuchsstandes entwickelt. Um herstellungsbedingte Veränderungen der Baugrundeigenschaften in der Kontaktzone Pfahl-Baugrund zu berücksichtigen, die mit boden- und felsmechanischen Elementversuchen gewöhnlich nicht erfassbar sind, werden die Größen der relevanten konstitutiven Parameterwerte iterativ mittels inverser Optimierungsstrategien bestimmt. Abschließend wird eine methodische Vorgehensweise aufgezeigt, wie das Sicherheitsniveau axial belasteter Großbohrpfählen unter Berücksichtigung der räumlichen Variabilität der Baugrundeigenschaften zuverlässig abgeschätzt werden kann.
Theory and application of optimization strategies for the design of seismically excited structures
(2009)
The study introduces into the theory and application of optimization strategies in earthquake engineering. The optimization algorithm substitutes the intuitive solution of practical problems done by the engineer in daily practice, providing automatic design tools and numerical means for further exploration of the design space for various extremum states. This requires a mathematical formulation of the design task, that is provided for typical seismic evaluations within this document. Utilizing the natural relation between design and optimization tasks, appropriate mechanical concepts are developed and discussed. The explanations start with an overview on the mechanical background for continua. Hereby the focus is placed on elasto-plastic structures. The given extremum formulations are treated with help of discretization methods in order to obtain optimization problems. These basics are utilized for derivation of programs for eigenvalue and stability analysis, that are applied in simplified linear analysis for the design of seismically excited structures. Another focus is set on the application in simplified nonlinear design, that uses limit state analyses on the basis of nonlinear problem formulations. Well known concepts as the response and pushover analysis are covered as well as alternative strategies on the basis of shakedown theory or cycle and deformation based evaluations. Furthermore, the study gives insight into the application of optimization problems in conjunction with nonlinear time history analyses. The solution of step-by-step procedures within optimization algorithms is shown and aspects of dynamic limit state analyses are discussed. For illustration of the great variety of optimization-based concepts in earthquake engineering, several specialized applications are presented, e.g. the generation of artificial ground motions and the determination of reduction coefficients for design spectrum reduction due to viscous and hysteretic damping. As well alternative strategies for the design of base isolated structures with controlled impact are presented. All presented applications are illustrated with help of various examples.
Problemstellung, Stand der Forschung und Zielsetzung der Arbeit Seit mehreren Jahren bestimmen veränderte Zielsetzungen in Europa den politischen Handlungsrahmen in der Organisation der Wasserwirtschaft und folgen dem Trend zu stärker ökonomisch und ökologisch ausgerichtetem Handeln. So fordert die Europäische Wasserrahmenrichtlinie u.a. die Umsetzung einer flussgebietsorientierten Bewirtschaftung der Oberflächengewässer und des Grundwassers innerhalb bestimmter Fristen. Derzeitige Modernisierungskonzepte der Wasserwirtschaft fokussieren im Wesentlichen die Organisationsstrukturen kommunaler Aufgabenträger und deren Unternehmen, nicht aber eine Veränderung der umfassenden politischen und verwaltenden Organisationsstrukturen zur Steuerung der operativen Ebene. Die angestrebte Modernisierung wird daher insbesondere in kleinteiligen und komplexen, so genannten fragmentierten Organisationsstrukturen mit einer ausschließlich auf Unternehmen fokussierten Betrachtung nicht erreichbar sein. Diese kaum erforschten Strukturen bieten aufgrund der bestehenden Intransparenz und Komplexität der zahlreichen Organisationselemente vielfältige Ansatzpunkte für Optimierungsmöglichkeiten. Den entsprechenden Stand der Forschung bilden nur grundlegende Ansätze zur Betrachtung des Zusammenwirkens von Akteuren in Organisationsstrukturen sowie entsprechende Optimierungsansätze der Organisations- und Managementtheorien. Sie beziehen sich meist nur auf Unternehmen allgemein. Es fehlen derzeit umfassende und transparente Darstellungen der komplexen Organisationsstruktur der Wasserwirtschaft. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist es, eine ganzheitliche Modernisierung insbesondere fragmentierter Wasserwirtschaftsstrukturen voranzutreiben. Es soll eine Steigerung der gesamten Leistungsfähigkeit sowohl der politischen, der verwaltungs- als auch der unternehmensbezogenen Organisationsstrukturen in der Wasserwirtschaft erreicht werden. ...
Das wohltemperierte Netz - Zum Konstruktiven Entwurf direkt verglaster Stabnetze auf Freiformflächen
(2008)
Direkt verglaste Stabnetze repräsentieren ein strukturell und geometrisch hochgradig variables Prinzip zur Realisierung transparenter architektonischer Freiformflächen. Dieses beinhaltet die funktionale Entkopplung der Fassadenkonstruktion in ein tragendes Stabnetz und eine hüllende Verglasung. Ein formal universales, dimensional variables Knotenelement bildet dabei das Herzstück der Konstruktion. Die vorliegende Arbeit widmet sich dem Konstruktiven Entwurf frei geformter, direkt verglaster Stabnetze. Dieser umfasst schwerpunktmäßig die formale und dimensionale Konzeptionierung der Knotenelemente. Er wird maßgeblich beeinflusst von der Dimensionalitätsdifferenz zwischen dem formbeschreibenden Flächennetz aus nulldimensionalen Knoten und eindimensionalen Kanten sowie dem Stabnetz aus dreidimensionalen Knoten bzw. Stäben. Darüber hinaus definieren das freiformbedingte Erfordernis einer unikaten Ausrichtung der Stabnetzelemente sowie die materialspezifische Anforderung einer zwängungsfreien Lagerung der Gläser weitere dominante Einflussgrößen im Entwurfsprozess. In der Arbeit werden zunächst die geometrischen und konstruktiven Randbedingungen des Konstruktiven Stabnetzentwurfs dargestellt. Darauf aufbauend wird ein Zylinder-Achsen- Modell entwickelt, welches die unikate lokale Situation am Knoten unter Berücksichtigung einer variablen Ausrichtung der Stabnetzelemente sowie beliebig polygonaler Stabquerschnitte abstrahiert. Die Modellierung ermöglicht eine Bewertung des knotenbezogenen Status unter konstruktiven und mechanischen Aspekten. Sie bildet somit die Grundlage für eine Konstruktive Optimierung direkt verglaster Stabnetze. Mit Hilfe des Zylinder-Achsen-Modells werden alle bisher bekannten Prinzipien zur Ausrichtung der Stabnetzelemente analysiert. Dabei offenbaren sich verschiedene Defizite. Zu deren Überwindung werden drei neuartige Lösungsansätze entwickelt. Eine alternative Methode dient folglich zur Bestimmung einer konstruktiv optimierten Ausrichtung der Knotenachse. Ein zweiter Ansatz zielt auf die Definition einer neuartigen Stablängsbezugsachse, welche unabhängig von der Flächenkrümmung eine zwängungsfreie Lagerung der Glaselemente gewährleistet. Schließlich ermöglicht das dritte innovative Prinzip die konsistente Bestimmung einer Stabquerachse auch bei nicht ebenen Viereckmaschen.
Problemstellung, Stand der Forschung und Zielsetzung der Arbeit Seit mehreren Jahren bestimmen veränderte Zielsetzungen in Europa den politischen Handlungsrahmen in der Organisation der Wasserwirtschaft und folgen dem Trend zu stärker ökonomisch und ökologisch ausgerichtetem Handeln. So fordert die Europäische Wasserrahmenrichtlinie u.a. die Umsetzung einer flussgebietsorientierten Bewirtschaftung der Oberflächengewässer und des Grundwassers innerhalb bestimmter Fristen. Derzeitige Modernisierungskonzepte der Wasserwirtschaft fokussieren im Wesentlichen die Organisationsstrukturen kommunaler Aufgabenträger und deren Unternehmen, nicht aber eine Veränderung der umfassenden politischen und verwaltenden Organisationsstrukturen zur Steuerung der operativen Ebene. Die angestrebte Modernisierung wird daher insbesondere in kleinteiligen und komplexen, so genannten fragmentierten Organisationsstrukturen mit einer ausschließlich auf Unternehmen fokussierten Betrachtung nicht erreichbar sein. Diese kaum erforschten Strukturen bieten aufgrund der bestehenden Intransparenz und Komplexität der zahlreichen Organisationselemente vielfältige Ansatzpunkte für Optimierungsmöglichkeiten. Den entsprechenden Stand der Forschung bilden nur grundlegende Ansätze zur Betrachtung des Zusammenwirkens von Akteuren in Organisationsstrukturen sowie entsprechende Optimierungsansätze der Organisations- und Managementtheorien. Sie beziehen sich meist nur auf Unternehmen allgemein. Es fehlen derzeit umfassende und transparente Darstellungen der komplexen Organisationsstruktur der Wasserwirtschaft. Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist es, eine ganzheitliche Modernisierung insbesondere fragmentierter Wasserwirtschaftsstrukturen voranzutreiben. Es soll eine Steigerung der gesamten Leistungsfähigkeit sowohl der politischen, der verwaltungs- als auch der unternehmensbezogenen Organisationsstrukturen in der Wasserwirtschaft erreicht werden. Vorgehensweise und Methodik In einer Situationsanalyse wird ein umfassender politischer, verwaltungs- und unternehmensorientierter Organisationsrahmen mit den Handlungsspektren transparent gemacht. Nicht nur unternehmensorientierte, sondern ebenso politische und verwaltungsorientierte Akteure der Organisationsstrukturen werden dabei als potenziell Handelnde analysiert. Schwerpunkt ist dabei insbesondere das Zusammenwirken bestehender kleinteiliger oder so genannter fragmentierter Organisationsstrukturen. Aus weiteren mit theoretischen Abhandlungen zu Aufwand, Nutzen, Werten und Wertketten des akteursbezogenen Handlungsspektrums wird ein Werthandlungsmodell für die Wasserwirtschaft entwickelt. Internationale Organisationsmodelle der Wasserwirtschaft werden hinsichtlich gesamtheitlichen Zusammenwirkens untersucht. Dem folgt eine empirische Untersuchung der Aufgabenträger des Thüringer Strukturhilfeprogramms der Jahre 1999 bis 2006, um weitere Erkenntnisse über fragmentierte Organisationsstrukturen zu gewinnen. Aus den in Theorie und Praxis gewonnen Erkenntnissen wird ein Instrument zur Entscheidungsunterstützung in mehren Schritten entwickelt, das Entscheidungsträger auf nationaler Ebene beziehungsweise entsprechender föderaler Zuständigkeit darin unterstützt, die Leistungsfähigkeit der Organisationsstrukturen der Wasserwirtschaft im Sinne eines effizienten Erreichens gesetzter Qualitätsziele zu optimieren. Ergebnisse Die ökonomisch-technische Arbeit gibt Hilfestellung bei geeigneten Optimierungsanstrengungen in für die Wasserwirtschaft typischen fragmentierten Organisationsstrukturen. Das fünfstufige Werthandlungsmodell mit seiner transparenten Darstellung des Zusammenspiels operativer, administrativer und politischer Akteure liefert Handlungsansätze für eine verbesserte Erfüllung der veränderten Zielsetzungen in Europa. Im Gegensatz zu bisherigen ausschließlich unternehmensspezifischen Darstellungen erlaubt das Modell eine institutionen- beziehungsweise unternehmensübergreifende Untersuchung. Diese wird den Belangen wasserwirtschaftlicher Organisationsstrukturen gerecht, die sich bisher an politischen anstatt an wasserwirtschaftlichen Grenzen orientieren. Eine modellbezogene Untersuchung mehrerer Fusionsprojekte ergab im Wesentlichen, dass Versorgungsgebiete kleiner Aufgabenträger am stärksten vom Zusammenwirken mit einer größeren Einheit profitieren können. Hierbei können Probleme unzureichender personeller und struktureller Ressourcen gelöst und eine ordnungsgemäße Betriebsführung erreicht werden. Das Zusammenwirken führt neben Aufwandsoptimierungen zu essentiellen Qualitätsverbesserungen in den Betriebsabläufen, die die Betriebssicherheit erhöhen. Zudem erlaubt das Zusammenwirken in größeren Einheiten die Implementierung einer ganzheitlichen Unternehmensphilosophie und damit eine qualifizierte Steuerung von Eigen- und Fremdleistungen. Die vorgenommene Systematisierung der Synergieeffekte sowie der dazu notwendigen Maßnahmen und Voraussetzungen bietet eine grundlegende Struktur, an der sich weiterführende Untersuchungen von Projekten der Zusammenarbeit in der Wasserwirtschaft orientieren können. Aus den Untersuchungen zu internationalen Organisationsansätzen und regionalen Fusionsprojekten lässt sich folgern, dass über ein geeignetes Zusammenwirken in der Wasserwirtschaft nur fallbezogen zu entscheiden ist. Diese Erkenntnis führte zu der Entwicklung eines Instrumentes, das die Organisationsstrukturen transparent macht und die Entscheidungsfindung unterstützt. Die Anwendung des Instrumentes zur Entscheidungsunterstützung bietet die Chance, geeignete organisatorische Veränderungen hin zu einer zukunftsorientierten Wasserwirtschaft unter Berücksichtigung regionaler Aspekte durchzuführen und gleichzeitig Synergiepotenzial bei einer Zusammenlegung kleiner Unternehmen mit anderen Unternehmen realisieren zu können. Fallstudien behandeln das Instrument und unterstützen die adressierten Entscheidungsträger darin, sich ein klares Bild über das mögliche Optimierungspotenzial durch Veränderungen der umfassenden Organisationsstrukturen zu machen. Dies fördert sowohl eine optimierte Koordination der Handlungsportfolios als auch deren Umsetzung. Die Arbeit bietet einen Anhalt für eine intensivere Begleitung und Aufarbeitung von Kooperations- und Konzentrationsprozessen insbesondere an Schnittstellen zwischen Aufgabenträgern, Unternehmen und Behörden der Wasserwirtschaft. Die Zuordnung, welche Akteure von den Chancen der Wertbeitragssteigerung am stärksten profitieren, bleibt die Aufgabe der politischen Willensbildung. Abschließend ist festzustellen, dass die Wasserwirtschaft nur dann den ehrgeizigen Zielen politischer Willensbildung nahe kommt und dem Wohle der Gesellschaft dient, wenn sie in geeigneten Organisationsstrukturen stattfindet. Hierfür liefert die beschriebene Arbeit ihren Beitrag, indem sie Entscheidungsträgern auf Bundes- und Länderebene das Handwerkszeug bereitstellt, geeignete Veränderungen der Strukturen abwägen und veranlassen zu können.
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.
Die Bauaufgaben der Zukunft liegen in der Auseinandersetzung mit bestehender Architektur. Die planerische Herausforderung besteht im Verzicht auf den Neubau durch die Umnutzung und den Umbau existenter Gebäude. Umnutzung und Umbau sind Werterhaltungsstrategien, die den Lebenszyklus eines Gebäudes als integralen Bestandteil der Planung betrachten und deren Ziel es ist, ungenutzte Bestandsgebäude durch keine oder wenige bauliche Eingriffe so zu verändern, dass sie einer Weiternutzung zugeführt werden können. Die Umnutzung unterliegt der Prämisse, dass an den Gebäuden keine baulichen Veränderungen vorgenommen werden, wohingegen der Umbau bauliche Eingriffe gestattet. Als Alternative zum Neubau ist der Erfolg beider Strategien entscheidend davon abhängig, dass der Architekt schon zu Beginn der Planung zu der Entscheidung gelangt, ob sich ein Gebäude unter Anwendung einer der beiden Strategien weiternutzen lässt. Diese Entscheidung wird vom Architekten in der Praxis durch einen Vergleich des Soll-Zustands (Raumprogramm) mit dem Ist-Zustand (Bestandsgrundriss) des Gebäudes getroffen. Die Analyse und Bewertung des Bestandes erfolgt in dieser frühen Phase der Planung in Form von Vorentwurfsskizzen, welche die organisatorischen oder baulichen Veränderungen der Gebäudegrundrisse im Falle einer Weiternutzung darstellen. In dieser Arbeit wird die Hypothese aufgestellt, dass der Vergleich des Raumprogramms mit dem Gebäudegrundriss im Wesentlichen eine kombinatorische Problemstellung darstellt. Unter dieser Annahme wird untersucht, ob durch den Einsatz von Optimierungsverfahren in der Grundrissplanung Lösungen für Umbau- und Umnutzungsaufgaben automatisiert erzeugt werden können. Ziel ist es, durch den computergestützten Einsatz dieser Verfahren zu plausiblen Planungslösungen, die dem Architekten als Grundlage für die weitere Bearbeitung der Planung dienen, zu gelangen.
Zur Tragwerksanalyse bzw. zu Tragfähigkeits- und Bemessungsaufgaben dienen Betrachtungen an ausgewählten Querschnitten der Tragelemente. Besonders interessieren Normalspannungs- und Dehnungsverteilungen sowie Grenzbeanspruchungsniveaus und Grenzkapazitäten am Querschnitt. Die statische Wirksamkeit von Verbundquerschnitten basiert auf Verbundwirkung zwischen Querschnittsanteilen unterschiedlicher Materialeigenschaften (z.B. Verbundbau) oder unterschiedlicher Zeitpunkte ihrer statischen Mitwirkung (z.B. nachträgliche Querschnittsergänzungen). Hierbei kommt es häufig zu Fehlinterpretationen des prinzipiellen Tragverhaltens. In der vorliegenden Arbeit werden numerische Berechnungsmodelle zur Querschnittsanalyse vorgestellt und das Tabellenkalkulationsprogramm MS EXCEL zur Lösung der iterativen Berechnungsalgorithmen genutzt. Betrachtet werden Querschnitte üblicher Konstruktionen des Massiv-, Stahl- und Verbundbaus (Baustahl-Beton) unter ein- oder zweiachsiger Biegebeanspruchung und Normalkraft. Zur annähernden Erfassung des realen Tragverhaltens zu ausgewählten Zeitpunkten sind nichtlineare Spannungs-Dehnungs-Beziehungen der Materialien, Vordeformationen von einzelnen Querschnittsanteilen, nachträgliche Ergänzungen zu neuen statisch wirksamen Verbundquerschnitten sowie Rissbildungsmodelle im Beton berücksichtigt. Die im Rahmen dieser Arbeit entstandene programmtechnische Umsetzung „VerbQ“ (auf Basis von MS EXCEL und MS VISUAL BASIC) wurde anhand von Beispielrechnungen vorgestellt und erläutert.
Recently, many reseraches on active control systems of building structures are preformed based on modern control theory and are installed real buildings. The authors have already proposed intelligent fuzzy optimal active control (IFOAC) systems. IFOAC systems imitate intelligent activities of human brains such as prediction, adaptation, decision-kaking and so on. In IFOAC systems, objective and subjective judgements on the active control can be taken into account. However, IFOAC systems are considered to be suitable for far-field erathquake and control effect becomes small in case of near-field earthqaukes which include a few velosity pules with large amplitudes. To improve control effect in case of near-souece earthquakes, the authors have also proposed hybrid control (HC) systems, in which IFOAC systems and fuzzy control system are combined. In HC systems, the fuzzy control systems are introduced as a reflective fuzzy active control (RFAC) system and imitates spinal reflection of human. In HC systems, active control forces are activated to buildings in accordance with switching rules on active control forces. In this paper, optimizations on fuzzy control rules in RFAC system and switching rules of active control forces in HC system are performed by Parameter-Free Genetic Algorithms (PfGAs). Here, the optimization is performed by using different earthquake inputs. The results of digital simulations show that the HC system can reduce maximal response displacements under restrictions on strokes of the actuator effectively in case of a near-source earthquake and the effectiveness of the proposed HC system is discussed and clarified.
This paper presents results of a study on distributed, or parallel, evolutionary computation in the topological design of steel structural systems in tall buildings. It describes results of extensive experimental research on various parallel evolutionary architectures applied to a complex structural design problem. The experiments were conducted using Inventor 2003, a networkbased evolutionary design support tool developed at George Mason University. First, a general introduction to evolutionary computation is provided with an emphasis on recent developments in parallel evolutionary architectures. Next, a discussion of conceptual design of steel structural systems in tall buildings is presented. Further, Inventor 2003 is briefly introduced as well as its design representation and evolutionary computation characteristics. Next, the results obtained from systematic design experiments conducted with Inventor 2003 are discussed. The objective of these experiments was to qualitatively and quantitatively investigate evolution of steel structural systems in tall buildings during a distributed evolutionary design process as well as to compare efficiency and effectiveness of various parallel evolutionary architectures with the traditional evolutionary design approaches. Two connectivity topologies (ring topology and fully-connected topology) have been investigated for four populations of structural designs evolving in parallel and using various migration strategies. Also, results of the initial sensitivity studies are reported in which two ways of initializing distributed evolutionary design processes were investigated, using either arbitrarily selected designs as initial parents or randomly generated ones. Finally, initial research conclusions are presented.