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Neben der reinen Bauausführung und den damit verbundenen Roh- und Ausbaukosten stellt insbesondere die Bewirtschaftung von Gebäuden einen wesentlichen Kostenfaktor dar, den zu minimieren Ziel der Bestrebungen auf dem Gebiet des Facilities Management ist. Insbesondere die Integration der verteilt vorliegenden Informationen muß hierbei das Ziel sein, um durch effiziente Informationsverarbeitung eine Einsparung von Unterhaltskosten zu erreichen. Bereits in der Planungsphase lassen sich die späteren Kosten für die Bewirtschaftung modellieren. Dies gilt auch für die Modellierung des Energiehaushaltes von Gebäuden. Für die Modellierung des Wärmeschutzes und der damit verbundenen Ermittlung des Heizenergiebedarfs werden z.Zt. starke Vereinfachungen getroffen, die durch die aktuelle Wärmeschutzverordnung vorgegeben sind, so daß die errechneten Werte meist sehr ungenau sind. Für eine DV-gerechte Modellierung eines Gebäudes während seiner Bewirtschaftung reichen herkömmliche CAD-Systeme nicht aus, da das Modell verschiedene Sichten zulassen muß: Neben einer bauteilorientierten Sicht muß auch eine raumorientierte Sicht vorgehalten werden, damit eine Modellierung von flächenbezogenen Parametern wie z.B. Kosten möglich wird. Dieser Beitrag zeigt einen Ansatz, der eine intensive Nutzung heterogener Ressourcen und Informationen auf der Grundlage eines dreidimensionalen Gebäudemodells ermöglicht. Exemplarisch für die Bereiche Raummanagement (im Sinne von kosten- und nutzungsorientierter Bestandsverwaltung) und Bauphysik wird dieser Ansatz erläutert und die Eingliederung dieser Teilgebiete der Bestandsverwaltung und -bewirtschaftung in ein Gesamtsystem aufgezeigt.
Die Kosten für die Unterhaltung von Bauwerken über den Lebenszyklus sind im Vergleich zu den Planungs- und Herstellungskosten erheblich größer. Insbesondere setzt eine Reduzierung des Instandhaltungsaufwandes als Teilprozeß der Bestandsverwaltung das rechtzeitige Erkennen von Bauschäden und das vorausschauende Ergreifen von Gegenmaßnahmen voraus. Das planmäßige Vorgehen beim Erkennen von Bauschäden, d.h. die regelmäßige Überwachung baulicher Anlagen, dient nicht nur dem sparsamen Umgang mit vorhandenen Mitteln, sondern verringert auch die Gefahr des plötzlichen Versagens von tragenden Bauteilen. Dadurch werden Gefahren für die Nutzer der Bauwerke frühzeitig abgewendet. Die Notwendigkeit der systematischen Instandhaltung mit modernen Methoden wird auch in den Schlußfolgerungen des dritten Bauschadensberichts des Bundesministeriums für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau unterstrichen. Um den Zustand eines Bauteils festzustellen, werden ausreichende Informationen über Struktur, Material, Alter, Belastungen, Umweltbedingungen etc. benötigt. Zur Verarbeitung dieser Fülle von Informationen unterschiedlichen Typs (z.B. technische Dokumente, CAD-Zeichnungen, Photos etc.) bei der Überwachung und Dokumentation baulicher Anlagen ist eine geeignete DV-Unterstützung notwendig. Zur Verwaltung der komplexen Baustrukturinformationen werden objektorientierte Bauwerksmodelle benötigt. Zur bedarfsgerechten Aufbereitung der unterschiedlichen Informationsarten und -qualitäten ist zusätzlich eine multimediale Informationsverarbeitung sowohl intern als auch in der Benutzungsschnittstelle erforderlich. Im Beitrag werden die Grundlagen objektorientierter Methoden zur Bauwerksmodellierung sowie von Multimedia mit den Bereichen Text, Graphik (Vektor- und Pixelgraphik), Audio, Photo und Video einschließlich deren Verknüpfungsmöglichkeiten im Sinne von Hypermedia an Beispielen erläutert. Zusätzlich werden aktuelle Entwicklungstendenzen im Bereich der Telekommunikation mit den Möglichkeiten des Computernetzes INTERNET zur Bestandsverwaltung in verteilten Systemen aufgezeigt. Abschließend werden Anwendungen der objektorientierten und multimedialen Informationsverarbeitung in der täglichen Ingenieurpraxis am Beispiel des DV-Systems BestandManager zur Überwachung und Dokumentation baulicher Anlagen vorgestellt.
Bei der Berechnung von Stahlbeton- bzw. Spannbetonkonstruktionen müssen die Zusatzverformungen infolge Kriechen und Schwinden des Betons unter anderem dann berücksichtigt werden, wenn durch sie der Schnittgrößenzustand des Gesamttragwerks bzw. einzelner Tragwerksteile ungünstig verändert wird. Das trifft vor allem auf schlanke Druckglieder zu. Die Ermittlung der Kriechausmitte erfolgt im allgemeinen unter Zugrundelegung einer Kriechzahl, die vom Beanspruchungsniveau des Betons unabhängig ist. Diese Annahme ist unzulässig, wenn die Betonspannungen oberhalb des Gebrauchslastniveaus (>30..50% der Druckfestigkeit) liegen, da in diesem Bereich die Kriechdehnungen überproportional zu den kriecherzeugenden Spannungen anwachsen (nichtlineares Kriechen). Theoretische Untersuchungen zum Tragverhalten hochbeanspruchter Stahlbetonstützen unter Berücksichtigung des nichtlinearen Kriechens sind aufgrund der Komplexität des Problems und dem damit verbundenen Berechnungsaufwand gegenwärtig in nur geringem Umfang vorhanden. Im vorliegenden Beitrag wird ein Algorithmus vorgestellt, bei dem die Ermittlung der Schnittgrößen und Deformationen auf die sukzessive Lösung quadratischer Optimierungsaufgaben für im voraus festgelegte Betrachtungszeitpunkte zurückgeführt wird, wobei die Ergebnisse der vorangegangenen Zeitpunkte Eingangswerte für die Berechnung darstellen. Die Berücksichtigung der Nichtlinearität des Kriechens unter hoher Spannung sowie geometrisch nichtlinearer Effekte erfolgt iterativ innerhalb jedes Betrachtungszeitpunkts. Mit der Einführung von Spannungsbegrenzungen als zusätzliche Nebenbedingungen können in jeder Iteration Materialplastizierungen, Rißbildungen des Betons bzw. >tension stiffening<-Effekte ohne prinzipielle Veränderung des mathematischen Modells berücksichtigt werden. Durch Nachrechnung von Langzeitversuchen an Stahlbetonstützen erfolgt die Verifikation des Berechnungsmodells
Ziel des Teilprojekts C5 des Sonderforschungsbereichs 398 an der Ruhr-Universität Bochum ist die Entwicklung eines lebensdauerorientierten Entwurfsmodells für Stahltragwerke. Das Referenzsystem der letzten Förderperiode war eine einschiffige Stahlhalle mit Kranbahnen. Der vorliegende Beitrag stellt die Ergebnisse einer Sensitivitätsanalyse des Stahlrahmens unter Kranfahrtlasten vor. Diese Verkehrslasten wurden, völlig entkoppelt von weiteren äußeren Einflüssen wie Wind und Schnee, als poissongetriebene Pulsprozesse beschrieben, die zufälligen Eigenschaften der Kranfahrtlasten wurden in den Zufallsvariablen Pulsdauer und Pulsintensität berücksichtigt. Zur Minimierung des Rechenaufwandes der Lebensdauer-untersuchung wurden a priori einige Systemparameter anhand von Parameterstudien im Hinblick auf ihre dynamische Wirkung maßgebend festgelegt. In einer darauf aufbauenden Betriebsfestigkeitsuntersuchung wurden die Schädigungseinträge in einer Rahmenecke infolge von jeweils einzelnen Pulslastereignissen berechnet und in einer Datenbasis abgelegt. Eine abschließende Distance-Controlled Monte Carlo Simulation der Pulsprozesse über einen maximalen Zeitraum von 100 Jahren überführte die Realisationen der einzelnen Pulslasten anhand der Datenbasis in Teilschädigungen, welche nach der Palmgren/Miner-Hypothese zu einer Gesamtschädigung aufsummiert wurden. Der Einfluss der Kranlasten auf den Entwurf von Stahlhallen wurde durch den Vergleich der berechneten Lebensdauer und der planmäßig vorgegebenen Nutzungsdauer quantifiziert.
Dezentrale mikrocontrollerbasierende Messtechnik in der in der Leittechnik historischer Gebäude
(2003)
Im Hintergrund stehen historische Bibliotheksgebäude, deren Bestände durch ungünstige klimatische Verhältnisse in den Innenräumen ihrer der Erhaltung gefährdet sind. Damit Maßnahmen der Gebäudeleittechnik geplant werden können, ist die Aufnahme der Umweltgrößen über einen längeren Zeitraum erforderlich. Im speziellen zielen die Maßnahmen auf die Klimatechnik mit ihren Aufgaben der Heizungsregelung, Belüftungsanlagen. Ein Messsystem kann mit dem Mikrocontroller Beck >IPC@CHIP< realisiert werden. Das an der FH Fulda entwickelte Messsystem nimmt im Abstand von drei Minuten Messwerte von Lufttemperatur, Luftfeuchte, Luftdruck und UV-Intensität auf. Sie gelten als beeinflussende Größen der organischen Materialien des Fundus. Die Messwerte werden in einer elektronischen Schaltung vorverarbeitet und einem Mikrocontroller zugeführt. Dieser archiviert die Daten fortlaufend über einen Zeitraum bis zu sieben Jahren. Der Mikrocontroller ist mit seinem internen Flash-Speicher und der Ethernet-Schnittstelle in der Lage, die gesammelten Messwerte als Webserver zur Verfügung zu stellen. Wenn das Messsystem an das Internet angeschlossen wird, können die Klimaverläufe in einem herkömmlichen Internet-Browser dargestellt werden. Dafür wurde mit der Programmiersprache Java eine Visualisierungsoberfläche erstellt. Sie bietet die verschiedensten Möglichkeiten der Datenauswertung. Dazu gehört der Zugriff auf jeden einzelnen Messwert, auf Tages-, Monats- und Jahresmittelwerte und die Errechnung von Minima und Maxima. Der Flash-Speicher wurde auch dazu benutzt, Dokumentation und Bedienhinweise abzulegen, die somit über das Netzwerk abrufbar sind. Das gesamte Messsystem ist in ein Buch integriert und erfasst seit August 2002 die klimatischen Verhältnisse der Herzogin-Anna-Amalia-Bibliothek in Weimar. Nach den erfolgten Langzeitmessungen kann darüber entschieden werden, welchen Beitrag eine Gebäudeleittechnik mit integrierter Klimaregelung zur Werterhaltung der Gegenstände leisten kann.
Die Arbeit gliedert sich in drei Komplexe. Der erste Komplex umfaßt Voruntersuchungen zum Ultraschallmeßsystem hinsichtlich Sendefrequenzen, Ankoppeldruck und gerätespezifischen Verzögerungszeiten. Zur schrittweisen Entwicklung eines berührungslos arbeitenden Ultraschallverfahrens werden Grundlagenuntersuchungen zur laserinduzierten Anregung von Ultraschallwellen und zur berührungslosen Signalerfassung mittels Laservibrometer durchgeführt. Der zweite Komplex beinhaltet die Untersuchung von Gefügeschädigungen durch Frostangriff. Als Kennwert der inneren Schädigung wird die Änderung des dynamischen E-Moduls durch Anwendung von akustischen Meßverfahren (z.B. Dehnwellenresonanzverfahren) bestimmt. Der Erfassung und Visualisierung des Schädigungsgradienten wird besondere Bedeutung beigemessen. Der dritte Komplex umfaßt die Untersuchung der Gefügeentwicklung während der Hydratation von Normalbetonen zur Bestimmung der Erhärtungsdruckfestigkeit mit dem Ultraschallmeßsystem CONSONIC 60. Ausgewertet werden kontinuierliche und diskontinuierliche Impulslaufzeitmessungen unter Einbeziehung der Betonrezeptur.
Die Einflüsse polymerer Zusätze auf die Ausbildung der Mikrostruktur im frühen Stadium der Erhärtung und auf die Eigenschaften, insbesondere die Dauerhaftigkeit der modifizierten Mörtel wurden erforscht. Es sollte die Frage beantwortet werden, ob durch die Modifizierung die Dauerhaftigkeit von Mörteln mehr verbessert werden kann, als dies durch übliche betontechnologische Maßnahmen möglich ist. Die Ausbildung der Mikrostruktur in den ersten 24 Stunden der Erhärtung wurde mit verschiedenen Methoden, u.a. mittels ESEM, untersucht. Es wurden Modellvorstellungen zur Ausbildung der organischen Matrix und der anorganischen Matrix entwickelt: Interaktionen sind Adsorptionsreaktionen, Agglomerationen und Behinderung der Hydratation. Es wurden Frisch- und Festmörteluntersuchungen beschrieben und interpretiert. Unterschiedliche Dauerhaftigkeitsuntersuchungen wurden durchgeführt und bewertet. Die Mikrostruktur der Festmörtel wurde hinsichtlich ihres Einflusses auf die Dauerhaftigkeit betrachtet.
Werden Bauwerke für eine begrenzte Lebensdauer ausgelegt, kann es sinnvoll sein, die Tragfähigkeit von Tragkonstruktionen zu überwachen, um Schäden zu vermeiden und eine sichere Funktionsweise zu gewährleisten. Die Überwachung, hier auf Basis von Schwingungen der Struktur, wird zumeist von einer rechnergestützten Messtechnik automatisch durchgeführt. Der Computer überprüft spezielle physikalische Kennwerte oder Kennfunktionen des Tragwerks auf Veränderungen. Eine Schädigung ruft eine Veränderung hervor. Aufgabe der Systemidentifikation ist es, eine solche Veränderung zu erkennen. Eine Modellbildung kann z.B. auf theoretischer Basis als Finite Element Modellierung, oder als Black Box Modellierung aus Messwerten mit der Methodik der deterministischen oder stochastischen Systemidentifikation vorgenommen werden. In diesem Aufsatz werden die Analyse allgemeiner deterministischer und stochastischer Erregungen und deren Schwingungsantworten zur Modellbildung und Systemidentifikation beschrieben. Als Anwendungsbeispiele für die Bauwerksüberwachung werden Methoden zur Schadens-Erfassung und -Lokalisation vorgestellt. Den Abschluss bilden Ausführungen zur numerischen Modellierung von Windlasten als stochastischen Prozess und der Kopplung dieser Modelle mit finiten Element-Modellen, um eine bessere Abschätzung der Lebensdauer eines Bauwerks schon im Entwurfsprozess zu ermöglichen.
Die vorliegende Arbeit gliedert sich in das Gebiet der Systemidentifikation ein. Besonderes Augenmerk wird auf die Detektion, die Lokalisierung und die Quantifizierung von Systemveränderungen gerichtet. Für diese Ziele werden -basierend auf Schwingungsmessungen- modale Parameter sowie Ein- und Ausgangsgrößen im Frequenzbereich extrahiert. Die in dieser Arbeit entwickelte Adaption des Polyreferenz-Verfahrens beruht auf einer veränderten Bestimmung der Fundamentalmatrix mit Hilfe der verallgemeinerten Singulärwertzerlegung. Eine Vorfilterung, die eine Reduktion der Frequenzanteile im Signal bewirkt, ist dabei Voraussetzung. Diese basiert auf dem Einsatz rekursiver Filtertechiken und der einfachen Singulärwertzerlegung. Als Resultat können modale Parameter auch im Falle, wenn eng benachbarte und verrauschte Signalanteile vorliegen oder nur wenige Mess- und Anregungspunkte zur Verfügung stehen, präzise bestimmt und damit auch sehr geringe Syemveränderungen detektiert werden. Die mit dem adaptierten Polyreferenz-Verfahren extrahierten modalen Parameter werden in der Lokalisierung von Systemveränderungen eingesetzt. Zur Bestimmung modaler Parameter auch an realen Bauwerken wird die Konstruktion eines Impulshammers vorgestellt. Besonderes Gewicht wird dabei auf die Gestaltung des Erregerkraftspektrums gelegt. Die Arbeit enthält eine mögliche Vorgehensweise zum Abgleich von Finite-Elemente Modellen. In vielen praxisnahen Fällen sind weit weniger modale Parameter vorhanden, als freie, zum Abgleich bestimmte Parameter gesucht werden. Das Gleichungssystem ist schlechtgestellt und benötigt eine Regularisierung. Eine andere Möglichkeit zur Korrektur von Rechenmodellen bietet das Projektive Eingangsgrößenverfahren, das auf der Basis unvollständig gemessener Ein- und Ausgangsgrößen arbeitet. In einer Versagenswahrscheinlichkeitsstudie wird die Robustheit des Verfahrens gegenüber! Rauscheinflüssen untersucht