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We present a physics-informed deep learning model for the transient heat transfer analysis of three-dimensional functionally graded materials (FGMs) employing a Runge–Kutta discrete time scheme. Firstly, the governing equation, associated boundary conditions and the initial condition for transient heat transfer analysis of FGMs with exponential material variations are presented. Then, the deep collocation method with the Runge–Kutta integration scheme for transient analysis is introduced. The prior physics that helps to generalize the physics-informed deep learning model is introduced by constraining the temperature variable with discrete time schemes and initial/boundary conditions. Further the fitted activation functions suitable for dynamic analysis are presented. Finally, we validate our approach through several numerical examples on FGMs with irregular shapes and a variety of boundary conditions. From numerical experiments, the predicted results with PIDL demonstrate well agreement with analytical solutions and other numerical methods in predicting of both temperature and flux distributions and can be adaptive to transient analysis of FGMs with different shapes, which can be the promising surrogate model in transient dynamic analysis.
Kleine Kommunen im ländlichen Raum sind aufgrund ihrer oft eingeschränkten personellen und finanziellen Kapazitäten bisher eher sporadisch in den Themenfeldern Energieeffizienz und Erneuerbare Energien aktiv. Immer wieder stellt sich daher Frage, wie die Klimaschutzstrategien des Bundes und der Länder dort mit dem verfügbaren Personal kostengünstig realisierbar sind. Vor diesem Hintergrund wird ein Werkzeug entwickelt, mit dessen Hilfe der aktive Einstieg in diese Thematik mit geringen Aufwand und überwiegend barrierefrei möglich ist.
Der Aufbau eines prozessorientierten Entwicklungs- und Moderationsmodells zur Erprobung und Umsetzung bezahlbarer Handlungsoptionen für Energieeinsparungen und effizienten Energieeinsatz im überwiegend ländlichen geprägten Raum ist der Schwerpunkt der Softwarelösung.
Kommunen werden mit deren Hilfe in die Lage versetzt, in die notwendigen Prozesse der Energie- und Wärmewende einzusteigen. Dabei soll der modulare Aufbau die regulären Schritte notwendiger (integrierter) Planungsprozesse nicht vollständig ersetzen. Vielmehr können innerhalb der Online-Anwendung - überwiegend automatisiert - konkrete Maßnahmenvorschläge erstellt werden, die ein solides Fundament der künftigen energetischen Entwicklung der Kommunen darstellen.
Für eine gezielte Validierung der Ergebnisse und der Ableitung potentieller Maßnahmen werden für die Erprobung Modellkommunen in Thüringen, Bayern und Hessen als Reallabore einbezogen.
Das Tool steht bisher zunächst nur den beteiligten Modellkommunen zur Verfügung. Die entwickelte Softwarelösung soll künftig Schritt für Schritt allen interessierten Kommunen mit diversen Hilfsmitteln und einer Vielzahl anderer praktischer Bestandteile zur Verfügung gestellt werden.
The growing complexity of modern practical problems puts high demand on mathematical modelling. Given that various models can be used for modelling one physical phenomenon, the role of model comparison and model choice is becoming particularly important. Methods for model comparison and model choice typically used in practical applications nowadays are computationbased, and thus time consuming and computationally costly. Therefore, it is necessary to develop other approaches to working abstractly, i.e., without computations, with mathematical models. An abstract description of mathematical models can be achieved by the help of abstract mathematics, implying formalisation of models and relations between them. In this paper, a category theory-based approach to mathematical modelling is proposed. In this way, mathematical models are formalised in the language of categories, relations between the models are formally defined and several practically relevant properties are introduced on the level of categories. Finally, an illustrative example is presented, underlying how the category-theory based approach can be used in practice. Further, all constructions presented in this paper are also discussed from a modelling point of view by making explicit the link to concrete modelling scenarios.
In this paper we present a theoretical background for a coupled analytical–numerical approach to model a crack propagation process in two-dimensional bounded domains. The goal of the coupled analytical–numerical approach is to obtain the correct solution behaviour near the crack tip by help of the analytical solution constructed by using tools of complex function theory and couple it continuously with the finite element solution in the region far from the singularity. In this way, crack propagation could be modelled without using remeshing. Possible directions of crack growth can be calculated through the minimization of the total energy composed of the potential energy and the dissipated energy based on the energy release rate. Within this setting, an analytical solution of a mixed boundary value problem based on complex analysis and conformal mapping techniques is presented in a circular region containing an arbitrary crack path. More precisely, the linear elastic problem is transformed into a Riemann–Hilbert problem in the unit disk for holomorphic functions. Utilising advantages of the analytical solution in the region near the crack tip, the total energy could be evaluated within short computation times for various crack kink angles and lengths leading to a potentially efficient way of computing the minimization procedure. To this end, the paper presents a general strategy of the new coupled approach for crack propagation modelling. Additionally, we also discuss obstacles in the way of practical realisation of this strategy.
The purpose of this study is to develop self-contained methods for obtaining smooth meshes which are compatible with isogeometric analysis (IGA). The study contains three main parts. We start by developing a better understanding of shapes and splines through the study of an image-related problem. Then we proceed towards obtaining smooth volumetric meshes of the given voxel-based images. Finally, we treat the smoothness issue on the multi-patch domains with C1 coupling. Following are the highlights of each part.
First, we present a B-spline convolution method for boundary representation of voxel-based images. We adopt the filtering technique to compute the B-spline coefficients and gradients of the images effectively. We then implement the B-spline convolution for developing a non-rigid images registration method. The proposed method is in some sense of “isoparametric”, for which all the computation is done within the B-splines framework. Particularly, updating the images by using B-spline composition promote smooth transformation map between the images. We show the possible medical applications of our method by applying it for registration of brain images.
Secondly, we develop a self-contained volumetric parametrization method based on the B-splines boundary representation. We aim to convert a given voxel-based data to a matching C1 representation with hierarchical cubic splines. The concept of the osculating circle is employed to enhance the geometric approximation, where it is done by a single template and linear transformations (scaling, translations, and rotations) without the need for solving an optimization problem. Moreover, we use the Laplacian smoothing and refinement techniques to avoid irregular meshes and to improve mesh quality. We show with several examples that the method is capable of handling complex 2D and 3D configurations. In particular, we parametrize the 3D Stanford bunny which contains irregular shapes and voids.
Finally, we propose the B´ezier ordinates approach and splines approach for C1 coupling. In the first approach, the new basis functions are defined in terms of the B´ezier Bernstein polynomials. For the second approach, the new basis is defined as a linear combination of C0 basis functions. The methods are not limited to planar or bilinear mappings. They allow the modeling of solutions to fourth order partial differential equations (PDEs) on complex geometric domains, provided that the given patches are G1
continuous. Both methods have their advantages. In particular, the B´ezier approach offer more degree of freedoms, while the spline approach is more computationally efficient. In addition, we proposed partial degree elevation to overcome the C1-locking issue caused by the over constraining of the solution space. We demonstrate the potential of the resulting C1 basis functions for application in IGA which involve fourth order PDEs such as those appearing in Kirchhoff-Love shell models, Cahn-Hilliard phase field application, and biharmonic problems.
Material properties play a critical role in durable products manufacturing. Estimation of the precise characteristics in different scales requires complex and expensive experimental measurements. Potentially, computational methods can provide a platform to determine the fundamental properties before the final experiment. Multi-scale computational modeling leads to the modeling of the various time, and length scales include nano, micro, meso, and macro scales. These scales can be modeled separately or in correlation with coarser scales. Depend on the interested scales modeling, the right selection of multi-scale methods leads to reliable results and affordable computational cost. The present dissertation deals with the problems in various length and time scales using computational methods include density functional theory (DFT), molecular mechanics (MM), molecular dynamics (MD), and finite element (FE) methods.
Physical and chemical interactions in lower scales determine the coarser scale properties. Particles interaction modeling and exploring fundamental properties are significant challenges of computational science. Downscale modelings need more computational effort due to a large number of interacted atoms/particles. To deal with this problem and bring up a fine-scale (nano) as a coarse-scale (macro) problem, we extended an atomic-continuum framework. The discrete atomic models solve as a continuum problem using the computationally efficient FE method. MM or force field method based on a set of assumptions approximates a solution on the atomic scale. In this method, atoms and bonds model as a harmonic oscillator with a system of mass and springs. The negative gradient of the potential energy equal to the forces on each atom. In this way, each bond's total potential energy includes bonded, and non-bonded energies are simulated as equivalent structural strain energies. Finally, the chemical nature of the atomic bond is modeled as a piezoelectric beam element that solves by the FE method.
Exploring novel materials with unique properties is a demand for various industrial applications. During the last decade, many two-dimensional (2D) materials have been synthesized and shown outstanding properties. Investigation of the probable defects during the formation/fabrication process and studying their strength under severe service life are the critical tasks to explore performance prospects. We studied various defects include nano crack, notch, and point vacancy (Stone-Wales defect) defects employing MD analysis. Classical MD has been used to simulate a considerable amount of molecules at micro-, and meso- scales. Pristine and defective nanosheet structures considered under the uniaxial tensile loading at various temperatures using open-source LAMMPS codes. The results were visualized with the open-source software of OVITO and VMD.
Quantum based first principle calculations have been conducting at electronic scales and known as the most accurate Ab initio methods. However, they are computationally expensive to apply for large systems. We used density functional theory (DFT) to estimate the mechanical and electrochemical response of the 2D materials. Many-body Schrödinger's equation describes the motion and interactions of the solid-state particles. Solid describes as a system of positive nuclei and negative electrons, all electromagnetically interacting with each other, where the wave function theory describes the quantum state of the set of particles. However, dealing with the 3N coordinates of the electrons, nuclei, and N coordinates of the electrons spin components makes the governing equation unsolvable for just a few interacted atoms. Some assumptions and theories like Born Oppenheimer and Hartree-Fock mean-field and Hohenberg-Kohn theories are needed to treat with this equation. First, Born Oppenheimer approximation reduces it to the only electronic coordinates. Then Kohn and Sham, based on Hartree-Fock and Hohenberg-Kohn theories, assumed an equivalent fictitious non-interacting electrons system as an electron density functional such that their ground state energies are equal to a set of interacting electrons. Exchange-correlation energy functionals are responsible for satisfying the equivalency between both systems. The exact form of the exchange-correlation functional is not known. However, there are widely used methods to derive functionals like local density approximation (LDA), Generalized gradient approximation (GGA), and hybrid functionals (e.g., B3LYP). In our study, DFT performed using VASP codes within the GGA/PBE approximation, and visualization/post-processing of the results realized via open-source software of VESTA.
The extensive DFT calculations are conducted 2D nanomaterials prospects as anode/cathode electrode materials for batteries. Metal-ion batteries' performance strongly depends on the design of novel electrode material. Two-dimensional (2D) materials have developed a remarkable interest in using as an electrode in battery cells due to their excellent properties. Desirable battery energy storage systems (BESS) must satisfy the high energy density, safe operation, and efficient production costs. Batteries have been using in electronic devices and provide a solution to the environmental issues and store the discontinuous energies generated from renewable wind or solar power plants. Therefore, exploring optimal electrode materials can improve storage capacity and charging/discharging rates, leading to the design of advanced batteries.
Our results in multiple scales highlight not only the proposed and employed methods' efficiencies but also promising prospect of recently synthesized nanomaterials and their applications as an anode material. In this way, first, a novel approach developed for the modeling of the 1D nanotube as a continuum piezoelectric beam element. The results converged and matched closely with those from experiments and other more complex models. Then mechanical properties of nanosheets estimated and the failure mechanisms results provide a useful guide for further use in prospect applications. Our results indicated a comprehensive and useful vision concerning the mechanical properties of nanosheets with/without defects. Finally, mechanical and electrochemical properties of the several 2D nanomaterials are explored for the first time—their application performance as an anode material illustrates high potentials in manufacturing super-stretchable and ultrahigh-capacity battery energy storage systems (BESS). Our results exhibited better performance in comparison to the available commercial anode materials.
Rapid advancements of modern technologies put high demands on mathematical modelling of engineering systems. Typically, systems are no longer “simple” objects, but rather coupled systems involving multiphysics phenomena, the modelling of which involves coupling of models that describe different phenomena. After constructing a mathematical model, it is essential to analyse the correctness of the coupled models and to detect modelling errors compromising the final modelling result. Broadly, there are two classes of modelling errors: (a) errors related to abstract modelling, eg, conceptual errors concerning the coherence of a model as a whole and (b) errors related to concrete modelling or instance modelling, eg, questions of approximation quality and implementation. Instance modelling errors, on the one hand, are relatively well understood. Abstract modelling errors, on the other, are not appropriately addressed by modern modelling methodologies. The aim of this paper is to initiate a discussion on abstract approaches and their usability for mathematical modelling of engineering systems with the goal of making it possible to catch conceptual modelling errors early and automatically by computer assistant tools. To that end, we argue that it is necessary to identify and employ suitable mathematical abstractions to capture an accurate conceptual description of the process of modelling engineering systems.
Polymer-modified cement concrete (PCC) is a heterogeneous building material with a hierarchically organized microstructure. Therefore, continuum micromechanics-based multiscale models represent a promising method to estimate the mechanical properties. By means of a bottom-up approach, homogenized properties at the macroscopic scale are derived considering microstructural characteristics. The extension of existing multiscale models for the application to PCC is the main objective of this work. For that, cross-scale experimental studies are required. Both macroscopic and microscopic mechanical tests are performed to characterize the elastic and viscoelastic properties of different PCC. The comparison between experiment and model prediction illustrates the success of the modeling approach.
A coupled thermo-hydro-mechanical model of jointed hard rock for compressed air energy storage
(2014)
Renewable energy resources such as wind and solar are intermittent, which causes instability when being connected to utility grid of electricity. Compressed air energy storage (CAES) provides an economic and technical viable solution to this problem by utilizing subsurface rock cavern to store the electricity generated by renewable energy in the form of compressed air. Though CAES has been used for over three decades, it is only restricted to salt rock or aquifers for air tightness reason. In this paper, the technical feasibility of utilizing hard rock for CAES is investigated by using a coupled thermo-hydro-mechanical (THM) modelling of nonisothermal gas flow. Governing equations are derived from the rules of energy balance, mass balance, and static equilibrium. Cyclic volumetric mass source and heat source models are applied to simulate the gas injection and production. Evaluation is carried out for intact rock and rock with discrete crack, respectively. In both cases, the heat and pressure losses using air mass control and supplementary air injection are compared.
Flow velocity is generally presumed to influence flood damage. However, this influence is hardly quantified and virtually no damage models take it into account. Therefore, the influences of flow velocity, water depth and combinations of these two impact parameters on various types of flood damage were investigated in five communities affected by the Elbe catchment flood in Germany in 2002. 2-D hydraulic models with high to medium spatial resolutions were used to calculate the impact parameters at the sites in which damage occurred. A significant influence of flow velocity on structural damage, particularly on roads, could be shown in contrast to a minor influence on monetary losses and business interruption. Forecasts of structural damage to road infrastructure should be based on flow velocity alone. The energy head is suggested as a suitable flood impact parameter for reliable forecasting of structural damage to residential buildings above a critical impact level of 2m of energy head or water depth. However, general consideration of flow velocity in flood damage modelling, particularly for estimating monetary loss, cannot be recommended.
The paper gives the results of scientific research, which, being based on probabilistic and statistical modeling, identifies the relationship of certain socio-economic factors and the number of people killed in road accidents in the Russian Federation regions. It notes the identity of processes in various fields, in which there is loss of life. Scientific methods and techniques were used in the process of data processing and study findings: systematic approach, methods of system analysis (algorithmization, mathematical programming) and mathematical statistics. The scientific novelty lies in the formulation, formalization and solving problems related to the analysis of regional road traffic accidents, its modeling taking into account the factors of socio-economic impact.
Druckbeanspruchte Bauteile aus Beton können mit zugfesten Umschnürungen von außen verstärkt werden. Mit dieser etablierten Methode konnten axiale Traglast und Duktilität von unzureichend bewehrten Stützen bereits verbessert werden. Es wurde jedoch festgestellt, dass der umschnürte Betonkern dennoch an Festigkeit verliert. Um die Wirksamkeit der Umschnürung zu erhöhen, wird deshalb vorgeschlagen, das umschnürende Material vorzuspannen. Dieser Vorschlag wird insbesondere von der neuen Materialgruppe der Formgedächtnislegierungen inspiriert, die thermisch vorspannbar sind.
Bisher sind die Auswirkungen der Vorspannung einer Umschnürung auf das Tragverhalten von Betondruckgliedern kaum untersucht worden. Diese Lücke wird durch systematische Versuche an Betonzylindern mit vorgespannter Umschnürung aus Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff geschlossen. Die Abbildung der Versuchsergebnisse durch geeignete Modelle ermöglicht auch Aussagen zum Verhalten von Betondruckgliedern mit Umschnürungen aus anderen Materialien, beispielsweise Formgedächtnislegierungen. Um diese in den Berechnungen zu simulieren, wird eine für das Bauwesen infrage kommende eisenbasierte Legierung in separaten axialen Versuchen charakterisiert und thermisch vorgespannt. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelten neuen Modelle orientieren sich im Wesentlichen an zwei Zielen: dem Abbilden des mehraxialen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens des vorgespannt umschnürten Betons und dem Berechnen der Restfestigkeit des Betons.
Die durchgeführten Versuche und Parameterstudien auf Basis der Modelle zeigen: Die Vorspannung der Umschnürung beeinflusst vor allem die Restfestigkeit des Betons wesentlich. Die gewonnenen Erkenntnisse und neuen Methoden können eingesetzt werden, um das Tragverhalten von Betondruckgliedern mit Umschnürungen aus Stahl, faserverstärktem Kunststoff oder Formgedächtnislegierungen zu bewerten.
In dieser Arbeit wird der Vortriebsprozess einer Erddruckschildmaschine in einem Simulationsmodell mit Hilfe der System Dynamics modelliert. Nach einer Einführung in den maschinellen Tunnelbau werden die Besonderheiten der Erddruckschildmaschine herausgestellt. Anschließend wird das betrachtete System mit dem Simulationskonzept der System Dynamics modelliert und in einem geeigneten Simulationstool implementiert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Suffosionsbeständigkeit von Erdstoffen. Mit dem wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansatz der Perkolationstheorie wurde ein analytisches Verfahren gewählt, mit dem suffosive Materialtransportprozesse modelliert und quantifiziert werden können. Mit dem verwendeten Perkolationsmodell wurde eine beliebige Porenstruktur eines realen Erdstoffes im 3-Dimensionalen modelliert. Mögliche Materialtransportprozesse innerhalb der modellierten Porenstruktur wurden anschließend simuliert. Allgemein gültige Gesetzmäßigkeiten wurden hergeleitet und Grenzbedingungen formuliert. Diese sind vom Erdstoff unabhängig und beschreiben Zusammenhänge zwischen Materialtransport und Porenstruktur. Anwendbar sind diese Ergebnisse auf homogene, isotrope und selbstähnliche Erdstoffgefüge. Aussagen über konkrete Erdstoffe können über die Transformationsmethode erfolgen. Für die Verwendung der Transformationsmethode ist vorab die relevante Porenstruktur, d. h. die Porenengstellenverteilung, zu ermitteln.
The importance of modern simulation methods in the mechanical analysis of heterogeneous solids is presented in detail. Thereby the problem is noted that even for small bodies the required high-resolution analysis reaches the limits of today's computational power, in terms of memory demand as well as acceptable computational effort. A further problem is that frequently the accuracy of geometrical modelling of heterogeneous bodies is inadequate. The present work introduces a systematic combination and adaption of grid-based methods for achieving an essentially higher resolution in the numerical analysis of heterogeneous solids. Grid-based methods are as well primely suited for developing efficient and numerically stable algorithms for flexible geometrical modeling. A key aspect is the uniform data management for a grid, which can be utilized to reduce the effort and complexity of almost all concerned methods. A new finite element program, called Mulgrido, was just developed to realize this concept consistently and to test the proposed methods. Several disadvantages which generally result from grid discretizations are selectively corrected by modified methods. The present work is structured into a geometrical model, a mechanical model and a numerical model. The geometrical model includes digital image-based modeling and in particular several methods for the theory-based generation of inclusion-matrix models. Essential contributions refer to variable shape, size distribution, separation checks and placement procedures of inclusions. The mechanical model prepares the fundamentals of continuum mechanics, homogenization and damage modeling for the following numerical methods. The first topic of the numerical model introduces to a special version of B-spline finite elements. These finite elements are entirely variable in the order k of B-splines. For homogeneous bodies this means that the approximation quality can arbitrarily be scaled. In addition, the multiphase finite element concept in combination with transition zones along material interfaces yields a valuable solution for heterogeneous bodies. As the formulation is element-based, the storage of a global stiffness matrix is superseded such that the memory demand can essentially be reduced. This is possible in combination with iterative solver methods which represent the second topic of the numerical model. Here, the focus lies on multigrid methods where the number of required operations to solve a linear equation system only increases linearly with problem size. Moreover, for badly conditioned problems quite an essential improvement is achieved by preconditioning. The third part of the numerical model discusses certain aspects of damage simulation which are closely related to the proposed grid discretization. The strong efficiency of the linear analysis can be maintained for damage simulation. This is achieved by a damage-controlled sequentially linear iteration scheme. Finally a study on the effective material behavior of heterogeneous bodies is presented. Especially the influence of inclusion shapes is examined. By means of altogether more than one hundred thousand random geometrical arrangements, the effective material behavior is statistically analyzed and assessed.
Datenmodelle zur Bearbeitung von Ingenieuraufgaben am Beispiel von Wohnhäusern in Stahlbauweise
(2006)
Modelle bilden die Grundlage der Planung. Sie repräsentieren die zur Bearbeitung erforderlichen Eigenschaften eines Bauwerks in einer an die spezifische Aufgabe angepassten Form. Zwischen den verschiedenen zur Abbildung des Bauwerks eingesetzten Modellen bestehen fachliche Zusammenhänge bezüglich der darin abgebildeten Aspekte. Diese Abhängigkeiten werden in der praktischen Planungsbearbeitung gegenwärtig auf Grundlage von Erfahrungswerten, normativen Vorgaben und vereinfachenden Annahmen berücksichtigt. Die detailliertere Modellierung von Bauwerkseigenschaften führt zu einer engeren Verzahnung der verschiedenen Modelle. Um eine fachliche Inselbildung zu vermeiden, ist eine entsprechend angepasste Abbildung der zwischen den einzelnen Modellen bestehenden Beziehungen erforderlich. Mit den steigenden Ansprüchen an eine Bearbeitung von Ingenieuraufgaben gewinnt eine über den Zweck der Bereitstellung ausgewählter Informationen zum Bauwerk und der Unterstützung eines Datenaustauschs zwischen verschiedenen Fachplanern hinausgehende datentechnische Abbildung an Bedeutung. Dies setzt eine Diskussion der Anforderungen an eine solche Beschreibung aus fachlicher Sicht voraus. Die Untersuchung der fachlichen Anforderungen wird am Beispiel von Wohnhäusern in Stahlbauweise geführt.
Die zunehmend erforderliche Kooperation verschiedener Beteiligter unterschiedlicher Fachbereiche und der Einsatz hochspezialisierter Fachapplikationen in heterogenen Systemumgebungen unterstreichen die Bedeutung und Notwendigkeit neuer Konzepte und Möglichkeiten zur Schaffung einer computergestützten Integrationsebene. Ziel einer computergestützten Integrationsebene ist die Verbesserung der Kooperation und Kommunikation unter den Beteiligten. Grundlage dafür ist die Etablierung eines effizienten und fehlerfreien Daten- und Informationsaustausches zwischen den verschiedenen Fachplanern und -applikationen. Die Basis für die Datenintegrationsebene bildet ein digitales Bauwerksmodell im Sinne eines >virtuellen Bauwerks<, welches alle relevanten Daten und Informationen über ein zu planendes oder real existierendes Bauwerk zur Verfügung stellt. Bei der Verwirklichung einer Bauwerksmodell-orientierten Datenintegrationsebene und deren Modellverwaltung erweist sich speziell die Definition des Bauwerksmodells also die Spezifikation der relevanten auszutauschenden Daten als äußerst komplex. Der hier vorzustellende Relationen-orientierte Ansatz, d.h. die Realisierung des Daten- und Informationsaustauschs mittels definierter Relationen und Beziehungen zwischen dynamisch modifizierbaren Domänenmodellen, bietet Ansätze zur: * Verringerung und Beherrschung der Komplexität des Bauwerksmodells (Teilmodellbildung) * Realisierung eines effizienten Datenaustauschs (Relationenmanagement) Somit stellt der Relationenorientierte Ansatz einen adäquaten Lösungsweg zur Modellierung eines digitalen Bauwerksmodells als Datenintegrationsebene für den Lebenszyklus eines Bauwerkes dar.
Im vorliegenden Beitrag wird ein in das FE-Programmsystem ANSYS implementiertes elastoplastisches Berechnungsmodell zur nichtlinearen, räumlichen Untersuchung von Mauerwerkstrukturen vorgestellt. Die Modellierung des heterogenen Baustoffs Mauerwerk erfolgt mit Hilfe eines verschmierten Ersatzkontinuums. Das anisotrope Materialverhalten wird sowohl hinsichtlich der Spannungs-Dehnungsbeziehung als auch bei der Beschreibung der Festigkeit berücksichtigt. Durch die Verwendung einer zusammengesetzten Fließbedingung ist es möglich, das Versagen der einzelnen Mauerwerkkomponenten Stein und Mörtelfugen und des Verbundes zu berücksichtigen. Dadurch ist die Anwendbarkeit des Modells für mehrere Mauerwerksarten gegeben. Die hierfür verwendeten Materialparameter sind aus einfachen Kleinkörperversuchen bestimmbar oder innerhalb gewisser Grenzen aus empirischen Formeln berechenbar. Die notwendige Beschränkung der Anzahl der Materialparameter sichert die praktische Anwendbarkeit des entwickelten Berechnungsmodells. Die numerische Umsetzung des hier verwendeten impliziten Berechnungsverfahrens lässt sich in eine lokale und eine globale Iterationsebene gliedern. Die lokale Iteration am Integrationspunkt dient der Spannungsrückführung. Dabei sind die Besonderheiten der Verarbeitung mehrflächiger Fließfiguren zu beachten. Die globale Iteration auf Systemebene sichert die Umlagerung des Residuums. Mit der Nachrechnung von Versuchsergebnissen soll das entwickelte Modell verifiziert und seine physikalische Leistungsfähigkeit eingeschätzt werden.
The technological processes, schedules, parallel algorithms, etc., having some technological limitations and exacting increases of efficiency of their execution can be described through digraphs, on which the appropriate optimization problem (construction of optimal scheduling of tops of digraph) can be solved. The problems, researched in the given operation, have a generally following statement: The problem 1: Under the given graph G and option value h to construct parallel scheduling of tops of digraph of minimum length. Let's designate the problem S(G, h, l). The problem 2: Under the given graph G and option value l to construct parallel scheduling of tops of digraph of minimum width. Let's designate the problem S(G, l, h). The problem 3: Under the given graph G, option value h and periods of execution of operations di, i=1, …, n to construct parallel scheduling of tops of digraph of minimum length. Let's designate the problem S(G, h, di, l). The problems 1,2,3 in a case when h-arbitrary have exponential complexity. In operation the method of solution of the problem S(T, h, di, l) is offered on the basis of choice of tops having greatest weight. The approach to solution of the problem S(G, 3, l) is offered, where G the graph satisfying property : S[i] =S [i], i=1, …, l. For obtaining a rating of width of scheduling on an available estimator of length, we offer to use iterative algorithm of polynomial complexity, on which each step the current value of width of scheduling is set, which is used for specification of length of scheduling.
Numerische Approximation makroskopischer Verkehrsmodelle mit der Methode der Finiten Elemente
(2000)
Makroskopische Verkehrsmodelle sind ein wesentliches Hilfsmittel bei der Beurteilung und Steuerung von Verkehrsflüssen auf Hauptverkehrsadern. Für die notwendige Beeinflussung des Verkehrsablaufs werden Online-Messungen und prognostische numerische Simulationen benötigt. Für die Simulationen bieten sich makroskopische Verkehrsmodelle an, die den Verkehr als kontinuierliche Fahrzeugströmeabbilden. Aufgrund der Analogie zu den Modellen der Strömungsmechanik lassen sich die numerischen Verfahren aus diesem Bereich auch zur Lösung makroskopischer Verkehrsmodelle verwenden. Es wird eine Finite-Elemente-Approximation für die numerische Umsetzung makroskopischer Verkehrsmodelle vorgestellt. Exemplarisch wird sie am Verkehrsmodell von Kerner und Konhäuser erläutert. Dieses und andere makroskopische Verkehrsmodelle wurden bisher mit der Methode der Finiten Differenzen gelöst. Die vorgestellte Approximation entspricht einem Petrov-Galerkin-Verfahren, bei dem der Fehler eines Standard-Galerkin-Verfahrens mit Hilfe eines Upwinding-Koeffizienten minimiert wird. Die Wahl des Upwinding-Koeffizienten ist übertragbar und basiert ausschließlich auf dem Charakter der zugrundeliegenden Gleichungen. Die Ergebnisse zeigen typische Phänomene eines Verkehrsablaufs wie die Entstehung von Stop-and-Go-Wellen oder Staus. Die Finite-Elemente-Methode erweist sich für unter-schiedlichste Verkehrsmodelle als ausgesprochen stabil.
This study aims at constructing the simulation system of distribution patterns of solar irradiance, sunshine duration and sky factor with the user-friendly interface and sharing this system with users on the Internet. The characteristics of this simulation system are as follows: (1) Web-based user interface, (2) Accessible system through the Internet and (3) Sunlight and skylight simulation based on physically accurate equations with considering various sky conditions and the reflection from the surface of objects. As a case study, impact of the development plans are analyzed and evaluated using this system. Solar irradiance, sunshine duration and sky factor are calculated at the surface of the buildings and open spaces every 10 minutes from 8 to 16 on the winter solstice. The values of these indices are expressed as the ratio to those calculated under the condition with no buildings. In conclusion, this web-based simulation system can be useful for visualizing the sunlight and skylight conditions on outdoor open spaces and the surface of the buildings to evaluate development plans objectively. Users can make access to the system from almost all of the computers connected with the Internet and modify parameters by themselves to get desirable results. Further improvement of the user interface is necessary using more advanced technology of CGI, Java and JavaScript.
The availability of the WWW technology and the introduction of the Internet as basic resource like water, electricity or gas changes dramatically normal live, business and of course civil engineering. New technologies enable innovative technical solutions and offer new potential for improvements towards support of humans nature appropriate ways of working. This demands a new culture of work and collaboration. To contribute to theses challenges is a matter the discipline 'Bauinformatik' by supporting related research, development, education and training in civil engineering. This contribution to the IKM Conference 2000 in Weimar sketches selected research and education activities of the institutes of the authors on the topics of WWW based simulation systems (example WEASEL) and of WWW based project platforms (projects MorWin and TaiGer as well as an European education experiment). Both topics supports the collaboration by new ways of tele cooperation in international, heterogeneous and interdisciplinary engineering. Demonstration from this developments and projects will be used to illustrate the dimension of changes in civil engineering in due to modern ICT.
Die fachlichen Grundlagen der Aufgaben, die in einem Bauunternehmen zu bearbeiten sind, wurden in verschiedenen Disziplinen entwickelt. Maßgeblich waren der Baubetrieb und die Betriebswirtschaftslehre. Die parallele Entwicklung hat jedoch dazu geführt, dass grundlegende Begriff und Verfahren zwischen den Disziplinen nicht aufeinander abgestimmt sind. Die verschiedenen Aufgaben beeinflussen jedoch einander. Innerhalb der jeweiligen Disziplin wurden Informationssysteme entwickelt, mit denen sich die Aufgaben aus der jeweiligen Disziplin bearbeiten lassen. Zur Verbindung der "verschiedenen Welten" existieren zwar ausgewählte Schnittstellen, eine durchgängige verteilte Bearbeitung der verschiedenen Aufgaben wird jedoch noch nicht umfassend unterstützt. Im vorliegenden Beitrag wird ein Vorgehen vorgestellt, auf dessen Grundlage eine verteilte Bearbeitung der fachgebietsübergreifenden Aufgaben erfolgen kann. Das Vorgehen beruht auf der Modellierung der Prozesse sowie der zur Bearbeitung der als Bestandteil der Prozesse spezifizierten Aufgaben benötigten Informationen. Dieses Modell wird auf der Grundlage der Mengenlehre mit einem entsprechenden Werkzeug aufgebaut. Die Spezifikation der Informationen wird genutzt, um Datenbankschemata zu generieren, die Spezifikation der Aufgaben wird genutzt, um Werkzeuge zur Bearbeitung zu identifizieren. Diese Werkzeuge sind in Java als Applets implementiert und können über entsprechende Treiber auf die Datenbanken zugreifen. Das Prozessmodell wird in einem nächsten Schritt erweitert. Personen werden eingeführt. Diesen Personen werden Aufgaben zugewiesen, deren Bearbeitung sie ausführen sollen. Auf der Grundlage des erweiterten Prozessmodells werden die Applets, die eine Person benötigt, auf einer entsprechenden Internet-Seite zusammengestellt. Damit kann projektspezifisch ein Informationssystem zusammengestellt werden, das eine verteilte Bearbeitung der verschiedenartigen Aufgaben unterstützt.
Model of stressed-strained State of Multilayer Masses with regard for Non-Ideal Contact of Layers
(1997)
Thus, mathematical model stressed- strained of a condition of layered masses is constructed. The model has high accuracy. It allows to simulate slippery contact of layers without friction. Thus not the order of permitting system of the equations is increased, and at its realization the method of fenite elements does not increase quantity of required degrees freedom. The differential operators included in system the equations are similar known in the classical theory of shells. It facilitates construction of a finite element. Presence in system of the differential equations of derivative of external forces allows to use her for the decision of contact problems with a stain of contact commensurable with thickness of a masses.
The effectiveness of working processes accomplished by various technological machines to a large extend depends on working quality of supply, transporting and orientating mechanisms which are very often produced as positional hydro-mechanical systems. The choice of their best type and regimes of work requires construction and analysis of models of their optimum steering which are complicated by nonlinearness, multy-criterialness of problem and also by occasional outbreaks of parameters and moments of steering regime changing. It was developed the common structure of such systems allowing within common scheme to vary the complexity degree of PHMS and the methods of inhibitory efforts supplement. For some systems which are complicated in series (from two-measured linear system to nine-measured non-linear) puzzles of the most fast zero-ambit getting are solved and two-criterial problems are analyzed. (T-min-speed, Z(T)- accuracy). There are suggested the computing procedures of optimum PHMS synthesis. The effectiveness of accepted methods of solving is asserted by the analogy of the results of gradually complicated models investigation and by their good analogy with the natural experiment. It was exposed the sense of heuristic methods of improving of approximately optimum steering, their elaboration on the base of theoretical models. The basic methods of optimum PGMS construction were also nominated.
The purpose of this paper is to review model for finite element techniques for non-linear crack analysis of reinforced concrete beams and slabs. The non-linear behaviour of concrete and steel were described. Some calculations of >self-stress< for concrete and reinforced concrete beam was made. Current computational aspects are discussed. Several remarks for future studies are also given. The numerical model of the concrete and reinforced concrete was described. The paper shows the results of calculations on a reinforced concrete plane stress panel with cracks. The non-linear, numerical model of calculations of reinforced concrete was assumed. Using finite elements method some calculations were made. The results of calculations like displacements, stresses and cracking are shown on diagrams. They were compared with experimental results and other finding. Some conclusions about the described model and results of calculation are shown.
In the given paper the generalized formulation of the problem of computer modelling of the complex-composite structure interaction with different types of dynamic loads and effects is discussed. Here the analysis is given as for the usage of some universal computing systems for the solution of such problems. Also if is shown that the quantification of the dynamic models of the complex-composite systems with the variable structure, depending on the character and intensivity of the effects, is necessary. The different variants of the joint and the space structure element modelling are gested. It allows to consider the complex modes of the joint bending-torsional oscillations of such structures as bridges, towers, high-rise buildings. The peculiarities of the modelling and testing of some problems of the objects aerodynamics and the interaction of the frameworks constructions with shock and movable loads are considered. In this paper the examples of the complex-composite structure dynamic analysis are shown. It is achieved by means of some special methods of the input of the real inducements and loads of the exploitated analog-object into the computing model. The suggested models found a wide use both at the design of new structures and the dynamic monitoring of the exploitated structures.
There is an increasing need for 3D building extraction from aerial images for various applications such astown planning, environmental- and property-related studies. Aerial images usually reveal on one hand a certain amount of information not relevant for the given task of building extraction like vegetation, cars etc. On the other hand there is a loss of relevant information due to occlusions, low contrasts or disadvantageous perspectives. Therefore a promising concept for automated building reconstruction must incorporate a suffciantly complete model of the objects of interest. We propose a model-based approach to 3D building extraction from aerial images which reveals a tight coupling between a generic 3D object model and an explicit 2D image model. The generic object model employes domain specific volumetric primitives (i. e. building part models) and combination schemes. To cover the gap between 3D object models and 2D image data the image model is employed to predict the projective building appearences in aerial images. We present a strategy for a model-based building extraction based on the recognition-by-components principle and show first experimental results derived from international test sets
Essence of service unreliability on account of irregularity has been given. The reasons of occurance of overcrowded vehicles have been listed. The factor of service unreliability on account of irregularity has been determined. It is probability of the event, that the passenger finds departing vehicle fully filled, i.e. when all places seating and standing are occupied or condition of the travel, which would be not acceptable for passenger. Large dispersion of headways (i.e. irregularity) increases probability of such situations. To calculate the mentioned factor, the computer simulation was used. Both, passenger arrivals and vehicle operation have been modelled as stochastic interacted processes. Distributions of headways and passenger arrivals have been fixed by statistical methods. The >maximal capacity< of a vehicle has been determined. The set of parameters values for simulation runs has been given. The transformed results of computer simulation are series of nomographs for determination of a factor value. They were prepared for many types of trams and city buses, but only one nomograph has been presented. Difficulties in verification of model were discussed. Recommendations for rational utilisation level of public transport means capacity in the condition of randomness of passenger arrivals and disturbances in vehicle operation have been proposed. The other possibilities of service unreliability have been mentioned. General conclusions have been given
Die Zielstellung der ModalSplitBetrachtungen läuft darauf hinaus, Entscheidungs-kriterien zu erarbeiten, nach denen die einzelnen Personen ihre Verkehrsmittel auswählen. In dieser Veröffentlichung wurden alle drei Gruppen der Modelle (klassische, verhaltensorientierte und der Analyse) der Verkehrsaufteilung kurz charakterisiert. Dann wurden vier ausgewählte Modelle genauer beschrieben. Zum Schluß wird das Modell der Verkehrsmittelwahl dargestellt , das für die Untersuchung der Verkehrsaufteilung in Krakau verwendet wurde .
A Product Model of a Road
(1997)
Many errors and delays frequently appear when data is exchanged between particular tasks in the lifecycle of the road. Inter-task connections are therefore of great importance for the quality of the final product. The article describes a product model of a road wich is the kernel of an integrated information system intended to support all important stages of the road lifecycle: design, evaluation (through different analysis procedures), construction, and maintainance. Since particular tasks are often executed at different places and in different companies, the interconnections are supported by a special metafile which contains all specific data of the product model. The concept of the integrated system is object and component oriented. Additionally, existing conventional program packages are included to support some common tasks (methods). A conventional relational database system as well as an open spatial database system with the relevant GIS functionality are included to support the data structures of the model.
Objektorientierte Modellierungstechniken werden gegenwärtig vor allem Entwicklern von CAD-Systemen angeboten. Sie erzeugen über die Schritte OO-Modellanalyse und OO-Softwaredesign OO-Programme, die mit ihrer Compilation das durch den Softwareingenieur gefundene Modell festschreiben. Generell, aber insbesondere im Bauwerksdesign, ist dieses Vorgehen unbefriedigend, da hier eine Normung von Modellen nicht gelingt, der Entwurfsprozeß vergleichsweise lang ist und eine Kooperation von Ingenieurgewerken mit verschiedenen Modelldomänen die Regel sind. Darüber hinaus weisen die Modelle in frühen Phasen ein hohes Maß an Unschärfe und Abstraktion auf. CAD-Tools, die diese Phasen unterstützen, benötigen deshalb: statt eines genormten Produktmodells ein einheitliches, kognitiv begründetes Modellstrukturierungsparadigma, für das mit der Objektorientierung eine mögliche Ausprägung gegeben ist, ein explizites, verfügbares Domänenmodell zur fortwährenden Interpretation von Bauwerksmodellen, deskriptive Elemente, die die Interpretation von Objekten und Attributen erleichtern, ein Konzept zur Behandlung von Unschärfe und Abstraktion. Hieraus ergeben sich für die Entwicklung von CAD-Systemen folgende Forderungen : Explizite Verfügbarkeit von Klassenobjekten und deren Erzeugung und Veränderung zur Laufzeit, Vererbung auf Klassen- und Instanzniveau, Erweiterte Attributkonzepte (Facetten), Unterstützung der Aggregation als einer wesentlichen Modellstrukturierungsrelation, Verfügbarkeit von OO-Schnittstellen zum Aufbau von CAD-Systemen aus Tools einerseits, sowie zur Trennung von Modellverwaltung und Modellrepräsentation andererseits. Als ein herausragendes Merkmal des Objektorientierten Paradigmas wird die Anwendungsnähe genannt, da Erscheinungen der behandelten Domäne sich analog in Modellen und Programmen wiederfinden (sollen). Unter der Grundannahme, daß dieses Paradigma auch durch den Anwender zur Erstellung seiner Modellwelten verwendet wird, will FLEXOB eine homogene Umgebung schaffen, die die Modellwelt des Softwareingenieurs zu Analysezwecken dem Anwender zur Verfügung stellt und die die Erweiterung dieser Modellwelt auf deskriptivem Niveau ermöglicht. Das Tool FLEXOB und einige wesentliche Implementationsdetails werden im Beitrag vorgestellt. Es handelt sich bei diesem Tools um eine C++ Klassenbibliothek, die entweder als Objektmodul oder als Windows-DLL verwendet werden kann. Aspekte des Nutzungsregimes solch flexibler Modellverwaltungen werden im Beitrag ebenfalls angespochen.
Für die Gestaltung einer durchgängigen Unterstützung des Entwurfsprozesses stehen gegenwärtig deskriptive Modelle der Entwurfsobjekte im Mittelpunkt der Untersuchungen. Diese Modelle gestatten das Ableiten von Repräsentationen sowie eine Weitergabe von Entwurfsergebnissen. Pragmatische Gliederungen des Entwurfsprozesses unterteilen diesen nach organisatorischen und betriebswirtschaftlichen Aspekten (Planbarkeit und Abrechenbarkeit) in eine Sequenz von Entwurfsphasen (HOAI). Diese Gliederungen berücksichtigen nicht das WIE des eigentlichen modellkreierenden Schaffensprozesses. Für ein echtes CADesign bildet dessen Klärung jedoch die erforderliche Voraussetzung. Im Beitrag wird dazu von einem vereinheitlichten Set generischer Entwurfsaktionen ausgegangen. Auch dann, wenn die verschiedenen Entwurfsphasen und die Entwurfshandlungen der einzelnen Ingenieurgewerke mit spezifische Entwurfsmodellen verbunden werden, besteht damit eine Grundlage zur methodischen Fundierung entsprechender CAD-Tools. Die methodische Verfahrensweise ähnelt der, die in Form von Styleguides zur Gestaltung von 'Graphical User Interfaces' vorgeschlagen wird. Wesentliche praktische Benutzungen solche Basisaktivitäten ergeben sich für: die Systematisierung computergestützter Entwurfshandlungen, insbesondere durch Erweiterung des deskriptiven um ein operationales Modell sowie deren erweiterte Interpretierbarkeit die Erzeugung wissensbasierter Werkzeuge zur automatischen Modellgenerierung/-konfiguration die Implementation von leistungsfähigen UNDO- bzw. TMS-Mechanismen.
Moderne Bemessungskonzepte für seismisch beanspruchte Hochbauten, wie die Methode der Kapazitäts-bemessung, planen inelastisches Verhalten einzelner Bereiche der Konstruktion beim Entwurf bewußt ein, um so einen Teil der durch das Beben eingetragenen Energie als inelastische Formänderungsarbeit zu absorbieren. Wird bei Akzeptanz inelastischen Verhaltens eine bestimmte Belastungsintensität, die als adaptive Grenzlast oder Einspiellast bezeichnet wird, überschritten, kann es infolge zyklischer Einwirkungen zu einer unbe-grenzten Akkumulation inelastischer Deformationen kommen. Die adaptive Grenzlast stellt damit für zyklische Einwirkungen eine geeignete Kenngröße zur Bewertung der Tragwerksqualität dar, bei der neben der Sicherung des Gleichgewichts ein bestimmtes Schädigungsniveau nicht überschritten wird. Im vorliegenden Beitrag werden die Grundzüge eines Bemessungs- und Nachweiskonzeptes für seismisch beanspruchte Stahlbetontragwerke, das unter Einbeziehung der Grundprinzipe der Kapazitätsbemessung von einem einheitlichen Kriterium zur Beschreibung des Grenzzustandes der Tragfähigkeit auf der Basis der adaptive Grenzlast ausgeht, vorgestellt. Dabei ist die Abschätzung der Verformungen notwendiger Bestandteil des Nachweis- bzw. Bemessungskonzeptes. Bei Druckgliedern ist die Berücksichtigung des Einflusses der Verformungen notwendiger Bestandteil des Bemessungskonzeptes. Entsprechende Erweiterungen der Berechnungsmodelle zur Berücksichtigung des Einflusses geometrisch nichtlinearer Effekte im Sinne einer Theorie II. Ordnung werden vorgestellt.
The dynamic behaviour of shells, which are widely used in construction and mechanical engineering as critical components of machinery and 3-D structures, under static and dynamic loadings is described by system of deep nonlinear differential equations. Solution of these equations can be received with assistance of technique basing on a modern numerical algorithms and computer modeling.. The system of nonlinear differential equations of vibration of the shells is proposed taking into account the inertia forces in the tangential and normal directions. Its solution is based on combination of parameter prolongation method, finite-difference method and the Newton-Kantorovich iterative algorithm that allows plotting the loading trajectories and determination of bifurcation points on them. Package of Applied Programs >SEVSOR< is a computation means to be used in research of deformation, stability and vibration in thin axically-symmetric shells of complicated shape Input data include information on shell geometry, physical and mechanical properties, bearing conditions, types of loadings and load application. Frame output of motion forms in real time or either in decelerated or accelerated time scales for creating cartoons or video films is used for analysis of the compound dynamic processes in shell-type structures.
Die Aufgaben des Bauingenieurwesens sind dadurch geprägt, daß sowohl die Planung als auch die Ausführung von Bauwerken häufigen Änderungen unterliegen. Beschreibt man das Verhalten der Bauwerke und den Bauprozeß im Computer mit Modellen, so ändern sich Umfang und Struktur der Modelle als Folge der Änderung in Planung und Ausführung. Diesen Vorgang nennt man Dynamisierung des Modells. Die Dynamisierung führt zu Veränderungen und Inkonsistenzen in den Modellen der Anwendungen. Die Aktualisierung und Abstimmung von Beziehungen innerhalb eines Modells sowie die Sicherung der Konsistenz der Modelle untereinander sind daher von zentraler Bedeutung für die Lösung von Bauingenieuraufgaben. Seit den letzten 10 Jahren wird die objektorientierte Methode in der Modellierung für Anwendungen im Bauingenieurwesen intensiv entwickelt und eingesetzt. Es hat sich gezeigt, daß die Anwendung dieser Methode in wichtigen Bereichen der Modellierung zu Verbesserungen führt. Gleichzeitig hat sich aber auch herausgestellt, daß die für das Bauingenieurwesen wichtigen Aspekte der Aktualisierung und der Konsistenz nicht zweckmäßig beschreibbar sind. In diesem Beitrag wird eine einfache Modelliermethode in ihrem Konzept und ihrer Realisierung gezeigt, mit der sich die Aktualisierung von Objekten und Modellen sowie die Sicherstellung der Konsistenz in Systemen des Bauingenieurwesens bearbeiten lassen.
Detailuntersuchungen an Tragwerken führen bei FE-Berechnungen immer wieder auf das Problem einer geeigneten Netzgestaltung. Während in weiten Bereichen ein grobes Netz ausreicht, muß an kritischen Stellen ein sehr feines Netz gewählt werden, um gerade dort hinreichend genaue Ergebnisse zu erhalten. Bei der Realisierung lokaler Netzverdichtungen stellt die Gestaltung des Übergangs vom groben zum feinen Netz das Hauptproblem dar. Im Beitrag wird hierzu eine Familie von FE-Übergangselementen vorgestellt, mit denen sich eine voll-kompatible Kopplung von wenigen großen Elementen mit vielen kleinen Elementen bereits über nur eine Stufe erzielen läßt. Diese neu entwickelten sogenannten pNh-Elemente ermöglichen an einer oder mehreren Seiten den Anschluß von N kleineren Elementen (Elementseiten für h-Verfeinerung). Das wird durch N stückweise definierte Ansatzfunktionen an den entsprechenden Seiten erreicht, wobei die Teilung nicht äquidistant sein braucht. Darüber hinaus ist es möglich, Elemente unterschiedlichen Polynomgrades p an den Standardseiten und den Verfeinerungsseiten anzuschließen. Der praktische Einsatz der Übergangselemente setzt geeignete automatische oder halbautomatische Netzgeneratoren voraus, die diese Elemente einbeziehen. Im Rahmen einer substrukturorientierten Modellierung läßt sich dies besonders günstig realisieren. Im Beitrag wird gezeigt, wie durch Zerlegung des Gesamtmodells in Bereiche mit grobem Netz, mit Übergangsnetz und mit feinem Netz, eine effektive Generierung der Netzverdichtungen zu erreichen ist. An einem praktischen Beispiel aus dem Bauingenieurwesen werden die Vorteile des vorgestellten Übergangselementkonzeptes umfassend demonstriert.
Am Fraunhofer ISE wurde in den letzten Jahren die Simulationsumgebung ColSim entwickelt, die sich speziell zur Untersuchung von Regelungssystemen in Gebäudeenergieversorgungssystemen eignet. Zielsetzung des Designs ist die Umsetzung des simulationsbasierten Regelungsentwurfs, der einen unmittelbaren Einsatz der Regelungsmodule auf sog. Enbedded Systems gestattet. Das Simulationswerkzeug zeichnet sich durch die modulare offene Struktur aus, die eine flexible Erweiterung ermöglicht (vgl. TRNSYS [1]). Die Implementierung erfolgte im genormten ANSI-C Code, der einen plattform- unabhänigen Einsatz gewährleistet. Entwicklungsplattform stellt derzeit ein Linux Cluster dar, als Zielplattform wurden bisher sowohl eingebettete Industrie-PCs wie auch klassische Micro- controller Boards verwendet. Die Entwurfsmethode wird anhand einer Systemregelung für eine solarthermische Anlage mit 120m2 Kollektorfläche (SolarThermie2000 Anlage) demonstriert, bei der ein vernetztes Regelungssystem mit Internet-Integration zum Einsatz kommt. Das Regelungssystem verfügt seinerseits über ein Betriebssystem (schlankes embedded linux system), das die Kommunikation nach aussen gestattet. Das Regelungssystem vefügt somit über Klima- bzw Strahlungsdaten, die für den Regelungsprozess von Bedeutung sind. Die externen Informationen können einerseits zur >Einsparung< von Sensorik genutzt werden, andererseits gestatten sie den Einsatz von prädiktiver Regelungsmethodik, um den fossilen (Nachheiz-) Energieeinsatz zu minimieren. Mit Hilfe von simulationstechnischen Systemstudien kann ein adaptives Verhalten des Regelungssystems erprobt werden, das eine selbstständige Strecken- identifikation realieren kann. Beispielsweise soll beim näher beschriebenen solarthermischen System die Totzeit bestimmt werden, die sich infolge der Verrohrung zwischen Speicher und Entladegruppe ergibt. Der Betrieb der Entlade- pumpe wird einerseits in Abhängigkeit der Verfügbarkeit des Pufferwassers erfolgen, andererseits in Abhängigkeit des erwarteten Zapfvolumens durch den Verbraucher. Die vernetzten Regelungssysteme, die auf Basis der Simulationsmodelle ent- wickelt werden, sollen künftig die gesamte Energieflußanalyse des Gebäudes realisieren, wobei eine transparente Darstellung des Systemverhaltens auf Basis einer Internet Visualisierung erfolgt. Der Betreiber und Nutzer wird unmittel- bar durch die Online Dienste (SMS,Email,Fax) über das (fehlerhafte) Anlagen- verhalten informiert. Gerade die sensitiven regenerativen Systeme neigen durch ihre Komplexität zu Störungen, die oftmals nicht erkannt werden, weil die konventionellen Teilsysteme (z.B. Ergasbrenner) den Ausfall in der Regel >kompensieren<.
Die digitale Unterstützung der Planungsprozesse ist ein aktueller Forschungs- und Arbeitsschwerpunkt der Professur Informatik in der Architektur (InfAR) und der Juniorprofessur Architekturinformatik der Fakultät Architektur an der Bauhaus-Universität Weimar. Verankert in dem DFG Sonderforschungsbereich 524 >Werkzeuge und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bauwerken< entstehen Konzepte und Prototypen für eine fachlich orientierte Planungsunterstützung. Als ein Teilaspekt wird in diesem Beitrag gezeigt, wie das Handaufmaß unter Einsatz modernen taktiler Erfassungsmethoden eine ganz neue Bedeutung für die Datenerfassung gewinnen kann. Das Potenzial der verschiedenen Verfahren zur Koordinatenbestimmung mit taktilen Werkzeugen wird evaluiert. Daraus wird eine Strategie entwickelt, die für die unterschiedlichen Notwendigkeiten im Planungsfortschritt den optimierten Einsatz der taktilen Erfassung in Kombination mit klassischen Erfassungsmethoden aufzeigt. Die Realisierbarkeit eines derartigen Konzeptes wird durch Fallstudien und mögliche Ablaufszenarien für einzelne Verfahren nachgewiesen. Durch die Integration taktiler Messverfahren in die Bestandserfassung kann erreicht werden, dass - relevante (Geometrie-) Informationen in ein umfassendes Bauwerksmodell integriert werden können, - die Bauaufnahme wieder im direkten Kontakt zum Bauaufnahmeobjekt erfolgen kann und - die Verfahren so einfach und leicht von allen Beteiligten eingesetzt werden können, um die Bauaufnahme und die Planung wieder miteinander zu verzahnen.
It has been shown that symmetries of moment functions of stochastic processes play an important role in identification of systems. They provide the group-theoretic method of choice of the model structure and model parameters. In the first stage the group-theoretic analysis of some fundamental concepts of stochastic dynamics: stochastic processes and functional series of Volterra-Wiener type has been undertaken. The analysis of group representations of the moment functions of order m for stochastic processes is the basic, original concept of the work. The following groups: symmetric Sm, special affine SAff(m), general linear GL(n, R), GL(n,C) and their subgroups play the main role in the models. In the second stage the informational entropy has been introduced as a measure of the randomness in the identified models. The group-theoretic approach underlines the unity of the nonlinear system identification and leads to useful engineering results in the range of the second-order (stochastic) theory.
In den zurückliegenden Jahren wurden an der Professur Massivbau I umfangreiche Untersuchungen zur Modellbildung und rechnerischen Erfassung des Tragverhaltens von Tragwerken und Tragwerkselementen aus Stahlbeton und Spannbeton unter Berücksichtigung von Rißbildungen und Plastizierungen durchgeführt. Diesen Untersuchungen liegt als einheitliches methodisches Konzept der mathematischen Problembeschreibung und Problemlösung die mathematische Optimierung zugrunde. Bereits anläßlich des IKM 1994 [1] hatte der Verfasser Gelegenheit, zusammenfassend über Ergebnisse bei der Anwendung der mathematischen Optimierung im Bereich der nichtlinearen Tragwerksanalyse zu berichten. Der vorliegende Beitrag, soll einen Überblick über seitdem untersuchte Problemkreise und dabei gewonnene Ergebnisse und Erfahrungen vermitteln. Bei der Anwendung der linearen und quadratischen Optimierung sind wegen der geforderten Linearität der Nebenbedingungen Vereinfachungen bei der Modellbildung des stahlbetonspezifischen Tragverhaltens unumgänglich. Besonders betroffen sind die Ansätze zur Beschreibungen des Materialverhaltens. Durch den Einsatz allgemeiner nichtlinearer mathematischer Optimierungsmethoden lässt sich eine methodisch bedingte Linearisierung des Berechnungsmodells umgehen....
The subject of this talk is the problem of surface design based upon a mesh that may contain both triangular and quadrangular domains. We investigate the cases when such a combined mesh occurs more preferable for bivariate data interpolation than a pure triangulation. First we describe a modification of the well-known flipping algorithm that constructs a locally optimal combined mesh with a predefined quality criterion. Then we introduce two quality measures for triangular and quadrangular domains and present the results of a computational experiment that compares integral interpolation errors and errors in gradients caused by the piecewise surface models produced by the flipping algorithm with the introduced quality measures. The experiment shows that triangular meshes with the Delaunay quality measure provide better interpolation accuracy only if the interpolated function is strictly convex, as well as a saddle-shaped function is better interpolated by bilinear patches within a combined mesh. For a randomly shaped function combined meshes demonstrate smaller error values and better stability in compare with pure triangulations. At the end we consider other resources for mesh improvement, such as excluding >bad< points from the input set for the mesh generating procedure. Because the function values at these points should not be lost, some linear or bilinear patches are replaced by nonlinear patches that pass through the excluded points.
Die digitale Unterstützung der Planungsprozesse ist ein aktueller Forschungs- und Arbeitsschwerpunkt der Professur Informatik in der Architektur (InfAR) und der Juniorprofessur Architekturinformatik der Fakultät Architektur an der Bauhaus-Universität Weimar. Verankert in dem DFG Sonderforschungsbereich 524 >Werkzeuge und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bauwerken< entstehen Konzepte und Prototypen für eine fachlich orientierte Planungsunterstützung. Als ein Teilaspekt wird in diesem Beitrag die Vision eines mitwachsenden Geometriemodells für das computergestützte Bauaufmaß gezeigt, welches den Aufnehmenden von der Erstbegehung an begleitet. Die bei jeder Phase der Bauaufnahme gewonnenen Geometrieinformationen sollen in den anschließenden Phasen wiederverwendet, konkretisiert bzw. korrigiert werden. Aufmaßtechniken und Geometriemodell sind dabei eng gekoppelt. Verschiedene Sichten auf ein gemeinsames Geometriemodell haben zum Ziel, den Nutzer die Vorteile planarer Abbildungen nutzen zu lassen, ohne die dreidimensionale Übersicht zu verlieren oder entsprechende räumliche Manipulationen zu missen. Das Geometriemodell ist dabei in ein dynamisches Bauwerksmodell eingebettet. Der folgende Beitrag bezieht sich auf die Bauaufnahme mit folgenden Vorgaben: - die Bauaufnahme dient der Vorbereitung der Bauplanung im Bestand - es wird nur eine Genauigkeitsstufe (im Bereich von +/- 10 cm) unterstützt - die Geometrieabbildung des aufzunehmenden Bauwerkes beruht ausschließlich auf ebenen Oberflächen
Die Bewirtschaftung von Grundwasser umfasst zum einen die Nutzungserfordernisse und Versorgungsbedürfnisse und zum andern den Schutz des Grundwassers als Bestandteil des Naturhaushaltes. Die Verwendung von Informations- und Kommunikationsmethoden zur numerischen Grundwassermodellierung und zur Verwaltung von großflächigen qualitativen und quantitativen Grundwasserinformationen eröffnen die Möglichkeit einer nachhaltigen wasserwirtschaftlichen Planung sowie einer gezielten Steuerung der Auswirkungen von Grundwasserentnahmen und -versickerungen. Im Rahmen des Pilotprojektes Grundwasser-Online im Hessischen Ried (www.grundwasser-online.de) wurden gezielt die Arbeitsabläufe bei der Erfassung der Daten zur Grundwasserbewirtschaftung sowie der anschließenden Verarbeitung analysiert, bewertet und software-technisch umgesetzt. Ein wichtiger Aspekt dabei ist die Datenerfassung an den räumlich verteilten Grundwassermessstellen. Der vorliegende Beitrag zeigt auf, wie mobile EDV Geräte mit einer geeigneten Software die Arbeitsabläufe beim Einsatz vor Ort effizienter gestalten und die Einhaltung der Messvorgaben unterstützen können. Durch die Minimierung von Fehlerquellen kann dabei eine Qualitätsverbesserung des Datenbestandes erreicht werden. Es wird ein Konzept zur mobilen Erfassung von Grundwasserdaten unter Verwendung von GPS-Positionsdaten und Plausibilitätsprüfungen vorgestellt. Die Technologien und Herausforderungen bei der prototypischen Umsetzung werden aufgezeigt.
Physikalisch nichtlineare Analyse von Aussteifungssystemen unter Einbeziehung von Lastfolgeeffekten
(2003)
Die physikalisch nichtlineare Analyse von Stahlbetontragwerken unter Berücksichtigung des Einspielverhaltens (adaptives Tragverhalten) mit Methoden der mathematischen Optimierung ist seit Jahren Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten am Lehrstuhl Massivbau I der Bauhaus-Universität Weimar. Die dabei entwickelten Modelle und Algorithmen werden im folgenden Beitrag exemplarisch auf die Untersuchung von Aussteifungssystemen in Großtafelbauweise angewendet. Da bei diesen Gebäuden die aussteifende Konstruktion aus zusammengesetzten großformatigen Betonfertigteilen besteht, wird das Gesamttragverhalten maßgebend durch das Fugentragverhalten bestimmt. Die physikalische Nichtlinearität wird durch das Aufreißen der unbewehrten Horizontalfugen und den verschieblichen Verbund in den Vertikalfugen charakterisiert und entsprechend im Berechnungsmodell berücksichtigt. Beispielrechnungen belegen, dass für die beschriebenen Aussteifungssysteme signifikante Spannungsumlagerungen infolge des nichtlinearen Fugentragverhaltens auftreten. Weiterhin können Lastfolgeeffekte rechnerisch nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu seismisch beanspruchten Systemen, die in kürzester Zeit wiederholt extrem beansprucht werden, ist die Eintrittswahrscheinlichkeit bemessungsrelevanter Windlasten gering.
In this paper we consider modelling of composite material with inclusions where the elastic material properties of both matrix and inclusions are uncertain and vary within prescribed bounds. Such mechanical systems, involving interval uncertainties and modelled by finite element method, can be described by parameter dependent systems of linear interval equations and process variables depending on the system solution. A newly developed hybrid interval approach for solving parametric interval linear systems is applied to the considered model and the results are compared to other interval methods. The hybrid approach provides very sharp bounds for the process variables - element strains and stresses. The sources for overestimation when dealing with interval computations are demonstrated. Based on the element strains and stresses, we introduce a definition for the values of nodal strains and stresses by using a set-theoretic approach.
Die digitale Unterstützung der Planungsprozesse ist ein aktueller Forschungs- und Arbeitsschwerpunkt der Professur Informatik in der Architektur (InfAR) und der Juniorprofessur Architekturinformatik der Fakultät Architektur an der Bauhaus-Universität Weimar. Verankert in dem DFG Sonderforschungsbereich 524 >Werkzeuge und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bauwerken< entstehen Konzepte und Prototypen für eine fachlich orientierte Planungsunterstützung. In dem Beitrag wird ein Konzept und prototypische Realisierung für die durchgängige Unterstützung des gesamten Bauaufnahmeprozesses für Altbausubstanz vorgestellt und diskutiert. Der Fokus liegt auf der frühe Phase in der Bauaufnahme als ein Baustein in einer gesamtheitlichen IT-gestützen Planungsumgebung eingegangen. Durch gezielte Aufnahme planungsrelevanter Parameter und Auswertung hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Wiederverwendbarkeit bzw. der Variantenüberprüfung von Nutungskonzepten, werden gerade in dieser Phase wesentliche Entscheidungen für eine kostengünstige Planung getroffen werden. In der Veröffentlichung wird der Fokus auf folgende Punkte gesetzt: - Strukturierung und Aufnahme der Informationen während der Erstbegehung - Skizzenhafte Abbildung als Basis für die Formulierung erster Entwurfsintensionen/ Variantenuntersuchungen - Navigations- und Informationsumgebung - gezielte Auswertungsmöglichkeiten (bspw. Wirtschaftlichkeitsberechnung, Wiederverwendung von Bauteilen, Kalkulation von Abrissmengen)
In this paper a meshless component is presented, which internally uses the common meshless interpolation technique >Moving Least Squares<. In contrast to usual meshless integration schemes like the cell quadrature and the nodal integration in this study integration zones with triangular geometry spanned by three nodes are used for 2D analysis. The boundary of the structure is defined by boundary nodes, which are similar to finite element nodes. By using the neighborhood relations of the integration zones an efficient search algorithm to detected the nodes in the influence of the integration points was developed. The components are directly coupled with finite elements by using a penalty method. An widely accepted model to describe the fracture behavior of concrete is the >Fictitious Crack Model< which is applied in this study, which differentiates between micro cracks and macro cracks, with and without force transmission over the crack surface, respectively. In this study the crack surface is discretized by node pairs in form of a polygon, which is part of the boundary. To apply the >Fictitious Crack Model< finite interface elements are included between the crack surface nodes. The determination of the maximum principal strain at the crack tip is done by introducing an influence area around the singularity. On a practical example it is shown that the included elements improve the model by the transmission of the surface forces during monotonic loading and by the representation of the contact forces of closed cracks during reverse loading.
Plausibilität im Planungsprozess - Digitale Planungshilfen für die Bebaubarkeit von Grundstücken
(2003)
Die digitale Unterstützung der Planungsprozesse ist ein aktueller Forschungs- und Arbeitsschwerpunkt der Professur Informatik in der Architektur (InfAR) und der Juniorprofessur Architekturinformatik der Fakultät Architektur an der Bauhaus-Universität Weimar. Verankert in dem DFG Sonderforschungsbereich 524 >Werkzeuge und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bauwerken< werden Konzepte und Prototypen für eine fachlich orientierte Planungsunterstützung entwickelt. Die Vielfalt der unterschiedlichen Faktoren, die Einfluss auf den Planungsprozess nehmen können, sowie deren Abhängigkeiten voneinander werden von heutigen Planungssystemen in nur unzureichender Weise aufbereitet und verwaltet. Diese Faktoren bedingen Planungstools, deren Aufgabe die Beschaffung, Verarbeitung, Integration und Verwaltung von Informationen sowie die Veranschaulichung der komplexen Informationszusammenhänge ist. Die Entwicklung solcher Systeme ist technisch möglich. Die Schwierigkeit liegt in der Beschaffung und Strukturierung der für den Planungsprozess relevanten Informationen sowie in ihrer Aufbereitung und Integration in eine digitale Planungsumgebung. Das Bestreben des Forschungsprojektes ist es, Grundlagen für digitale Werkzeuge zu entwickeln die zu plausiblen Lösungen im Planungsprozess und somit zu erhöhter Planungssicherheit für die am Bau beteiligten Auftragnehmer und Auftraggeber führen. Es wird angestrebt Programm-Module zu entwickeln, die den Planer bei der Ermittlung von Lösungswegen zu einer Fachfrage inhaltlich unterstützen und die Nachvollziehbarkeit und Richtigkeit einer Planungsentscheidung gewährleisten und plausibel darlegen. Mit Hilfe der Module sollen Entscheidungsfindungen katalysiert werden. Die Bauvorhaben der Zukunft werden zu einem großen Teil im Bestand liegen. Dieses Faktum erfordert planerische Maßnahmen, für die vollends Werkzeuge und Hilfsmittel fehlen, die zu plausiblen und sicheren Planungsentscheidungen führen. Die Entwicklung solcher Hilfsmittel ist Ziel dieser Forschung. Der Beitrag stellt prototypische Software-Module vor, die sich mit der Problematik der potenziellen Bebaubarkeit einer Grundstücksfläche auseinander setzen. Die Module verarbeiten Regeln, die den einschlägigen Normen und Verordnungen entnommen sind, die bei der Erarbeitung einer Planungslösung eingehalten werden müssen.
The failure mechanisms of textile reinforced concrete (TRC), which is a composite of bundles of long fibers and fine concrete, are complex. Most important for the ductility is the successive debonding of the fibers from the surrounding matrix when the brittle matrix is cracking. Therefore, one of the main issues is the simulation of the bond behavior between the reinforcement and the matrix. By introducing a hierarchical material model for TRC the mechanical behavior is simulated by means of representative volume elements modelled on the meso scale. Finite element analysis is used to determine the effective properties of TRC within a periodic homogenization framework. Further, a multiscale finite element technique is suggested, where constitutive equation are formulated only on the meso level.
Bei der Gründung von schweren Bauwerken (z.B. Hochhäusern auf Gründungsplatten und pfählen) wird der Lastabtrag in den Baugrund durch eine starke Interaktion zwischen Bauwerk und Baugrund bestimmt. Der Baugrund kann phänomenologisch als Mehrphasenkontinuum beschrieben werden, bei dem die Phasen Feststoff, Flüssigkeit und Gas in mechanische Wechselwirkung treten. Die Wechselwirkung zwischen der Deformation des Feststoffes und der Strömung des Porenwassers spielt unter der Lasteinwirkung des Bauwerks und unter dynamischer Erregung eine zentrale Rolle. Bei komplexen Gründungsverhältnissen können die Deformations- und Spannungszustände realitätsnah nur durch dreidimensionale Modelle erfasst werden. Je nach Baufortschritt stellen sich die Probleme dabei unterschiedlich dar. Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit der für die mit der Simulation mit der Methode der finiten Elemente notwendigen Modellierung und der rechnergestützten Netzgenerierung für die Baugrund-Tragwerk-Strukturen. Bei komplexen dreidimensionalen Gründungskonstruktionen ist eine solche rechnergestützte Diskretisierung mit finiten Elementen zweckmäßig, die das geotechnische System und dessen Randbedingungen und Lasten umfassend beschreiben und verwalten kann. Dafür werden geeignete Software-Werkzeuge vorgestellt, mit denen sich dreidimensionale, zeitabhängige Systeme modellieren und diskretisieren lassen. Die Kontaktproblematik zwischen Baugrund und Tragwerk und die Besonderheiten des Mehrphasenkontinuums stellen besondere Ansprüche an die Diskretisierung. Zudem werden Methoden vorgestellt, die das akkumulierte Gründungsmodell, das sich über den Bauablauf ergibt, verwalten und die verschiedenen Bauzustände in einem dynamischen Modell bereitstellen.
Ein simultanes Lösungsverfahren für Fluid-Struktur-Wechselwirkungen aus dem Bereich des Bauingenieurwesens wird vorgestellt. Die Modellierung der Tragwerksdynamik erfolgt mit der geometrisch nichtlinearen Elastizitätstheorie in total Lagrangescher Formulierung. Die Strömung wird mit den inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben. Wenn Turbulenzeffekte massgeblich sind, kommen die Reynolds-Gleichungen in Verbindung mit dem k-omega-Turbulenzmodell von Wilcox zum Einsatz. Zur Beschreibung von komplexen freien Oberflächen wird die Level-Set-Methode eingesetzt. Die einheitliche Diskretisierung von Fluid und Struktur mit der Raum-Zeit-Finite-Element-Methode führt zu einem konsistenten Berechnungsmodell für das gekoppelte System. Da die isoparametrischen Raum-Zeit-Elemente ihre Geometrie in Zeitrichtung ändern können, erlaubt die Methode eine natürliche Beschreibung des infolge der Strukturbewegung zeitveränderlichen Strömungsgebiets. Die gewichtete Integralformulierung der Kopplungsbedingungen mit globalen Freiwerten für die Interface-Spannungen sichert eine konservative Kopplung von Fluid und Struktur. Ausgewählte Anwendungsbeispiele zeigen die Leistungsfähigkeit der entwickelten Methodik und belegen die guten Konvergenzeigenschaften des simultanen Lösungsverfahrens.
Prädiktive Wärmeflussregelung solaroptimierter Wohngebäude - Thermische Simulation komplexer Gebäude
(2003)
Moderne Wohngebäude heute, besonders aber die der Zukunft, werden sich zu einem großen Teil selbst mit Wärme versorgen. Hierbei spielen Entwicklungen im Bereich der Fassadenkonstruktionen eine zentrale Rolle. Zum erhöhten solaren Wärmeeintrag kommen die Eigenschaften der Wärmespeicherung und verzögerten Wärmeabgabe hinzu. Aufgrund dieser Eigenschaften definiert sich das Gebäudeverhalten neu und komplexer. Im Rahmen der Entwicklungen von Wärmeflussregelungen in solarthermisch beheizten Wohngebäuden mit neuartigen Fassaden wird in diesem Beitrag auf die Modellentwicklung moderner Fassadenkonstruktionen hinsichtlich Transparenter Wärmedämmung und Phasenwechselmaterialien im Wandverbund, kombiniert mit der regelungstechnisch interessanten Neuentwicklung von Verschattungseinrichtungen über schaltbare Schichten am Fenster, eingegangen. Der Beitrag beschreibt den Entwurf eines Regelungskonzeptes für die thermische Raumklimaregelung. Diese Untersuchungen basieren auf komplexen Simulationsmodellen, wobei bei der Modellentwicklung der neuartigen Fassadenelemente auf reale Messwerte zurückgegriffen werden konnte.
Bei der Untersuchung hybrider Strukturen kann eine Kopplung von Modellen unterschiedlicher Modellebenen vorteilhaft sein. Durch selektive Kopplung von Tragwerks- und Querschnittsmodellen in ausgewählten Bereichen der Konstruktion kann z.B. eine Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit erzielt werden. Dadurch werden erweiterte Aussagen über das Querschnittstragverhalten in extrem beanspruchten Teilen des Tragwerks bei optionaler Skalierbarkeit des Modellumfangs möglich. Im Beitrag werden ausgewählte Varianten der Modellbildung gegenübergestellt und bewertet. Hierbei werden Aspekte der physikalischen Nichtlinearität von hybriden Konstruktionen insbesondere von Stahlbetonkonstruktionen berücksichtigt. Die Einbeziehung von Verfahren der mathematischen Optimierung in die Berechnungsstrategie ermöglicht die Lösung der zugrunde liegenden nichtlinearen Problemstellungen unter Vorgabe von Bemessungszielen und unter Beachtung von Grenzzustandsbedingungen.
Poland is not situated in any seismic region of the earth, however there are still areas were underground mining is being conducted. In these areas, so-called 'paraseismic tremors', are very frequent phenomena. In the situation when a building examination is realized in order to define its safety, it is necessary to make a complete analysis, in which an influence of tremors should be included. To decide if a building is able to carry out any dynamic loads or not, it is necessary to compute its dynamic characteristics, i.e. natural frequencies. It is not possible using any standard techniques. After diagnosis a building in situ by an expert, computer techniques together with specialized software for dynamic, static, and strength analyses become a suitable tool. In this paper a special attention was paid to a typical twelve-store WGP (Wroclaw Great Plate) prefabricated building, concerning special type of joints. During dynamic actions these joints have a decisive influence on building's behavior. Paraseismic tremors are especially dangerous for these buildings and can be the reason of pre-failure states. It can be difficult and very expensive to prepare laboratory investigations of the part of a building or of a separate joint; therefore the computer modeling suitable to investigate behavior of such elements and whole buildings under different kinds of loads was used.
The vibration control of complicated mechanical structures is impossible without proper mathematical models that allow to have a true apprehension of events occurring in structural member before the starting of the experiment and correct the diagnostic experiment in case of need. An approach that implies using of a discrete model reflecting all required features of a prototype system and permitting of an effective analytical and numerical investigation is proposed in the work. At first a discrete model of a bladed disk with flaw is considered. Taking into account the symmetry of the structure by utilization of mathematical tools of group presentation theory the number of degrees of freedom of the system is diminished. Small damage of the disk is regarded as perturbation of structure symmetry. The distinction of vibration characteristics such as natural frequencies and mode shapes of damaged and undamaged systems is determined theoretically with the help of perturbation theory and can be used as an effective diagnostic criterion of a small-scale damage of the structure. In the second part of the work a non-linear two-mass model of an acoustic emission in a damaged structure is proposed. On basis of the numerical integration of the nonlinear differential equations and expansion of the derived solution into a Fourier series free and forced vibrations of the model are investigated. It is shown that proposed model reflects all characteristic properties of vibrations of damaged structures: reduction of natural frequency, sub- and super-resonances, acoustic effects.
We present a model derived to describe tunnel fires. The model originates in a compressible description of the air in the tunnel. It takes into account the strong buoyancy forces and at the same time the small Mach-number of the airflow. We comment on the derivation, on analytical results and on numerical simulations of the model. The model has been validated using data from real tunnel fire experiments. It shows good agreement with the real situation.
In current AEC practice client requirements are typically recorded in a building program, which, depending on the building type, covers various aspects from the overall goals, activities and spatial needs to very detailed material and condition requirements. This documentation is used as the starting point of the design process, but as the design progresses, it is usually left aside and changes are made incrementally based on the previous design solution. These incremental small changes can lead to a solution that may no longer meet the original requirements. In addition, design is by nature an iterative process and the proposed solutions often also cause evolution in the client requirements. However, the requirements documentation is usually not updated accordingly. Finding the latest updates and evolution of the requirements from the documentation is very difficult, if not impossible. This process can lead to an end result, which is significantly different from the documented requirements. Some important requirements may not be satisfied, and even if the design process was based on agreed-upon changes in the scope and requirements, differences in the requirements documents and in the completed building can lead to well-justified doubts about the quality of the design and construction process...
Current building product models explicitly represent components, attributes of components, and relationships between components. These designer-focused product models, however, do not represent many of the design conditions that are important for construction, such as component similarity, uniformity, and penetrations. Current design and construction tools offer limited support for detecting these construction-specific design conditions. This paper describes the ontology we developed using the manufacturing concept of features to represent the design conditions that are important for construction. The feature ontology provides the blueprint for the additions and changes needed to transform a standard product model into a constructionspecific product model. The ontology formalizes three classes of features, defines the attributes and functions of each feature type, and represents the relationships between features explicitly. The descriptive semantics of the ontology allows practitioners to represent their varied preferences for naming features, specifying features that result from component intersections and the similarity of components, and grouping features that affect a specific construction domain. A software prototype that implements the ontology enables practitioners to transform designer-focused product models into feature-based product models that represent the construction perspective.
Numerische Berechnung von Mauerwerkstrukturen in homogenen und diskreten Modellierungsstrategien
(2004)
Im Zentrum der Arbeit stehen die Entwicklung, Verifikation, Implementierung und Leistungsfähigkeit numerischer Berechnungsmodelle für Mauerwerk im Rahmen der Kontinuums- und Diskontinuumsmechanik. Makromodelle beschreiben das Mauerwerk als verschmiertes Ersatzkontinuum. Mikromodelle berücksichtigen durch die Modellierung der einzelnen Steine und Fugen die Struktur des Mauerwerkverbandes. Soll darüber hinaus der durch die Querdehnungsinteraktion zwischen Stein und Mörtel hervorgerufene heterogene Spannungszustand im Mauerwerk abgebildet werden, so ist ein detailliertes Mikromodell, welches Steine und Fugen in ihren exakten geometrischen Dimensionen berücksichtigt, erforderlich. Demgegenüber steht die vereinfachte Mikromodellierung, bei der die Fugen mit Hilfe von Kontaktalgorithmen beschrieben werden. Im Rahmen der Makromodellierung werden neue räumliche Materialmodelle für verschiedene ein- und mehrschalige Mauerwerkarten hergeleitet. Die vorgestellten Modelle berücksichtigen die Anisotropie der Steifigkeiten, der Festigkeiten sowie des Ver- und Entfestigungsverhaltens. Die numerische Implementation erfolgt mit Hilfe moderner elastoplastischer Algorithmen im Rahmen der impliziten Finite Element Methode in das Programm ANSYS. Innerhalb der detaillierten Mikromodellierung wird ein neues, aus Materialbeschreibungen für Stein, Mörtel sowie deren Verbund bestehendes nichtlineares Berechnungsmodell entwickelt und in das Programm ANSYS implementiert. Die diskontinuumsmechanische Beschreibung von Mauerwerk im Rahmen der vereinfachten Mikromodellierung erfolgt unter Verwendung der expliziten Distinkt Element Methode mit Hilfe der Programme UDEC und 3DEC. An praktischen Beispielen werden Probleme der Tragfähigkeitsbewertung gemauerter Bogenbrücken, Möglichkeiten zur Bewertung vorhandener Rissbildungen und Schädigungen an historischen Mauerwerkstrukturen und Traglastberechnungen an gemauerten Stützen ausgewertet und analysiert.
The uniqueness and the long life cycle of buildings imply a dynamically modifiable building model. The technological foundation for the management of digital building models, a dynamic model management system (MMS), developed by our research group, allows to explicitly access and to modify the object model of the stored planning data. In this paper, the integration of constraints in digital building models will be shown. Constraints are conditions, which apply to the instances of domain model classes, and are defined by the user at runtime of the information system. For the expression of constraints, the Constraint Modelling Language (CML) has been developed and will be described in this paper. CML is a powerful, intuitively usable object-oriented language, which allows the expression of constraints at a high semantic level. A constrained-enabled MMS can verify, whether an instance fulfils the applying constraints. To ensure flexibility, the evaluation of constraints is not implicitly performed by the systems, but explicitly initiated by the user. A classification of constraint types and example usage scenarios are given.
Structural engineering projects are increasingly organized in networked cooperations due to a permanently enlarged competition pressure and a high degree of complexity while performing the concurrent design activities. Software that intends to support such collaborative structural design processes implicates enormous requirements. In the course of our common research work, we analyzed the pros and cons of the application of both the peer-to-peer (University of Bonn) and multiagent architecture style (University of Bochum) within the field of collaborative structural design. In this paper, we join the benefits of both architecture styles in an integrated conceptual approach. We demonstrate the surplus value of the integrated multiagent–peer-to-peer approach by means of an example scenario in which several structural engineers are co-operatively designing the basic structural elements of an arched bridge, applying heterogeneous CAD systems.
Although there are some good reasons to design engineering software as a stand-alone application for a single computer, there are also numerous possibilities for creating distributed engineering applications, in particular using the Internet. This paper presents some typical scenarios how engineering applications can benefit from including network capabilities. Also, some examples of Internet-based engineering applications are discussed to show how the concepts presented can be implemented.
Assuring global consistency in a cooperative working environment is the main focus of many nowaday research projects in the field of civil engineering and others. In this paper, a new approach based on octrees will be discussed. It will be shown that by the usage of octrees not only the management and control of processes in a network-based working environment can be optimised but also an efficient integration platform for processes from various disciplines – such as architecture and civil engineering – can be provided. By means of an octree-based collision detection resp. consistency assurance a client-server-architecture will be described as well as sophisticated information services for a further support of cooperative work.
The worldwide growth of communication networks and associated technologies provide the basic infrastructure for new ways of executing the engineering process. Collaboration amongst team members seperated in time and location is of particular importance. Two broad themes can be recognized in research pertaining to distributed collaboration. One theme focusses on the technical and technological aspects of distributed work, while the other emphasises human aspects thereof. The case of finite element structural analysis in a distributed collaboratory is examined in this paper. An approach is taken which has its roots in human aspects of the structural analysis task. Based on experience of how structural engineers currently approach and execute this task while utilising standard software designed for use on local workstations only, criteria are stated for a software architechture that could support collaborative structural analysis. Aspects of a pilot application and the results of qualitative performance measurements are discussed.
Building design in Civil Engineering is characterized by the cooperation of experts in multiple disciplines. Close cooperation of engineers in different fields is the basis of high product quality, short development periods and a minimum of investment costs. For each building the engineers have to create a new fire engineering model. The consistent realization of the fire engineering model in all details has high demands on communication, collaboration and building models. Thereby, to preserve the related design models consistent to each other and compatible with the rules of fire engineering is a complex task. In addition, regulations and guidelines vary according to the building location, so the knowledge base must be integrated dynamically into the planning process. This contribution covers the integration of engineers and design models into a cooperation network on the basis of mobile agents. The distributed models of architectural design, structural planning and fire engineering are supported. These models are implemented as XML-based models which can be accessed by mobile agents for information retrieval and for processing tasks. Agents are provided to all planners, they are enabled to check up the distributed design models with the knowledge base of the fire protection regulations,. With the use of such an agent each planner is supported to check up his planning for accordance with the fire protection requirements. The fire-engineering-agent analyzes the design and detects inconsistencies by processing fire protection requirements and design model facts in a rule-based expert system. The possibility to check the planning information at an early state in the sense of compatibility to the fire protection regulations enables a comprehensive diagnosis of the design and the reduction of planning errors.
This paper describes an approach to support co-operation of experts in heterogeneous geotechnical engineering project environments during both regular execution and handling of exceptional situations. A co-operation platform is introduced which is based on a generalized information model mapping key information about the construction project, the construction process as well as the organization structure. Several tools are provided to operate the information model in a network based environment.
The scientific transfer of key technology features to developing countries, together with adequate competence, localisation and adaptation, is the primary purpose of the proposed investigation. It is evident that introducing high-level CAD design and detailing will improve the planning process in developing countries. Successful utilization of applied information technology for the planning process, however, depends on the user-interface of individual software. Therefore, to open the great opportunity embedded in CAD software for clients globally, the language and character-set barrier of traditional user-interfaces must be overcome. A proposal for a research program is given here to address such issue in favour of global civil engineering.
This paper deals with two different agent-based approaches aimed at the incorporation of complex design information into multi-agent planning systems. The first system facilitates collaborative structural design processes, the second one supports fire engineering in buildings. Both approaches are part of two different research projects that belong to the DFG1 priority program 1103 entitled “Network-based Co-operative Planning Processes in Structural Engineering“ (DFG 2000). The two approaches provide similar database wrapper agents to integrate relevant design information into two multi-agent systems: Database wrapper agents make the relevant product model data usable for further agents in the multi-agent system, independent on their physical location. Thus, database wrapper agents act as an interface between multi-agent system and heterogeneous database systems. The communication between the database wrapper agents and other requesting agents presumes a common vocabulary: a specific database ontology that maps database related message contents into database objects. Hereby, the software-wrapping technology enables the various design experts to plug in existing database systems and data resources into a specific multi-agent system easily. As a consequence, dynamic changes in the design information of large collaborative engineering projects are adequately supported. The flexible architecture of the database wrapper agent concept is demonstrated by the integration of an XML and a relational database system.
Re-examination of the behaviour of structures can be necessary due to deterioration or changes in the traffic situation during their lifetime. The Finite Element Method (FEM) is widely used in order to accomplish numerical analysis. Considering the development of computer performance, more detailed FEM models can be analyzed, even on site, with mobile computers. To compensate the increasing amount of data needed for the model input, measures need to be taken to save time, by distributing the work. In order to provide consistency to the model, fedback data must be checked upon reception. A local wireless computer network of ultra-portable devices linked together with a computer can provide the coordination necessary for efficient parallel working. Based on a digital model consisting of all data gathered, structural modelling and numerical analysis are performed automatically. Thus, the user is released from the work that can be automatized and the time needed for the overall analysis of a structure is decreased.
Collaboration in AEC Design : Web-enabling Applications using Peer-to-Peer Office Communicator
(2004)
A market analysis conducted by Gartner Dataquest in August 2001 has shown the typical characteristics of the AEC design process. High volatility in membership of AEC design groups and members dispersed over several external offices is the common collaboration scenario. Membership is most times short lived, compared to the overall duration of the process. A technical solution has to take that into account by making joining and leaving a collaborative work group very easy. The modelling of roles of collaboration between group members must be based on a commonly understood principle like the publisher / subscriber model, where the individual that is responsible for the distribution of vital information is clear. Security issues and trust in the confidentiality of the system is a central concern for the acceptance of the system. Therefore, keeping the subset of data that will be published under the absolute control of the publisher is a must. This is not the case with server-based scenarios, sometimes even due to psychological reasons. A loosely bound Peer-to-Peer network offers advantages over a server-based solution, because of less administrative overhead and simple installation procedures. In a peer-to-peer environment, a publish/subscribe role model can be more easily implemented. The publish/subscribe model matches the way AEC processes are modelled in real world scenarios today, where legal proof of information exchange between external offices is of high importance. Workflow management systems for small to midsize companies of the AEC industry may adopt the peer-to-peer approach to collaboration in the future. Further investigations are being made on the research level (WINDS) by integrating the viewer and redlining application Collaborate! into a collaborative environment.
In this contribution, the design of an analysis environment is presented, that supports an analyst to come to a decision within a gradual collaborative planning process. An analyst represents a project manager, planner or any other person, involved in the planning process. Today, planning processes are managed by several geographically distributed planners and project managers. Thus, complexity of such a process rises even more. Prediction of consequences of many planning decisions is not possible, in particular since assessment of a planning advance is not trivial. There have to be considered several viewpoints, that depend on individual perceptions. In the following, methods are presented to realize planning decision support.
In the AEC (Architecture / Engineering / Construction) industry a number of individuals and organisations collaborate and work jointly on a construction project. The resulting consortium has large pool of expertise and experience and can be defined as a Virtual Organisation (VO) formed for the duration of the project. VOs are electronically networked organisations where IT and web based communication technology play an important role in coordinating various activities of these organisations. This paper describes the design, development and implementation of a Grid enabled application called the Product Supplier Catalogue Database (PSCD) which supports collaborative working in consortia. As part of the Grid-enabling process, specialised metadata is being developed to enable PSCD to effectively utilise Grid middleware such as Globus and Java CoG toolkits. We also describe our experience whilst designing, developing and deploying the security service of the application using the Globus Security Interface (GSI).
The conceptual structure of an application that can support the structural analysis task in a distributed collaboratory is described in (van Rooyen and Olivier 2004). The application described there has a standalone component for executing the finite element method on a local workstation in the absence of network access. This application is comparable to current, local workstation based finite element packages. However, it differs fundamentally from standard packages since the application itself, and its objects, are adapted to support distributed execution of the analysis task. Basic aspects of an object-oriented framework for the development of applications which can be used in similar distributed collaboratories are described in this paper. An important feature of this framework is its application-centred design. This means that an application can contain any number of engineering models, where the models are formed by the collection of objects according to semantic views within the application. This is achieved through very flexible classes Application and Model, which are described in detail. The advantages of the application-centred design approach is demonstrated with reference to the design of steel structures, where the finite element analysis model, member design model and connection design model interact to provide the required functionality.
Communication software and distributed applications for control and building performance simulation software must be reliable, efficient, flexible, and reusable. This paper reports on progress of a project, which aims to achieve better integrated building and systems control modeling in building performance simulation by run-time coupling of distributed computer programs. These requirements motivate the use of the Common Object Request Broker Architecture (CORBA), which offers sufficient advantage than communication within simple abstraction. However, set up highly available applications with CORBA is hard. Neither control modeling software nor building performance environments have simple interface with CORBA objects. Therefore, this paper describes an architectural solution to distributed control and building performance software tools with CORBA objects. Then, it explains how much the developement of CORBA based distributed building control simulation applications is difficult. The paper finishes by giving some recommendations.
The contribution introduces a method for the distributed process modelling in order to support the process orientation in Structural Engineering, i.e., the modelling, analysis and management of planning processes. The approach is based on the Petri Net theory for the modelling of planning processes and workflows in Structural Engineering. Firstly, a central and coarse process model serves as a pre-structuring system for the detailed modelling of the technical planning activities. Secondly, the involved planning participants generate distributed process models with detailed technical workflow information. Finally, these distributed process models will be combined in the central workflow net. The final net is of great importance for the process orientation in Structural Engineering, i.e., the identification, publication, analysis, optimization and finally the management of planning processes.
This paper describes an ongoing research on the representation and reasoning about construction specifications, which is part of a bigger research project that aims at developing a formalism for automating the identification of deviations and defects on construction sites. We specifically describe the requirements on product and process models and an approach for representing and reasoning about construction specifications to enable automated detection and assessment of construction deviations and defects. This research builds on the previous research on modeling design specifications and extends and elaborates concept of contexts developed in that domain. The paper provides an overview of how the construction specifications are being modele d in this research and points out future steps that need to be accomplished to develop the envisioned automated deviation and defect detection system.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Konzeption und prototypische Umsetzung von Techniken des Computer Supported Cooperative Work (CSCW) im Rahmen einer integrierten objektorientierten und dynamischen Bauwerksmodellverwaltung zur Unterstützung der Bauwerksplanung. Die Planung von Bauwerken ist durch einen hohen Grad an Arbeitsteiligkeit, aber auch durch eine schwache Strukturierung der ablaufenden Prozesse gekennzeichnet. Besonders durch den Unikatcharakter des Planungsgegenstands \'Bauwerk\' ergeben sich signifikante Unterschiede zum Entwurf anderer, durch Serienfertigung produzierter Industriegüter. Zunehmend wird die Planung von Bauwerken in Virtual Enterprises ausgeführt, die sich durch eine dynamische Organisationsstruktur, geographische Verteilung der Partner, schwer normierbare Informationsflüsse und eine häufig stark heterogene informationstechnische Infrastruktur auszeichnen. Zur rechnerinternen Repräsent! ation des Planungsgegenstands haben sich objektorientierte Bauwerksmodelle bewährt. Aufgrund der Veränderlichkeit der Bauwerke und deren rechnerinterner Repräsentation im Laufe des Bauwerkslebenszyklus ist eine dynamische Anpassung der Modelle unumgänglich. Derartige in Form von Taxonomien dargestellte dynamische Bauwerksmodellstrukturen können gemeinsam mit den in Instanzform vorliegenden konkreten Projektinformationen in entsprechenden Modellverwaltungssystemen (MVS) gehandhabt werden. Dabei wird aufgrund der Spezialisierung und Arbeitsteilung im Planungsprozess von einer inhaltlich verknüpften Partialmodellstruktur, die räumlich verteilt sein kann, ausgegangen. Die vorgeschlagenen Methoden zur Koordinierung der Teamarbeit in der Bauwerksplanung beruhen auf der Nutzung von CSCW–Techniken für \'Gemeinsame Informationsräume\' und \'Workgroup Computing\', die im Kontext der als Integrationsbasis fungierenden Modellverwaltungssysteme umgesetzt werden. Dazu werden die zur d! ynamischen Bauwerksmodellierung erforderlichen Metaebenenfunk! tionalitäten sowie Ansätze zur Implementierung von Modellverwaltungskernen systematisiert. Ebenso werden notwendige Basistechniken für die Realisierung von MVS untersucht und eine Architektur zur rollenspezifischen Präsentation dynamischer Modellinhalte vorgestellt. Da klassische Schichtenmodelle nicht auf die Verhältnisse in Virtual Enterprises angewendet werden können, wird eine physische Systemarchitektur mit einem zentralen Projektserver, Domänenservern und Domänenclients vorgestellt. Ebenso werden Techniken zur Sicherung des autorisierten Zugriffs sowie des Dokumentencharakters beschrieben. Zur Unterstützung der asynchronen Phasen der Kooperation wird der gemeinsame Informationsraum durch Mappingtechniken zur Propagation und Notifikation von Änderungsdaten bezüglich relevanter Modellinformationen ergänzt. Zur Unterstützung synchroner Phasen werden Techniken zur Schaffung eines gemeinsamen Kontexts durch relaxierte WYSIWIS–Präsentationen auf Basis der Modellinformationen! verbunden mit Telepresence–Techniken vorgestellt. Weiterhin werden Methoden zur Sicherung der Group–Awareness für alle Kooperationsphasen betrachtet.
Den Gegenstand der Dissertation bilden die Konzeption und die exemplarische Realisierung eines verknüpfungsbasierten Bauwerksmodellierungsansatzes zur Schaffung einer integrierenden Arbeits- und Planungsumgebung für den Lebenszyklus von Bauwerken. Die Basis der Integration bildet ein deklarativ ausgerichteter Bauwerksmodellverbund bestehend aus abstrahierten, domänenspezifischen Partialmodellen. Auf Grund der de facto existierenden Dynamik im Bauwerkslebenszyklus werden sowohl der Bauwerksmodellverbund als auch die einzelnen Partialmodelle dynamisch modifizierbar konzipiert und auf Basis spezieller Modellverwaltungssysteme technisch realisiert. Die Verständigung innerhalb der vorgeschlagenen Gesamtbauwerksmodellarchitektur basiert auf anwenderspezifisch zu erstellenden Verknüpfungen zwischen den Partialmodellen und wird im Sinne einer hybriden Modellarchitektur durch eine zentrale, die Verknüpfungen verwaltende Komponente koordiniert. Zur Verwaltung und Abarbeitung der Verknüpfungen wird der Einsatz von Softwareagenten im Rahmen eines Multiagentensystems vorgeschlagen und diskutiert.
Limit state design of hybrid structures with meshless methods using mathematical optimization
(2003)
The revitalization of existing structures belongs to the frequently tasks in urban reconstruction processes. The adaptation for new requirements will commonly affect substantial changes in the general configuration of structures. The resulting revitalized structures are characterized by a hybrid design, where old and new, identical or diverse materials and members will be coupled in different ways. In the planning stage the treatment of these systems leads to application of complex and hybrid mechanical models respectively. High performance numerical instruments have to be applied for solving not only analysis but also targeted design problems. Because of the hybrid character of mechanical models in revitalization planning processes the use of hybrid technologies is advantageous. In this paper mixed domain technique will be used for connecting EFG and FE. The models derived will be adopted for design purposes of non-linear loaded hybrid structures. The investigations show a good adaptability of the meshless methods to the design of hybrid structures by using optimization strategies. With this method the advantages of both finite element and meshless methods can be utilized most suitable. With the property of a minimum amount of unknowns by maintaining an adequate quality of the results the application of mixed finite element and meshless methods is a promising alternative to traditional methods in structural analysis and optimization.