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DETERMINATION OF THE DYNAMIC STRESS INTENSITY FACTOR USING ADVANCED ENERGY RELEASE EVALUATION
(2000)
In this study a simple effective procedure practically based upon the FEM for determination of the dynamic stress intensity factor (DSIF) depending on the input frequency and using an advanced strain energy release evaluation by the simultaneous release of a set of fictitious nodal spring links near the crack tip is developed and applied. The DSIF is expressed in terms of the released energy per unit crack length. The formulations of the linear fracture mechanics are accepted. This technique is theoretically based upon the eigenvalue problem for assessment of the spring stiffnesses and on the modal decomposition of the crack shape. The inertial effects are included into the released energy. A linear elastic material, time-dependent loading of sine type and steady state response of the structure are assumed. The procedure allows the opening, sliding and mixed modes of the structure fracture to be studied. This rational and powerful technique requires a mesh refinement near the crack tip. A numerical test example of a square notched steel plate under tension is given. Opening mode of fracture is studied only. The DSIF is calculated using a coarse mesh and a single node release for the released energy computation as well a fine mesh and simultaneous release of four links for more accurate values. The results are analyzed. Comparisons with the known exact results from a static loading are presented. Conclusions are derived. The values of the DSIF are significantly larger than the values of the corresponding static SIF. Significant peaks of the DSIF are observed near the natural frequences. This approach is general, practicable, reliable and versatile.
Petri-Netze und deren Erweiterungen stellen ein leistungsfähiges Instrument zur Model-lierung, Simulation und Animation von Systemen bzw. Prozessen dar. Mathematische Methoden die sowohl analytisch beschreibbar als auch graphisch darstellbar sind, wie z. B. Warteschlangenprobleme, Netzpläne, Suche optimaler Wege in Netzen bzw. Dynamische Optimierung, können mit Hilfe von Petri-Netzen modelliert werden. Werden Petri-Netze zur graphischen Darstellung gewählt, so können die Stellen (passive Knoten) mit Markenverweilzeiten sowie die Transitionen (aktive Knoten) mit Schaltzeiten belegt werden. Für die Zeiten sind deterministische bzw. stochastische Größen einsetzbar. Wird dem Gesamtnetz eine zentrale Uhr und den einzelnen zeitbehafteten Knoten jeweils eine lokale Uhr zugeordnet, so lassen sich die Prozeßabläufe mittels Animation sichtbar machen. Ein an der Professur Computergestützte Techniken entwickeltes Programmsystem dient zur Demonstration der einzelnen Probleme. In anschaulicher Weise kann damit das Ver-ständnis für die genannten Methoden sowie die mit ihrer Hilfe dargestellten Prozesse erleichtert werden.
Für planende Ingenieure und Architekten besteht seit jeher im Rekonstruktionsbereich die Aufgabe, vorhandene Gebäude in ihrer Geometrie und Struktur zu erfassen und daraus Rekonstruktionspläne und -technologien zu erarbeiten. Diese Erfassungsmaßnahmen sind sehr umfangreich und kostenintensiv. Ziel der hier vorzustellenden Ansatzes war es deshalb, ein kostengünstiges Verfahren zu entwickeln, das ein berührungsloses Aufmaß eben begrenzter Räume (polyedrischer Räume) mit einer den Erfordernissen entsprechenden Genauigkeit gewährleistet. Es werden im wesentlichen zwei Problemkreise behandelt. Der erste beinhaltet den Nachweis einer für die geplanten Anwendungen hinreichend genauen, maßstäblichen Rekonstruierbarkeit von ebenen Objekten (Wänden) aus monokularen Fotoaufnahmen. Anstelle des in der Photogrammetrie üblichen Weges über Kamerakalibrierung mittels exakt eingemessener Paßpunkte wurde ein Ansatz verfolgt, bei dem eine mittels Laserspotprojektoren auf dem Aufnahmeobjekt erzeugte parameterabhängige Maßfigur in Verbindung mit a priori bekannten Bildinhalten Grundlage für die maßstabsgerechte Rekonstruktion des Objektes ist. Der zweite Problemkreis behandelt die Zusammensetzung von eben begrenzten Räumen aus Einzelebenen (Wänden) die als Ergebnis des ersten Schrittes projektiv entzerrt, d.h. als orthogonale Draufsicht, allerdings verfahrensbedingt fehlerbehaftet vorliegen. Ziel ist hier, durch Nutzung von a-priori-Kenntnissen über die Raumstruktur mit Hilfe von Methoden der mathematischen Optimierung einen Genauigkeitsgewinn zu erzielen.
Im Vortrag wird der Frage nachgegangen, inwieweit zwischen den strukturellen Parametern Dispersion eines Verkehrsnetzes bzw. der Kennziffer der Unterentwicklung eines Verkehrsnetzes und den mittleren Fahrzeiten bzgl. unterschiedlicher Verkehrsbedarfsmatrizen ein Zusammenhang besteht. An Hand von 10 verschiedenen Ring-Radius-Strukturen für den MIV (Motorisierter Individual-Verkehr) und 3 verschiedenen Ring-Radius-Strukturen für den Busverkehr wird bei 5 unterschiedlichen O-D-Bedarfsmatrizen der Nachweiß eines solchen Zusammenhanges geführt. Die Ergebnisse erlauben es, auf Grund struktureller Analysen Aussagen über funktionelle Bewertungen des Verkehrsnetzes zu treffen. Da strukturelle Bewertungen mit wesentlich geringerem Aufwand an Input-Daten und an Rechenzeit als funktionelle Bewertungen bestimmbar sind, bringt dies deutliche Einsparungen in der Planungsphase von Verkehrsnetzen mit sich.
Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 524 “Konstruktionen und Werkstoffe für die Revitalisierung von Bauwerken“1 ist das primäre Anliegen des Teilprojektes D2 „Bauplanungsrelevantes digitales Gebäudeaufnahme- und Informationssystem“ die Entwicklung von Methoden und Techniken zur Aufnahme von Bestandsdaten vor Ort oder durch Auswertung vorhandener Dokumentationen und deren direkte Integration in ein Bauwerksmodell [11]. Das Vorhaben erarbeitet Grundlagen zu Aspekten der fachplanerischen Nutzung und der wissenschaftlichen Auswertungen arbeitsmethodischer Vorgehensweisen in der Bestandsaufnahme unter Einbeziehung softwaretechnischer Methoden. Dabei finden Sachverhalte der Strukturierung, die Herausarbeitung von Systematiken der wesentlichen Informations-/Datenmengen, die Ableitung von Methoden zur zerstörungsfreien Erfassung und die Darstellung planungsrelevanter Gebäudeinformationen in digitalen Systemen Berücksichtigung. In diesem Artikel werden ausgehend von Anforderungen der planungsrelevanten architektonischen Bauaufnahme eine Konzeption und die prototypische Realisierung zur flexiblen geometrischen Erfassung – dem Bauaufmaß – vorgestellt. Planungsrelevante Bauaufnahme Die Bauaufnahme dient der Modellbildung durch Erfassung und Wiedergabe eines real existenten Bauwerkes in seinem zum Zeitpunkt der Aufnahme angetroffenen Zustand. Die quasi vollständige Aufnahme ist aufgrund der großen zu ermittelnden Datenmengen und den hierdurch entstehenden Aufwendungen und Kosten nicht möglich [8]. Vielmehr muß eine Auswahl und Abstrahierung der aufzunehmenden Daten, ihrer Repräsentation und die Wahl ihrer Genauigkeit nach den Erfordernissen des jeweiligen Verwendungszweckes der Bauaufnahme erfolgen. So vielfältig die Erfordernisse einer Bauaufnahme ausfallen, so vielfältig sind auch die jeweiligen Forderungen und Auswahlen der aufzunehmenden Daten. In der überwiegenden Mehrheit aller Fälle ist auch die Wiedergabe der vorgefundenen geometrischen Ausprägung des Bauwerkes gewünscht oder erforderlich. Dabei werden unterschiedliche Genauigkeitsanforderungen an verschiedene Bereiche des Bauwerkes gestellt [9] [10]. So reicht vielleicht im Einzelfall eine skizzenhafte Wiedergabe des Umfeldes eines geplanten Ladenbereiches, während die umzunutzenden Bereiche in Ausführungsgenauigkeit zu erfassen sind. Die exakte geometrische Ausprägung eingebauter Bauelemente ist oft nur teilweise bekannt. In der Bauaufnahme muß ein enger Zusammenhang zwischen Geometrie und bauteilorientierter Konstruktion, sowie den verwendeten Ordnungssystemen bestehen. Um diesen Ansprüchen genüge zu tragen, werden entsprechende Aufnahmetechniken, rechnerinterne Abbildungen und Funktionalität zur Interaktion Nutzer - Modell gesucht.
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.
Das Ziel der Arbeit besteht in der Entwicklung eines Bemessungskonzeptes auf der Basis nichtlinearer Schnittgrößen für statisch und dynamisch beanspruchte Stahlbetontragwer-ke. Das Konzept geht dabei von einheitlichen Kriterien zur Analyse der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit auf der Grundlage deformationsbasierter Grenzzustandsbetrach-tungen aus. Der deformationsbasierte Grenzzustand ist dadurch charakterisiert, daß ne-ben der statischen und kinematischen Zulässigkeit eines Tragwerkszustandes auch die Einhaltung von definierten Verzerrungs- bzw. Verformungsgrenzwerten gewährleistet ist. Aus Betrachtungen im Kontinuum werden diskrete Modelle zur Lösung von physikalisch und geometrisch nichtlinearen Grenzwiderstandsaufgaben mit und ohne Berücksichtigung von Lastfolgeeffekten abgeleitet. Die numerische Untersetzung basiert auf Methoden der nichtlinearen Optimierung. Auf der Grundlage dieser Berechnungsmodelle wird eine Be-messungskonzeption entwickelt.
Schwerpunkt der Arbeit ist die Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten und Grenzen der Desktop-VR als neue Generation der Benutzerschnittstellen. Besondere Bedeutung bei dieser Art des Interface-Designs kommt den Metaphern zu. Ein großer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Klassifikation, der Auswahl und dem Einsatz passender Metaphern unter Berücksichtigung der in der Applikation darzustellenden Informationsinhalte. Aus der Kombination dieser beiden Merkmale (Art der Metapher, Informationsinhalt) ergeben sich vier verschiedene virtuelle Umgebungen, deren Eigenschaften und Besonderheiten konkretisiert und an Beispielen aus dem Anwendungsgebiet der Stadtinformationssysteme vorgestellt werden. Als praktischer Untersuchungsgegenstand dient das Anwendungsgebiet der Stadtinformationssysteme. Die theoretisch basierten Erkenntnisse und Schlußfolgerungen werden durch statistische Untersuchungen, in Form von Fragebögen zu Stadtinformationssystemen, überprüft und konkretisiert.
Die Dissertation adressiert das Gebiet der Entwicklung von (räumlicher) Präsenz in computer-generierten virtuellen Umgebungen im speziellen und virtueller Architektur im besonderen. Der erste Teil motiviert die Arbeit, führt in die Terminologie ein und beschreibt die grundlegenden Prinzipien der virtuellen Realität (VR) und von VR-basierter Architektur. Der Schwerpunkt liegt auf sogenannten immersiven VR-Systemen. Der folgende Teil erarbeitet den theoretischen Hintergrund der Entwickling von Präsenz unter besonderer Beachtung philosophischer und kognitiver Ansätze. Ein eigenes Kapitel widmet sich der Klassifikation von Präsenz-Faktoren unter dem Gesichtspunkt der praktischen Gestaltung virtueller Architektur. Letztendlich werden verschiedene empirische Untersuchungen vorgestellt, die die entwickelten Ansaetze evaluieren und beschreiben. Die Ergebnisse werden im Kontext des architektonischen Gestaltens diskutiert.
Computer Spiel Welten
(2000)
Eine diskursarchäologische Studie zur Entstehung von Computerspielen entlang der Begriffe von Reaktion, Entscheidung und Regulation in Mensch-Maschine-Systemen. Sie rekonstruiert die Emergenz des Computerspiels aus heterogenen Wissensbereichen wie Experimentalpsychologie, Arbeitswissenschaft, Kriegstechnologie, Hard- und Softwaregeschichte, Graphentheorie, Meteorologie, Speläologie, Philosophie, Behaviorismus, Kognitionswissenschaft, Spieltheorie und Kybernetik.
Die Dissertation analysiert und bewertet die Kindergartenarchitektur des 20.Jhd.'s im Spektrum von individueller Planung und Baukastensystemen. Den Ausgangspunkt bildet ein Defizit an Betreuungsplätzen in Deutschland am Ende des 20.Jhd.'s. Dieses resultiert aus dem gesetzlich garantierten Rechtsanspruch auf einen Kindergartenplatz und der rezessiven Wirtschaftslage. Der dringende Handlungsbedarf der Kommunen führte zu einer primär ökonomisch ausgerichteten Baukultur. Anhand eines Kriterienkataloges wird u.a. bewertet, wie eine ökonomische Architektur im Kindergartenbau ohne Qualitätsminderung erzielt werden kann. Zukunftsweisende Kindergartenplanungen für das 21.Jhd. werden analysiert. Ein eigenes weiterführendes, integriertes Planungskonzept wird u.a. hinsichtlich seiner Mehrfach- und Umnutzungspotentiale überprüft. Nur ein ganzheitlicher Architekturansatz kann die vielfältigen Anforderungen an Kindergärten realisieren und zukunftsweisende Überlegungen sinnvoll integrieren.
Die Stadt Weimar nimmt in der deutschen Geschichte und in deren Rezeption eine besondere Stellung ein. Sie steht als Metapher für verschiedene kulturhistorische Epochen. Seit der Jahrhundertwende avancierte sie zum komprimierten Spiegelbild deutscher Befindlichkeiten. Für die Nationalsozialisten stellte Weimar eine wesentliche Station für ihren Aufstieg von München nach Berlin, einen erfolgreichen "Kampf- und Experimentierort" dar. Doch auch von 1932-1945 konnten sie in der Stadt außerordentlich aktiv werden. Beispielhaft äußerte sich das in den zeitgenössischen Bauprojekten, in der zeitgenössischen Baupolitik. Die Dissertation behandelt die gesamte Spannbreite der baulichen und planerischen Aktivitäten in und um Weimar in der Zeit des Nationalsozialismus. Sie thematisiert sowohl die repräsentativen Projekte, als auch die Baulichkeiten des Komplexes zum Konzentrationslager Weimar-Buchenwald, ebenso die Wohn- und Kulturbauten, die Kasernenarchitekturen, die Industrie-, Verkehrs- und Behelfsbauten sowie städtebauliche Planungen. Die Gebäude und Komplexe werden im kulturpolitischen Kontext betrachtet, planungs- und baugeschichtlich untersucht, umfassend architektonisch-gestalterisch und städtebaulich-gestalterisch analysiert, dokumentiert, in ihrer gegenseitigen Beeinflussung dargestellt, verglichen und gewertet. Gegebenenfalls werden Querbeziehungen zu anderen Objekten in Deutschland, außerdem zu zeitgleichen nichtbaulichen Ereignissen in Weimar bzw. Deutschland aufgezeigt. Ein Gesamtbild zur Bauplanung und zum Bauschaffen im Dritten Reich in einer Stadt, beispielhaft in der symbolbeladenen Stadt Weimar wird erstellt; ein Stück verdrängter Kulturgeschichte der Stadt Weimar wird rekonstruiert.
Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Ausbruchverhaltens von unbewehrten Porenbetonplatten bei konzentrierter Lasteintragung in Randnähe. In der Praxis tritt diese Problematik bei Befestigungen oder Verankerungen auf, die eine punktuelle Beanspruchung bewirken. Hauptziel der durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen war das Erkennen von Gesetzmäßigkeiten für Versagenserscheinungen und für Bruchlasten in Abhängigkeit von variierenden Geometrie- und Materialparametern. Dabei waren Größe und Lage der Lasteinleitungsstelle sowie die Materialfestigkeit die wichtigsten Einflussfaktoren. Von besonderem Interesse war auch das spröde Verhalten des Porenbetonmaterials auf das Ausbruchverhalten. Die Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile: die Experimente mit anschließend weiterführenden numerischen Untersuchungen, sowie Bemessungskonzepten mit Ausbruchgleichungen. Ein weiteres Kapitel behandelt die Zugfestigkeit von Porenbeton. Die Experimente wurde an für Wand- oder Deckenplatten originaldicken Versuchskörpern durchgeführt. Dabei waren die Lagerbedingungen so festgelegt, dass sich möglichst ein ungestörter Ausbruchkörper ausbilden konnte. Numerische Spannungsuntersuchungen über eine räumliche Idealisierung der Versuchskörper mit dem Finite- Element- Programmsystem ANSYS gaben Aufschlüsse über Ort und Größe von bruchverursachenden Spannungen. Des weiteren wurden über die Versuchsergebnisse hinaus Berechnungen über den Einfluss von Variationen bei der Plattengeometrie durchgeführt. Es wurden Betrachtungen über die Zugfestigkeit als einen maßgebenden Faktor für das Ausbruchverhalten geführt. Numerische Risssimulationen gaben Aufschluss über den Spannungszustand und den Ablauf der Rissentwicklung.
Die Arbeit gliedert sich in drei Komplexe. Der erste Komplex umfaßt Voruntersuchungen zum Ultraschallmeßsystem hinsichtlich Sendefrequenzen, Ankoppeldruck und gerätespezifischen Verzögerungszeiten. Zur schrittweisen Entwicklung eines berührungslos arbeitenden Ultraschallverfahrens werden Grundlagenuntersuchungen zur laserinduzierten Anregung von Ultraschallwellen und zur berührungslosen Signalerfassung mittels Laservibrometer durchgeführt. Der zweite Komplex beinhaltet die Untersuchung von Gefügeschädigungen durch Frostangriff. Als Kennwert der inneren Schädigung wird die Änderung des dynamischen E-Moduls durch Anwendung von akustischen Meßverfahren (z.B. Dehnwellenresonanzverfahren) bestimmt. Der Erfassung und Visualisierung des Schädigungsgradienten wird besondere Bedeutung beigemessen. Der dritte Komplex umfaßt die Untersuchung der Gefügeentwicklung während der Hydratation von Normalbetonen zur Bestimmung der Erhärtungsdruckfestigkeit mit dem Ultraschallmeßsystem CONSONIC 60. Ausgewertet werden kontinuierliche und diskontinuierliche Impulslaufzeitmessungen unter Einbeziehung der Betonrezeptur.
1921 nennt der Mathematiker Hermann Weyl (1885-1955) das Kontinuum ein "Medium des freien Werdens". Diese Formulierung nimmt die Dissertation zum Anlass, um die medientheoretische Bedeutung der philosophischen Schriften von Hermann Weyl zu untersuchen. Das konstruktive Kontinuum, in dem nach Weyls Auffassung die Physik präparierte Ereignisse ansiedelt, ist scharf von der anschaulichen Wirklichkeit zu unterscheiden. Weyl erklärt in Diskussionen der Positionen Hilberts und Brouwers in der mathematischen Grundlagenkrise das Kontinuum als Produkt des menschlichen Bewusstseins. Weyls Theorie des Kontinuums weicht von der Darstellung in der Philosophie der symbolischen Formen Ernst Cassirers ab. Cassirer setzt in seinem Hauptwerk voraus, daß der mathematische Symbolismus und das konstruktive Kontinuum eine Brücke zwischen Bewusstsein und Wirklichkeit bilden. Das Wechselverhältnis zwischen dem Mathematiker Weyl und dem Philosophen Cassirer zeigt beispielhafte Formen der Vermittlung zwischen Philosophie und moderner Naturwissenschaft. Weyls Schriften werden als paradigmatisch für die Medientheorie gedeutet.
Ausgehend von der These, dass es keine völlig neuen Medien gibt, Medien vielmehr aus Veränderungen und Hybridisierungen anderer Medien entstehen, stellt die Arbeit die Untersuchung der Narrativität von Videospielen in einen intermedialen Zusammenhang. Dabei werden die medienspezifischen Differenzen der Erzählung und des Erzählens in Film, Fernsehen und Videospielen fokussiert. Neben der Strukturanalyse wird die visuelle Darstellungsebene sowie der Einbezug des Spielers in den Prozess der Narration betrachtet. Dies mündet in einer Theorie der Beobachtungsperspektive und der Handlungsposition des Spielers (Point-of-View und analog "Point-of-Action"), die wichtige Bestandteile des komplexen Erzählersystems der Videospiele bilden. Damit stellt die Arbeit ein, auf Kriterien der Narrativität basierendes, systematisches Beschreibungsinstrumentarium für Videospiele bereit.
In dieser Arbeit wird eine neue Methode für die Integration von Informationen in digitalen Planungsunterlagen erarbeitet. Die Grundidee des Integrationsansatzes stützt sich auf die aktive Einbeziehung der Anwender während der Realisierung der Übernahme von Informationen und bei der Aktualisierung von Planungsunterlagen, die inkonsistent zu anderen Planungsunterlagen sind. Diese Grundidee kombiniert mit den Möglichkeiten neuer Kommunikationstechnologien war für die Spezifikation von neuen Methoden für die Übernahme von Informationen und für die Überwachung von Veränderungen ausschlaggebend. Die neuen Methoden werden in dieser Ausarbeitung erarbeitet und vorgestellt. Ziel der Ausarbeitung ist die Definition von implementationstechnischen Regeln, die alle auszutauschenden Objekte erfüllen müssen. Die Realisierung der Integrationsaufgaben durch den Anwender basiert dabei auf den Möglichkeiten der traditionellen Integration analoger Dokumente.
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.
A method of automatic maintenance of vibration amplitude of a number of mechanisms at given level, when exiting force amplitude is varied greatly is given. For this purpose a pendulum is attached to a mechanism through a viscoelastic hinge. Load of a pendulum can move along an arm and it is viscoelastic connected to it.