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Iso-parametric finite elements with linear shape functions show in general a too stiff element behavior, called locking. By the investigation of structural parts under bending loading the so-called shear locking appears, because these elements can not reproduce pure bending modes. Many studies dealt with the locking problem and a number of methods to avoid the undesirable effects have been developed. Two well known methods are the >Assumed Natural Strain< (ANS) method and the >Enhanced Assumed Strain< (EAS) method. In this study the EAS method is applied to a four-node plane element with four EAS-parameters. The paper will describe the well-known linear formulation, its extension to nonlinear materials and the modeling of material uncertainties with random fields. For nonlinear material behavior the EAS parameters can not be determined directly. Here the problem is solved by using an internal iteration at the element level, which is much more efficient and stable than the determination via a global iteration. To verify the deterministic element behavior the results of common test examples are presented for linear and nonlinear materials. The modeling of material uncertainties is done by point-discretized random fields. To show the applicability of the element for stochastic finite element calculations Latin Hypercube Sampling was applied to investigate the stochastic hardening behavior of a cantilever beam with nonlinear material. The enhanced linear element can be applied as an alternative to higher-order finite elements where more nodes are necessary. The presented element formulation can be used in a similar manner to improve stochastic linear solid elements.
The conventional way of describing an image is in terms of its canonical pixel-based representation. Other image description techniques are based on image transformations. Such an image transformation converts a canonical image representation into a representation in which specific properties of an image are described more explicitly. In most transformations, images are locally approximated within a window by a linear combination of a number of a priori selected patterns. The coefficients of such a decomposition then provide the desired image representation. The Hermite transform is an image transformation technique introduced by Martens. It uses overlapping Gaussian windows and projects images locally onto a basis of orthogonal polynomials. As the analysis filters needed for the Hermite transform are derivatives of Gaussians, Hermite analysis is in close agreement with the information analysis carried out by the human visual system. In this paper we construct a new higher dimensional Hermite transform within the framework of Quaternionic Analysis. The building blocks for this construction are the Clifford-Hermite polynomials rewritten in terms of Quaternionic analysis. Furthermore, we compare this newly introduced Hermite transform with the Quaternionic-Hermite Continuous Wavelet transform. The Continuous Wavelet transform is a signal analysis technique suitable for non-stationary, inhomogeneous signals for which Fourier analysis is inadequate. Finally the developed three dimensional filter functions of the Quaternionic-Hermite transform are tested with traditional scalar benchmark signals upon their selectivity at detecting pointwise singularities.
On the basis of the little material available (an architecture plan and some photographs) a computer model is developed for a bullet shaped dome, part of the Belgian Congo pavilion, created by the architect Henry Lacoste for the International Colonial Exhibition of 1931 in Paris. The ingenious and elegant wooden skeleton of the dome is approximated in two stages. The first approximation focusses on the curves traced on the dome by the wooden laminae, which appear to be loxodromes, cutting the meridians by a constant angle. In a second approximation the very specific joints of the laminae are taken into consideration. The resulting computer image shows an astonishing resemblance with the photographs. Finally, the shapes and dimensions of all laminae are calculated, enabling a possible reconstruction of the dome.
Thin-walled spatial structures are broadly used in the modern technician and building. In fuel industry for long-term keeping of oil and gas are used reservoirs of various capacity, which on technological reasons can be shipped under the soil. Shells of reservoirs combine in itself high toughness and low specific consumption of materials. At the same time, being under the soil, they feel steady-state and dynamic loads from ambiance, which particularly in the event, when reservoir is empty, can bring about the loss of stability of its form. On the other hand contact interactions of shell and soil greatly depend on features of ambiance and its saturating of liquid. For building generalized porous springy ambiance models, saturated by the liquid, it is possible to use Bio equations of motion for displacement of hard and fluid phases. Elaboration of mathematical specified interaction models and theirs realization by means of modern computing software allows to study behaviour of spatial thin-walled designs on base of geometric nonlinear theory of shells
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.
The development of a life cycle structured cooperation platform is described, which is based on an integrated process and goal-oriented project model. Furthermore the structure of a life cycle oriented object structure model and its implementation in the platform are documented. The complete conceptual model is described, which represents the basis of a lifecycle -oriented structuring of the planning object and supports the thematic classification of the object and project management data.
Rectangular steel frames are considered and subjected to strong ground motion. Their behavior factor is numerically evaluated using nonlinear time history analysis and different ground acceleration records. The behavior factor is determined assuming severe collapse mechanism occurs throughout the time history. The system of equations is transformed into single equation end then the energy balance concept is applied. The expression for the behavior factor is derived and its application to four story two bays steel frame is illustrated and the corresponding results are discussed.
Der Schwerpunkt von Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Tragwerksplanungs-Software lag in den letzten Jahren auf der Erweiterung des funktionalen Umfangs. In der Folge ist es notwendig, den gestiegenen Funktionsumfang einem möglichst breiten Anwenderkreis durch ingenieurgemäß gestaltete Arbeitsumgebungen zugänglich zu machen, so dass ein möglichst effizientes und fehlerarmes Arbeiten ermöglicht wird. Aus der Sicht der Tragwerksplaner muss eine ingenieurgemäß gestaltete Software eine dem spezifischen Arbeitsablauf angepasste Nutzer-Software-Interaktion aufweisen. Dabei sind die benötigten Funktionalitäten in ein einheitliches System zu integrieren und eine Anpassbarkeit durch den Anwender sicherzustellen. Die Berücksichtigung dieser Anforderungen mit herkömmlichen Mitteln würde einen unverhältnismäßig hohen Entwicklungsaufwand erfordern. Infolgedessen muss aus der Sicht der Software-Entwickler eine moderne Software-Architektur für die Tragwerksplanung eine Erhöhung des Wiederverwendungsgrades und eine unabhängige Erweiterbarkeit als zusätzliche Anforderungen erfüllen. In diesem Beitrag wird ein auf Verbunddokumenten basierendes Konzept vorgestellt, mit dem eine Zusammenführung von Standard-Software und fachspezifischen Software-Komponenten zu einer ingenieurgemäßen Arbeitsumgebung ermöglicht wird. Damit kann die Analyse und die Dokumentation eines Tragelementes einschließlich der zugehörigen Datenhaltung innerhalb eines Verbunddokumentes erfolgen. Gleichzeitig kann der software-technische Wiederverwendungsgrad durch die Definition eines Component Frameworks als unabhängig erweiterbare Software-Architektur und durch den Einsatz von Software-Komponenten mit eigener Nutzeroberfläche über das bisher erreichte Niveau hinaus gesteigert werden. Die Umsetzbarkeit des Konzeptes wird durch eine Pilotimplementierung demonstriert.
Applications for civil engineering tasks usually contain graphical user interfaces for the engineering processes. Persistent objects of the applications are stored to data bases. The influence of the interaction between a graphical user interface and a data base for the development of an civil engineering application is investigated in this paper. A graphic application for the linear elastic analysis of plane frames, which was previously developed with standard tools of the Java platform, is compared to a redesigned implementation using a generalized data base for persistent objects. The investigation leads to the following results : - A strict distinction between persistent and transient objects influences the class structure of an application, in particular the class structure of a graphical user interface. - The structure of an application depends on the logic for updating of references to persistent and transient graphical objects after an application is read from a file. - The complexity of the reference management can usually be handled better by just in time referencing associated with String - identifiers rather than by automated referencing associated with Name - identifiers.
Die Aufgaben des Bauwesens erfordern den direkten Zugriff auf Objekte einer Datenbasis, die in dem Arbeitsspeicher einer Sitzung und in mehreren Binärdateien verteilt sind. In den Methoden einer Anwendung soll jedes Objekt unabhängig vom Ort seiner Speicherung mit seinem Namen als persistentem Identifikator direkt ansprechbar sein. Bei Bedarf sollen Objekte automatisch aus Dateien nachgeladen werden. Der Anwender soll bestimmen können, in welcher Datei ein bestimmtes Objekt gespeichert wird. Die Zugriffszeit auf ein Objekt soll im Mittel mit der Zugriffszeit auf ein Objekt in einer Java-Methode vergleichbar sein. Ein Konzept einer generalisierten Datenbasis wird vorgestellt. Seine Leistungsfähigkeit wird mit der vorhandenen Software für die Aufbewahrung und Verwaltung von Daten im Bauwesen verglichen. Es erweist sich als zweckmäßig, bereits im Entwurf einer Anwendung streng zwischen persistenten und transienten Objekten zu unterscheiden. Alle persistenten Objekte der Anwendung werden benannt. Unbenannte persistente Objekte der Java Plattform, beispielsweise Kollektionen und graphische Objekte, sind ebenfalls mit einem Griff (einem von der Datenbasis zugeteilten Namen) speicherbar. Der Zugriff auf ein Objekt ist schnell, da nur primitive Datentypen und Strings in binärer Form ohne Rückgriff auf Datenbanken gespeichert werden.
Die heutige Situation in der Tragwerksplanung ist durch das kooperative Zusammenwirken einer größeren Anzahl von Fachleuten verschiedener Disziplinen (Architektur, Tragwerksplanung, etc.) in zeitlich befristeten Projektgemeinschaften gekennzeichnet. Bei der Abstimmung der hierdurch bedingten komplexen, dynamischen und vernetzten Planungsprozesse kommt es dabei häufig zu Planungsmängeln und Qualitätseinbußen. Dieser Artikel zeigt auf, wie mit Hilfe der Agententechnologie Lösungsansätze zur Verbesserung der Planungssituation erreicht werden können. Hierzu wird ein Agentenmodell für die vernetzt-kooperative Tragwerksplanung vorgestellt und anhand der Planung einer Fußgängerbogenbrücke anschaulich demonstriert. Das Agentenmodell erfasst (1) die beteiligten Fachplaner und Organisationen, (2) die tragwerksspezifischen Planungsprozesse, (3) die zugehörigen (Teil-)Produktmodelle und (4) die genutzte (Ingenieur-)Software. Hieraus leiten sich die drei Teilmodelle (1) agentenbasiertes Kooperationsmodell, (2) agentenbasierte Produktmodellintegration und (3) Modell zur agentenbasierten Software-Integration ab. Der Fokus des Artikels liegt auf der Darstellung des agentenbasierten Kooperationsmodells.
Seit mehr als fünfzig Jahren werden zur Untersuchung der Tragwerkssicherheit auch Methoden der Wahrscheinlichkeitsrechnung herangezogen. Ungeachtet der inzwischen erreichten Fortschritte und der offensichtlichen Vorzüge, konnte dieses Vorgehen in der Praxis bis jetzt noch nicht ausreichend Fuß fassen. Im Beitrag wird das Problem der Tragwerkssicherheit mit einem neuartigen Verfahren behandelt. Im Unterschied zu den üblichen probabilistischen Methoden geht es nicht von Verteilungsfunktionen aus. Vielmehr werden die maßgebenden Zufallsgrößen in den Mittelpunkt gestellt und direkt in die Rechenvorschrift eingeführt. Als mathematisches Hilfsmittel dienen die WIENERschen Chaos-Polynome. Sie stellen im Raum der Zufallsgrößen mit beschränkter Varianz eine Basis dar, mit der sich eine beliebige Zufallsgröße nach orthogonalen Polynomen GAUSSscher Zufallsgrößen entwickeln läßt. So entsteht ein effektiver Formalismus, der sich eng an die herkömmliche Deformationsmethode anlehnt und als deren probabilistische Verallgemeinerung angesprochen werden darf. Die Methode liefert die Grenzzustandsbedingung als Funktion der auf das Tragwerk wirkenden Zufallsgrößen. Die Versagenswahrscheinlichkeit kann daher durch Monte-Carlo-Simulation bestimmt werden. Die mit der Auswertung des Wahrscheinlichkeitsintegrals der First Order Reliability Method (FORM) verbundenen Schwierigkeiten werden vermieden. An einem Beispieltragwerk wird dargestellt, wie sich Veränderungen gewisser Konstruktionsparameter auf die Versagenswahrscheinlichkeit auswirken.
Die Versagenswahrscheinlichkeit nach einem Grenzzustand wird gewöhnlich mit dem Integral I der Basisvariablen-Verteilungsdichte über den Versagensbereich bestimmt. Dabei ist eine geschlossene Lösung nur im Spezialfall normalverteilter Basisvariablen bei Linearität der Grenzzustandsgleichung möglich. In anderen Fällen sind verschiedene Näherungsverfahren gebräuchlich, die auf den Momenten der Basisvariablen und geeignet gewählten Indizes als Sicherheitskenngrößen beruhen. Eine größere Genauigkeit bieten die Zuverlässigkeitstheorien erster bzw. zweiter Ordnung, die ebenfalls von I ausgehen. Im Beitrag wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, dessen Ausgangspunkt nicht I, sondern das Kraftgrößenverfahren als einem Standardalgorithmus des konstruktiven Ingenieurbaus ist. Die Einbeziehung der maßgebenden Zufallsgrößen in die Matrix der Vorzahlen und die Belastungszahlen führt zur Verallgemeinerung des Systems der Elastizitätsgleichungen zum zufälligen System der Elastizitätsgleichungen. Dessen Lösung, die durch den Übergang zu einem deterministischen Ersatzsystem gewonnen wird, liefert die statisch Unbestimmten als Funktionen der im System wirkenden Zufallsgrößen (z.B. E-Modul der Stäbe und Belastung). Da dieser Zusammenhang analytisch vorliegt, kann die Wirkung einzelner Zufallseinflüsse auf die statisch Unbestimmten und die daraus folgenden sicherheitsrelevanten Zustandsgrößen beurteilt werden. Die Dichtefunktion der Grenzzustandsgleichung kann berechnet oder durch Simulation ermittelt werden. Daraus folgt . Nicht normalverteilte Zufallsgrößen werden durch Entwicklung in orthogonale Polynome Gaußscher Zufallsgrößen berücksichtigt.
Die Informatik im Bauwesen oder kurz Bauinformatik hat sich in den vergangenen Jahren in Deutschland kontinuierlich entwickelt und sie hat einen festen Platz in den Fakultäten im Bauingenieurwesen an den deutschen Universitäten erhalten. Diese Entwicklung war anfänglich sehr stark fixiert auf die Berechnungen des physikalischen Verhaltens von Bauwerken. In den letzten Jahren kamen weitere Gebiete hinzu. Hier ist vor allem die Zeichnungserstellung (CAD) hervorzuheben. Diese Entwicklungen haben einen großen Reifegrad erlangt und sie haben einen festen Platz in Lehre und Forschung in der Bauinformatik. Die Rolle der Bauinformatik allgemein hat in den letzten Jahren eine stürmische Entwicklung genommen. Die Breite der Anwendungen hat ständig zugenommen und die Forderung nach einer durchgängigen Nutzbarkeit aller Informationen, die in diesem Zusammenhang bearbeitet werden, wird immer stärker gestellt. Besonders zwei Problemstellungen stehen im Mittelpunkt vieler Entwicklungen in der Bauindustrie und in den entsprechenden Softwarehäusern. Dies sind die Entwicklung und Nutzung technischer Modelle zur Unterstützung des Bauprozesses und die Unterstützung betriebswirtschaftlicher Anforderungen in der Bauindustrie. Vor allem die zweite Anforderung war bisher kaum Gegenstand der Bauinformatik. Aktuelle Bestrebungen vor allem aus der Praxis wirken darauf hin, diesen Zustand zu ändern. Die Fakultät Bauingenieurwesen an der Bauhaus-Universität beginnt diesen Anforderungen dadurch Rechnung zu tragen, daß kontinuierlich die notwendigen Voraussetzungen geschaffen werden, um diese Thematik in Lehre und Forschung kompetent aufnehmen zu können. Externe Referenten, die an der Spitze entsprechender Entwicklungen sind, werden in die Lehre mit eingebunden. Dies soll eine kontinuierliche Weiterentwicklung einleiten, die helfen soll, eine zeitgemäße Ausbildung der zukünftigen Bauingenieure sicherzustellen.
A realistic and reliable model is an important precondition for the simulation of revitalization tasks and the estimation of system properties of existing buildings. Thereby, the main focus lies on the parameter identification, the optimization strategies and the preparation of experiments. As usual structures are modeled by the finite element method. This as well as other techniques are based on idealizations and empiric material properties. Within one theory the parameters of the model should be approximated by gradually performed experiments and their analysis. This approximation method is performed by solving an optimization problem, which is usually non-convex, of high dimension and possesses a non-differentiable objective function. Therefore we use an optimization procedure based on genetic algorithms which was implemented by using the program package SLang...
Maxwell's equations can be rewritten in terms of a Dirac operator D+a. The advantage is that in this setting Maxwell's equations are treated as a system of first order differential equations. To ensure the uniqueness of a non-homogeneous differential equation in the whole space additional conditions are needed.
For the management or reorganisation of existing buildings, data concerning dimensions and construction are necessary. Often these data are given exclusively by paper-based drawings and no digital data such as a computer based product model or even a CAD-model are available. In order to perform mass calculation, damage mapping or a recalculation of the structure these drawings of the building under consideration have to be analysed manually by the engineer. This is a very time-consuming job. In order to close this gap between drawings of an existing building and a digital product model an approach is presented in this paper to digitise a drawing, to build up geometric and topologic models and to recognise construction parts of the building. Finally all recognised parts are transformed into a three-dimensional geometric model which provides all necessary geometric information for the product model. During this import process the semantics of a ground floor plan has to be converted into a 3D-model.
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.
Die Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit im Bereich des Bauwesens, insbesondere kleinerer und mittelständischer Betriebe erfordert ein aktives Handeln als Antwort auf die sich ändernde Wettbewerbssituation. Einen wesentlichen Wettbewerbsvorteil können kleine unternehmerische Einheiten durch höhere Flexibilität, schnelle Reaktion auf Kundenwünsche oder aktuelle Situationen auf der Baustelle und Marktnähe erreichen. Dazu ist es nötig, die Informations- und Kommunikationsströme durch Einsatz standardisierter und kostengünstiger Hard- und Software wie z.B. Handhelds zu unterstützen und insbesondere die existierenden Hindernisse im Informationsfluss zwischen Baustelle und Büro zu beseitigen. Am Beispiel der Projekte >IuK - SystemBau< und >eSharing< wird eine Einführungsstrategie für >Mobile Computing< in kleinen unternehmerischen Einheiten des Bauwesens (KMU) basierend auf einer umfangreichen Anforderungsanalyse vorgestellt. Folgende Aspekte sollen beschrieben werden: durchgängiger Einsatz der Technik unter Beachtung der verschiedenen Qualifikationsniveaus, Einführungsunterstützung durch Schulungen, Prozessanalyse und mögliche Integration in bestehende Software-Umgebungen sowie Feldtests.
Die verteilte Bearbeitung gemeinsamer Produktmodelle ist im Bauwesen Gegenstand der aktuellen Forschung. Der vorgestellte Lösungsansatz bewegt sich in einem Spannungsfeld: Zum einen sollen die zu bearbeitenden Teilmengen des Produktmodells sehr flexibel durch die Planer zu bilden sein, zum anderen müssen Revisions- und Freigabestände dauerhaft und unveränderlich definiert werden. In einer versionierten Umgebung mit vielen Abhängigkeiten sind diese Anforderungen schwierig zu erfüllen. Der vorgestellte Lösungsansatz zeigt die Bildung von Revisions- und Freigabeständen, ohne die flexible verteilte Bearbeitung einzuschränken. Die Freigabestände müssen bestimmte Eigenschaften erfüllen: Es darf beispielsweise nur eine Version eines Objekts enthalten sein und es müssen die Bindungen zu anderen Objektversionen in einer konsistenten Weise berücksichtigt werden. Es wird eine mathematische Beschreibung gewählt, die auf der Mengenlehre und der Graphentheorie basiert.