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The present research analyses the error on prediction obtained under different data availability scenarios to determine which measurements contribute to an improvement of model prognosis and which not. A fully coupled 2D hydromechanical model of a water retaining dam is taken as an example. Here, the mean effective stress in the porous skeleton is reduced due to an increase in pore water pressure under drawdown conditions. Relevant model parameters are ranked by scaled sensitivities, Particle Swarm Optimization is applied to determine the optimal parameter values and model validation is performed to determine the magnitude of error forecast. We compare the predictions of the optimized models with results from a forward run of the reference model to obtain actual prediction errors.
The analyses presented here were performed to 31 data sets of 100 observations of varying data types. Calibrating with multiple information types instead of only one sort, brings better calibration results and improvement in model prognosis. However, when using several types of information the number of observations have to be increased to be able to cover a representative part of the model domain; otherwise a compromise between data availability and domain
coverage prove best. Which type of information for calibration contributes to the best prognoses, could not be determined in advance. For the error in model prognosis does not depends on the error in calibration, but on the parameter error, which unfortunately can not be determined in reality since we do not know its real value. Excellent calibration fits with parameters’ values near the limits of reasonable physical values, provided the highest prognosis errors. While models which included excess pore pressure values for calibration provided the best prognosis, independent of the calibration fit.
Modern digital material approaches for the visualization and simulation of heterogeneous materials allow to investigate the behavior of complex multiphase materials with their physical nonlinear material response at various scales. However, these computational techniques require extensive hardware resources with respect to computing power and main memory to solve numerically large-scale discretized models in 3D. Due to a very high number of degrees of freedom, which may rapidly be increased to the two-digit million range, the limited hardware ressources are to be utilized in a most efficient way to enable an execution of the numerical algorithms in minimal computation time. Hence, in the field of computational mechanics, various methods and algorithms can lead to an optimized runtime behavior of nonlinear simulation models, where several approaches are proposed and investigated in this thesis.
Today, the numerical simulation of damage effects in heterogeneous materials is performed by the adaption of multiscale methods. A consistent modeling in the three-dimensional space with an appropriate discretization resolution on each scale (based on a hierarchical or concurrent multiscale model), however, still contains computational challenges in respect to the convergence behavior, the scale transition or the solver performance of the weak coupled problems. The computational efficiency and the distribution among available hardware resources (often based on a parallel hardware architecture) can significantly be improved. In the past years, high-performance computing (HPC) and graphics processing unit (GPU) based computation techniques were established for the investigationof scientific objectives. Their application results in the modification of existing and the development of new computational methods for the numerical implementation, which enables to take advantage of massively clustered computer hardware resources. In the field of numerical simulation in material science, e.g. within the investigation of damage effects in multiphase composites, the suitability of such models is often restricted by the number of degrees of freedom (d.o.f.s) in the three-dimensional spatial discretization. This proves to be difficult for the type of implementation method used for the nonlinear simulation procedure and, simultaneously has a great influence on memory demand and computational time.
In this thesis, a hybrid discretization technique has been developed for the three-dimensional discretization of a three-phase material, which is respecting the numerical efficiency of nonlinear (damage) simulations of these materials. The increase of the computational efficiency is enabled by the improved scalability of the numerical algorithms. Consequently, substructuring methods for partitioning the hybrid mesh were implemented, tested and adapted to the HPC computing framework using several hundred CPU (central processing units) nodes for building the finite element assembly. A memory-efficient iterative and parallelized equation solver combined with a special preconditioning technique for solving the underlying equation system was modified and adapted to enable combined CPU and GPU based computations.
Hence, it is recommended by the author to apply the substructuring method for hybrid meshes, which respects different material phases and their mechanical behavior and which enables to split the structure in elastic and inelastic parts. However, the consideration of the nonlinear material behavior, specified for the corresponding phase, is limited to the inelastic domains only, and by that causes a decreased computing time for the nonlinear procedure. Due to the high numerical effort for such simulations, an alternative approach for the nonlinear finite element analysis, based on the sequential linear analysis, was implemented in respect to scalable HPC. The incremental-iterative procedure in finite element analysis (FEA) during the nonlinear step was then replaced by a sequence of linear FE analysis when damage in critical regions occured, known in literature as saw-tooth approach. As a result, qualitative (smeared) crack initiation in 3D multiphase specimens has efficiently been simulated.
Helsinki Central
(2012)
Als zentraler Ort und Eingangstor in die finnische Hauptstadt bietet der Bereich um den Bahnhof, in dem sich das Baufeld befindet zu wenig räumliche Qualitäten und bildet gleichzeitig eine Barriere zwischen dem historischen Stadtkern und dem politischen und kulturellem Zentrum der Stadt.
Der historische Bahnhof aus der Epoche des Jugendstils ist momentan eingeschlossen von einer hochfrequentierten Straße im Süden und den flankierenden Stationen des Busbahnhofs an der Ost- und Westseite.
Die fußläufigen Verbindungen in die Altstadt sind gestört und das Regierungsviertel mit
dem Reichstagsgebäude werden links liegen gelassen. Eine Orientierung als Neuankömmling ist schwer möglich.
Darüber hinaus kommt etwa die Hälfte der Züge, vor allem die Regionalzüge nicht in der Bahnhofshalle des Kopfbahnhofes an, weil die Begrenzung durch die
Seitenflügel nur eine Erweiterung des Bahnhofs nach Norden hin zuließ.
Entstanden ist ein Entwurf der versucht, dem gesamten Bereich um den Bahnhof ein neues Gesicht zu geben und eine Verbesserung auf unterschiedlichen Ebenen zu erreichen. Er bündelt zum einen die verschiedenen Verkehrsströme und stellt eine bisher unterbrochene Querverbindung zwischen den benachbarten Stadtvierteln entlang des Bahnhofsareals her. Zum anderen trägt er dem Erfordernis nach einem städtebaulichen Gegenüber für das
Regierungsgebäude Rechnung, welches damit in den Verbund der kulturellen Einrichtungen auf dem Töölönlahti Gelände aufgenommen wird. Darüber hinaus belebt er eine Besonderheit von Helsinki. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts bestand die Notwendigkeit den Hafen an das Schienennetz anzubinden. Da der Stadtkern bereits sehr dicht bebaut war, wurde ein Eisenbahnring entlang der Küste, einmal um das Stadtzentrum herum gebaut. Seitdem die Verbindung stillgelegt wurde liegt dieser Ring brach, was nun die große Chance bietet, eine kreuzungsfreien Rad- und Fußweg zu etablieren, der durch den Entwurf eines Mobilityhubs geschlossen würde.
In der vorliegenden Broschüre werden die städtebaulichen Rahmenbedingungen, die Analyse der gegenwärtigen Situation und der eigentliche Entwurfsprozess, der zu dieser Lösung führte dokumentiert.
Gaze based human-computer-interaction has been a research topic for over a quarter century. Since then, the main scenario for gaze interaction has been helping handicapped people to communicate an interact with their environment. With the rapid development of mobile and wearable display technologies, a new application field for gaze interaction has appeared, opening new research questions.
This thesis investigates the feasibility of mobile gaze based interaction, studying deeply the use of pie menus as a generic and robust widget for gaze interaction as well as visual and perceptual issues on head mounted (wearable) optical see-through displays.
It reviews conventional gaze-based selection methods and investigates in detail the use of pie menus for gaze control. It studies and discusses layout issues, selection methods and applications. Results show that pie menus can allocate up to six items in width and multiple depth layers, allowing a fast and accurate navigation through hierarchical levels by using or combining multiple selection methods. Based on these results, several text entry methods based on pie menus are proposed. Character-by-character text entry, text entry with bigrams and with text entry with bigrams derived by word prediction, as well as possible selection methods, are examined in a longitudinal study. Data showed large advantages of the bigram entry methods over single character text entry in speed and accuracy. Participants preferred the novel selection method based on saccades (selecting by borders) over the conventional and well established dwell time method.
On the one hand, pie menus showed to be a feasible and robust widget, which may enable the efficient use of mobile eye tracking systems that may not be accurate enough for controlling elements on conventional interface. On the other hand, visual perception on mobile displays technologies need to be examined in order to deduce if the mentioned results can be transported to mobile devices.
Optical see-through devices enable observers to see additional information embedded in real environments. There is already some evidence of increasing visual load on the respective systems. We investigated visual performance on participants with a visual search tasks and dual tasks presenting visual stimuli on the optical see-through device, only on a computer screen, and simultaneously on both devices. Results showed that switching between the presentation devices (i.e. perceiving information simultaneously from both devices) produced costs in visual performance. The implications of these costs and of further perceptual and technical factors for mobile gaze-based interaction are discussed and solutions are proposed.
The aim of this study is to show an application of model robustness measures for soilstructure interaction (henceforth written as SSI) models. Model robustness defines a measure for the ability of a model to provide useful model answers for input parameters which typically have a wide range in geotechnical engineering. The calculation of SSI is a major problem in geotechnical engineering. Several different models exist for the estimation of SSI. These can be separated into analytical, semi-analytical and numerical methods. This paper focuses on the numerical models of SSI specific macro-element type models and more advanced finite element method models using contact description as continuum or interface elements. A brief description of the models used is given in the paper. Following this description, the applied SSI problem is introduced. The observed event is a static loaded shallow foundation with an inclined load. The different partial models to consider the SSI effects are assessed using different robustness measures during numerical application. The paper shows the investigation of the capability to use these measures for the assessment of the model quality of SSI partial models. A variance based robustness and a mathematical robustness approaches are applied. These different robustness measures are used in a framework which allows also the investigation of computational time consuming models. Finally the result shows that the concept of using robustness approaches combined with other model–quality indicators (e.g. model sensitivity or model reliability) can lead to unique model–quality assessment for SSI models.
Different types of data provide different type of information. The present research analyzes the error on prediction obtained under different data type availability for calibration. The contribution of different measurement types to model calibration and prognosis are evaluated. A coupled 2D hydro-mechanical model of a water retaining dam is taken as an example. Here, the mean effective stress in the porous skeleton is reduced due to an increase in pore water pressure under drawdown conditions. Relevant model parameters are identified by scaled sensitivities. Then, Particle Swarm Optimization is applied to determine the optimal parameter values and finally, the error in prognosis is determined. We compare the predictions of the optimized models with results from a forward run of the reference model to obtain the actual prediction errors. The analyses presented here were performed calibrating the hydro-mechanical model to 31 data sets of 100 observations of varying data types. The prognosis results improve when using diversified information for calibration. However, when using several types of information, the number of observations has to be increased to be able to cover a representative part of the model domain. For an analysis with constant number of observations, a compromise between data type availability and domain coverage proves to be the best solution. Which type of calibration information contributes to the best prognoses could not be determined in advance. The error in model prognosis does not depend on the error in calibration, but on the parameter error, which unfortunately cannot be determined in inverse problems since we do not know its real value. The best prognoses were obtained independent of calibration fit. However, excellent calibration fits led to an increase in prognosis error variation. In the case of excellent fits; parameters' values came near the limits of reasonable physical values more often. To improve the prognoses reliability, the expected value of the parameters should be considered as prior information on the optimization algorithm.
In vorliegender Studie werden die Wohnstandortpräferenzen der Sinus-Milieugruppen in Dresden über eine standardisierte Befragung (n=318) untersucht. Es wird unterschieden zwischen handlungsleitenden Wohnstandortpräferenzen, die durch Anhaltspunkte auf der Handlungsebene stärker in Betracht gezogen werden sollten, und Wohnstandortpräferenzen, welche eher orientierenden Charakter haben. Die Wohnstandortpräferenzen werden untersucht anhand der Kategorien Ausstattung/Zustand der Wohnung/des näheren Wohnumfeldes, Versorgungsstruktur, soziales Umfeld, Baustrukturtyp, Ortsgebundenheit sowie des Aspektes des Images eines Stadtviertels. Um die Befragten den Sinus-Milieugruppen zuordnen zu können, wird ein Lebensweltsegment-Modell entwickelt, welches den Anspruch hat, die Sinus-Milieugruppen in der Tendenz abzubilden. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass die Angehörigen der verschiedenen Lebensweltsegmente in jeder Kategorie - wenn auch z.T. auf geringerem Niveau - signifikante Unterschiede in der Bewertung einzelner Wohnstandortpräferenzen aufweisen.
Entwurf eines Spieler-Modells für eine erweiterbare Spielplattform zur Ausbildung in der Bauphysik
(2012)
Im Projekt Intelligentes Lernen beschäftigen sich die Professuren Content Management und Web-Technologien, Systeme der Virtuellen Realität und Bauphysik der Bauhaus- Universität Weimar mit der Entwicklung innovativer Informationstechnologien für eLearning- Umgebungen. In den Teilbereichen Retrieval, Extraktion und Visualisierung großer Dokumentkollektionen, sowie simulations- und planbasierter Wissensvermittlung werden Algorithmen und Werkzeuge erforscht, um eLearning-Systeme leistungsfähiger zu machen und um somit den Lernerfolg zu optimieren.
Ziel des Projekts, auf dem Gebiet des simulationsbasierten Wissenstransfers, ist die Entwicklung eines Multiplayer Online Games (MOG) zur Ausbildungsunterstützung in der Bauphysik.
Im Rahmen der vorliegenden Bachelorarbeit wird für diese digitale Lernsoftware ein Spieler- Modell zur Verwaltung der spielerspezifischen Daten entworfen und in das bestehende Framework integriert. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Organisation der erlernten Fähigkeiten des Spielers und in der an den Wissensstand angepassten Auswahl geeigneter Spielaufgaben. Für die Anwendung im eLearning-Bereich ist die Erweiterbarkeit des Modells um neue Lernkomplexe eine wesentliche Anforderung.
Eine der jüngsten Entwicklungen in der Games Branche sind sogenannte Social Games. Hierbei handelt es sich um digitale Spiele, die innerhalb von sozialen Netzwerken, wie z.B. Facebook und Myspace, gespielt werden.
Studien zeigen, dass kommerzielle digitale Spiele mehr als nur ein Zeitvertreib sind. Sie fördern sowohl kognitive, als auch affektive
und psychomotorische Kompetenzen. Aus diesem Grund werden seit Jahrzehnten digitale Spiele in der Pädagogik eingesetzt, um ihre Motivationskraft zu nutzen, um Lerneffekte zu erzielen.
Ziel dieser Arbeit ist es Spielmechaniken für ein bauphysikalisches Social Game zu entwickeln. Ausgehend von der Identifikation von Spielmechaniken, basierend auf einer Analyse der Funktionsweisen existierender populärer Social Games, und einem grundlegenden pädagogischen Verständnis bezüglich Digital Game Based Learning (DGBL), werden Spielmechaniken entwickelt, mit deren Hilfe bauphysikalische Fachkompetenzen vermittelt werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Entscheidungsfindung im Herstellungsprozess von Brückenkappen untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Fuzzy-Methode ein geeignetes Werkzeug sein könnte, die Teilprozesse auf die Möglichkeit ihrer Parallelisierung hin zu untersuchen. Um diese Theorie zu testen, wurde auf den Grundlagen von Arbeiten der Professur Baubetrieb und Bauverfahren der Prozess näher analysiert und unterstützend durch eigene Recherchen ein UML-Diagramm erstellt, welches als Aktivitätsdiagramm ausgebildet wurde. Aufbauend auf diesem Ablauf und den gewonnenen Kenntnissen zur Herstellung einer Brückenkappe, konnten die einzelnen Prozesse zu Teilprozessen, sogenannten Bausteinen, zusammengefasst werden. Diese Bausteine sind entstanden, um die Simulation möglich zu machen, indem der Ablauf weniger komplex wird und nur die Prozesse zu beurteilen sind, die beeinflusst bzw. in ihrer Reihenfolge bis zu einem gewissen Grad variabel sind. Eine erleichterte Interaktion mit den Bausteinen und deren Überführung in ein Simulationsprogramm wurde über Templates realisiert. So besitzt jeder Baustein eine einheitliche Struktur. Unter anderem beinhalten die Bausteine die jeweiligen Ressourcen und Parameter, sowie die Abhängigkeiten der Prozesse untereinander und die zugehörige Priorität. Zur Entscheidungsfindung wurde die Fuzzylogik herangezogen und die Problemstellung der Parallelisierung zum Ziel gesetzt. Die Realisierung wurde über einen Entscheidungsbaum und das daraus resultierende Regelwerk erreicht. Somit ließen sich, ausgehend von einem festgelegten Prozess und durch die Fuzzifizierung der Eingangsparameter Priorität, Prozessdauer und Verfügbarkeit der Ressourcen und Arbeitskräfte, verschiedene Pfade identifizieren, allerdings nur in Verbindung mit den vorher analysierten Abhängigkeiten. Für jeden der Eingangsparameter wurden so Fuzzy-Sets erstellt. Über den Entscheidungsbaum, welcher mit den linguistischen Variablen versehen wurde, konnte über sogenannte "und" - Verknüpfungen das Regelwerk aufgestellt werden. Das gekürzte Regelwerk in dieser Arbeit beinhaltet grundsätzlich nur die Regeln, die auch zu einer wirklichen Entscheidung führen. Daraus folgt, dass es möglich ist mittels der Fuzzy-Methode eine Entscheidung darüber zu fällen, ob zwei Prozesse zu parallelisieren sind oder nicht und aufgetretene Verzögerungen wieder eingeholt werden können.
DISCRETE CRACK MODEL OF BORCZ FOR CALCULATING THE DEFLECTIONS OF BENDING REINFORCED CONCRETE BEAM
(2012)
In the design of the reinforced concrete beams loaded by the bending moment, it is assumed that the structure can be used at a level of load, that there are local discontinuities - cracks. Designing the element demands checking two limit states of construction, load capacity and usability. Limit states usability include also the deflection of the element. Deflections in the reinforced concrete beams with cracks are based on actual rigidity of the element. After cracking there is a local change in rigidity of the beam. The rigidity is variable in the element’s length and due to the heterogeneous structure of concrete, it is not possible to clearly describe those changes. Most standards of testing methods tend to simplify the calculations and take the average value of the beam’s rigidity on its entire length. The rigidity depends on the level of the maximal load of the beam. Experimental researches verify the value by inserting the coefficients into the formulas used in the theory of elasticity. The researches describe the changes in rigidity in the beam’s length more precisely. The authors take into consideration the change of rigidity, depending on the level of maximum load (continuum models), or localize the changes in rigidity in the area of the cracks (discrete models). This paper presents one of the discrete models. It is distinguished by the fact that the left side of the differential equation, that depends on the rigidity, is constant, and all effects associated with the scratches are taken as the external load and placed on the right side of the equation. This allows to generalize the description. The paper presents a particular integral of the differential equation, which allow analyzing the displacement and vibration for different rigidity of the silo’s walls, the flow rate and type of the flowing material.
Bridge vibration due to traffic loading has been subject of extensive research in the last decades. Such studies are concerned with deriving solutions for the bridge-vehicle interaction (BVI) and analyzing the dynamic responses considering randomness of the coupled model’s (BVI) input parameters and randomness of road unevenness. This study goes further to examine the effects of such randomness of input parameters and processes on the variance of dynamic responses in quantitative measures. The input parameters examined in the sensitivity analysis are, stiffness and damping of vehicle’s suspension system, axle spacing, and stiffness and damping of bridge. This study also examines the effects of the initial excitation of a vehicle on the influences of the considered input parameters. Variance based sensitivity analysis is often applied to deterministic models. However, the models for the dynamic problem is a stochastic one due to the simulations of the random processes. Thus, a setting using a joint meta-model; one for the mean response and other for the dispersion of the response is developed. The joint model is developed within the framework of Generalized Linear Models (GLM). An enhancement of the GLM procedure is suggested and tested; this enhancement incorporates Moving Least Squares (MLS) approximation algorithms in the fitting of the mean component of the joint model. The sensitivity analysis is then performed on the joint-model developed for the dynamic responses caused by BVI.