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Collaborative Design Processes: A Class on Concurrent Collaboration in Multidisciplinary Design
(2004)
The rise of concurrent engineering in construction demands early team formation and constant communication throughout the project life cycle, but educational models in architecture, engineering and construction have been slow to adjust to this shift in project organization. Most students in these fields spend the majority of their college years working on individual projects that do not build teamwork or communication skills. Collaborative Design Processes (CDP) is a capstone design course where students from the University of Illinois at Urbana-Champaign and the University of Florida learn methods of collaborative design enhanced by the use of information technology. Students work in multidisciplinary teams to collaborate from remote locations via the Internet on the design of a facility. An innovation of this course compared to previous efforts is that students also develop process designs for the integration of technology into the work of multidisciplinary design teams. The course thus combines both active and reflective learning about collaborative design and methods. The course is designed to provide students the experience, tools, and methods needed to improve design processes and better integrate the use of technology into AEC industry work practices. This paper describes the goals, outcomes and significance of this new, interdisciplinary course for distributed AEC education. Differences from existing efforts and lessons learned to promote collaborative practices are discussed. Principal conclusions are that the course presents effective pedagogy to promote collaborative design methods, but faces challenges in both technology and in traditional intra-disciplinary training of students.
This paper is concerned with the numerical treatment of quasilinear elliptic partial differential equations. In order to solve the given equation we propose to use a Galerkin approach, but, in contrast to conventional finite element discretizations, we work with trial spaces that, not only exhibit the usual approximation and good localization properties, but, in addition, lead to expansions of any element in the underlying Hilbert spaces in terms in multiscale or wavelet bases with certain stability properties. Specifically, we select as trial spaces a nested sequence of spaces from an appropriate biorthogonal multiscale analysis. This gives rise to a nonlinear discretized system. To overcome the problems of nonlinearity, we make use of the machinery of interpolating wavelets to obtain knot oriented quadrature rules. Finally, Newton's method is applied to approximate the solution in the given ansatz space. The results of some numerical experiments with different biorthogonal systems, confirming the applicability of our scheme, are presented.
IFC-BASED MONITORING INFORMATION MODELING FOR DATA MANAGEMENT IN STRUCTURAL HEALTH MONITORING
(2015)
This conceptual paper discusses opportunities and challenges towards the digital representation of structural health monitoring systems using the Industry Foundation Classes (IFC) standard. State-of-the-art sensor nodes, collecting structural and environmental data from civil infrastructure systems, are capable of processing and analyzing the data sets directly on-board the nodes. Structural health monitoring (SHM) based on sensor nodes that possess so called “on-chip intelligence” is, in this study, referred to as “intelligent SHM”, and the infrastructure system being equipped with an intelligent SHM system is referred to as “intelligent infrastructure”. Although intelligent SHM will continue to grow, it is not possible, on a well-defined formalism, to digitally represent information about sensors, about the overall SHM system, and about the monitoring strategies being implemented (“monitoring-related information”). Based on a review of available SHM regulations and guidelines as well as existing sensor models and sensor modeling languages, this conceptual paper investigates how to digitally represent monitoring-related information in a semantic model. With the Industry Foundation Classes, there exists an open standard for the digital representation of building information; however, it is not possible to represent monitoring-related information using the IFC object model. This paper proposes a conceptual approach for extending the current IFC object model in order to include monitoring-related information. Taking civil infrastructure systems as an illustrative example, it becomes possible to adequately represent, process, and exchange monitoring-related information throughout the whole life cycle of civil infrastructure systems, which is referred to as monitoring information modeling (MIM). However, since this paper is conceptual, additional research efforts are required to further investigate, implement, and validate the proposed concepts and methods.
To fulfil safety requirements the changes in the static and/or dynamic behaviour of the structure must be analysed with great care. These changes are often caused by local reduction of the stiffness of the structure caused by the irregularities in the structure, as for example cracks. In simple structures such analysis can be performed directly, by solving equations of motion, but for more complex structures a different approach, usually numerical, must be applied. The problem of crack implementation into the structure behaviour has been studied by many authors who have usually modelled the crack as a massless rotational spring of suitable stiffness placed at the beam at the location where the crack occurs. Recently, the numerical procedure for the computation of the stiffness matrix for a beam element with a single transverse crack has been replaced with the element stiffness matrix written in fully symbolic form. A detailed comparison of the results obtained by using 200 2D finite elements with those obtained with a single cracked beam element has confirmed the usefulness of such element.
Die Situation in der Immobilienwirtschaft hat sich in den letzten Jahren grundlegend verändert. Die Neubauaktivitäten in ganz Deutschland sind deutlich zurückgegangen. Das Bauen im Bestand mit den Tätigkeitsfeldern der Renovierung, Modernisierung und Instandsetzung rückt daher in den Mittelpunkt der Aktivitäten. Laut Bundesarbeitskreis Altbauerneuerungen werden im nächsten Jahr 74 Prozent des gesamten Bauvolumens auf die Modernisierung von alten Häusern entfallen, der Anteil der Neubaumaßnahmen geht auf 26 Prozent zurück. Dies gilt nicht nur für Wohn-, sondern auch für Gewerbeimmobilien. Die anhaltende Rezession und die Entzauberung der New Economy ziehen in diesem Bereich Leerstände und fallende Mieten nach sich. Auch die Wohnungswirtschaft hat vor allem in den neuen Ländern mit Leerständen zu kämpfen. Diese Tatsache zwingt Immobilienbetreiber zunehmend dazu, Methoden zu ergreifen und Werkzeuge einzusetzen, die die Effizienz im eigenen Unternehmen steigern. Die Aufgabenstellung lautet: Mehr Sanierungsprojekte in der selben Zeit abwickeln. Dies setzt eine prozessorientierte Vorgehensweise und unterstützende Werkzeuge voraus. Mit dem baucommunicator wurde ein Werkzeug entwickelt, dass es dem Gebäudemanager ermöglicht, bei der Abwicklung von Bau- und Sanierungsmaßnahmen im Aufgabenfeld der Koordination dieser Aufgabenstellung zu entsprechen. Die Kernfunktionen der Software sind das Termin-, Kosten und Qualitätsmanagement bei der Abwicklung von Bauprozessen. Die unternehmensübergreifende Konzeption erlaubt sowohl dem Auftraggeber, wie auch den ausführenden Betrieben den Zugriff auf die zentral abgelegten Projektinformationen. Die Workflow-Funktionalität des baucommunicator führt zu einer Reduktion der Prozessaktivitäten. Dadurch werden Kosten eingespart und die Ausführungsqualität gesteigert.
Für den Entwurf von Ingenieurbauten ist eine zuverlässige Prognose über den Spannungsverlauf im Bauwerk und auf dessen Rand von großer Bedeutung. Eine geschlossene Lösung der elastischen Bestimmungsgleichungen des Bauwerks ist in der Regel nicht verfügbar. Es wird daher unter Verwendung der Methode der gewichteten Reste eine schwache Form der Gleichungen abgeleitet, die zu einem gemischten Arbeitsprinzip führt. Das zugehörige Finite-Elemente-Modell erlaubt es Spannungen am Rand des Bauwerks zu ermitteln, die im Gleichgewicht zu den angreifenden Lasten stehen.
Vor dem Hintergrund einer sich verschärfenden Umweltgesetzgebung sowie der Erkenntnis, dass Bauabfälle sich grundsätzlich für eine Stoffkreislaufführung eignen, hat der Rückbau von Bauwerken in den letzten Jahren verstärkt an Bedeutung gewonnen. Aufgrund oftmals strenger Zeit- und Kostenvorgaben für einen Rückbau, begrenzter Verfügbarkeit von Personal und Betriebsmitteln, einer weitgehenden Unikatfertigung sowie wechselnder Standorte kommt dabei der projektorientierten Planung von Maßnahmen auf der Baustelle große Bedeutung zu. Im Rahmen des Beitrages werden Ansätze zur Modellierung und Lösung der sich hieraus ergebenden Probleme zur Planung und Optimierung von (Rück-) Bauabläufen unter Verwendung von Projektplanungsmodellen und -methoden vorgestellt. Hierbei werden neben betriebswirtschaftlichen auch umweltrelevante sowie technische Fragestellungen im Zusammenhang mit der Planung von Rückbauprojekten aufgegriffen. Eine Anwendung der Planungsansätze auf reale Gebäude zeigt, dass sich durch Kombination von Gebäuderückbau und Aufbereitungstechnik eine Qualitätsverbesserung von Recyclingbaustoffen erzielen lässt. Zur Umsetzung der hierzu erforderlichen Maßnahmen werden unter Berücksichtigung individueller abfallwirtschaftlicher Rahmenbedingungen der jeweiligen Planungsregion, gebäude- und baustellenbezogener Besonderheiten, technischer sowie kapazitiver Restriktionen Ablaufpläne für den Gebäuderückbau berechnet. Die für unterschiedliche Planungsregionen vorgenommenen Modellrechnungen weisen nach, dass sich die Demontage von Gebäuden gegenüber einem konventionellen Gebäudeabbruch unter bestimmten Rahmenbedingungen bereits wirtschaftlich vorteilhaft realisieren lässt. Abgerundet wird der Beitrag durch einen Ausblick auf Möglichkeiten einer Realisierung komplexer Bauabläufe auch unter strengen Zeitvorgaben sowie bei begrenzten Platzverhältnissen mit Hilfe fertigungssynchroner Ressourceneinsatzplanung sowie auf die Berücksichtigung von Unsicherheiten in der Planung und Ausführung von Rückbauprojekten.
Zur Berechnung der Böeneinwirkungen auf ein Brückenbauwerk wird ein stochastisches Modell vorgestellt. Die Windkraft aus der Böenbelastung wird dabei als systemunabhängige Luftkraft betrachtet welche in mathematischer Hinsicht dadurch gekennzeichnet ist, daß die aeroelastischen Bewegungsdifferentialgleichungen inhomogener Natur sind und der Bewegungsablauf den Charakter einer erzwungenen abklingenden Schwingung hat. Ausgehend von den nicht linearen partiellen Differentialgleichungen für Verschiebung und Torsion wird mittels der Galerkin Prozedur ein System von totalen Differentialgleichungen abgeleitet. Die äußeren Luftkräfte werden als gefilterter Poissonprozess von Dirac Impulsen dargestellt. Zur Berechnung der statistischen Momente des Differentialgleichungssystem wird die Itô'sche Differentialformel erweitert und in ein System von algebraischen nicht linearen Gleichungen transformiert. Diese dienen zur Berechnung des Momentenverlaufs für den stationären Anteil des stochastischen Prozesses. Der Abschluß des so erhaltenen nicht linearen Gleichungssystems erfolgt über die Methode der Kumulantenabschlußtechnik.
Die Kooperation zwischen Menschen und Computern gewinnt in zahlreichen Problemstellungen mehr und mehr an Bedeutung. Ein wesentlicher Grund hierfür ist die ständig wachsende Komplexität relevanter Problemstellungen. Dadurch bedingt sind weder der Mensch noch der Computer alleine in der Lage, zufriedenstellende Lösungen zu entwickeln. Die Kombination der individuellen Fähigkeiten hat sich in vielen Bereichen als gewinnbringend erwiesen. Genetische Algorithmen (GA) als Repräsentanten der >Evolutionary Computation< stellen einen Ansatz zur Lösung hochkomplexer Optimierungsaufgaben dar, der sich an den Vorgängen der Evolution orientiert. Im Gegensatz zu vielen anderen Optimierungsverfahren bringen sie einige Eigenarten mit, die kooperative Erweiterungen einfach und erfolg-versprechend machen. Der vorgestellte kommunizierende Genetische Algorithmus kombiniert die Vorteile der GA mit der Fähigkeit zur Kooperation. Es gelingt bei seiner Verwendung, gute externe Vorschläge aufzunehmen, während schlechte Vorschläge keinerlei negative Auswirkungen zeigen. Diese Robustheit gegen Irrtümer und Fehleingaben macht den KGA zu einer idealen Basis für Programme zur kooperativen Problemlösung.
Today´s procedures for the awarding of public construction performance contracts are mainly paper-based. Although the usage of electronic means is permitted in the VOB, the regulations are not sufficient yet. Especially software agents within the AEC-bidding process were not considered at all. The acceptance of an agent-based virtual marketplace for AEC-bidding depends on a reliable and trustworthy public key infrastructure according to the (German) digital signature act. Only if confidentiality, integrity, non-repudiation, and authentication are provided reliably, users will assign sensitive business processes like public tendering procedures to software agents. The development of a secure agent-based virtual marketplace for AEC-bidding according to legal regulations is an entirely new approach from a technical as well as from a legal point of view. The objective of this research project is the development of intelligent software-agents which are able to legally call for bids, to calculate proposals, and to award the successful bidder.
This paper is a report of Radio Frequency Identification (RFID) technology and its potential applications in the commercial construction industry. RFID technology offers wireless communication between RFID tags and readers with non line-of-sight readability. These fundamental properties eliminate manual data entry and introduce the potential for automated processes to increase project productivity, construction safety, and project cost efficiency. Construction contractors, owners, and material suppliers that believe technology can further develop methods and processes in construction should feel obligated to participate in RFID studies for the advancement of the construction industry as a whole.
Ein Algorithmus zur Lösung von Tourenproblemen mit Zeitrestriktionen und inhomogenem Fahrzeugpark
(2003)
Es wird ein Algorithmus vorgestellt, der auf Tourenprobleme mit verschiedenen Restriktionen anwendbar ist. Zum einen können sowohl die Aufträge der Kunden als auch die Fahrzeuge mit Zeitrestriktionen in Form eines oder mehrerer Zeitfenster versehen sein. Zum anderen stehen auszuliefernde Waren nur in gewissen zeitabhängigen Stückzahlen zur Verfügung. Die vorhandenen Fahrzeuge besitzen hinsichtlich Kapazität und Geschwindigkeit unterschiedliche Eigenschaften, wobei von den Kunden gewisse Fahrzeugtypen ausgeschlossen werden können. Die Aufträge werden zunächst hinsichtlich örtlichem und zeitlichem Abstand in Cluster unterteilt. Den Clustern werden auf der Basis von Bewertungen Fahrzeuge zugeordnet, mit denen Touren innerhalb der Cluster erzeugt werden. Das Aufstellen der Touren erfolgt mittels eines Savingsverfahrens, bei dem das Saving aus einer örtlichen und einer zeitlichen Komponente besteht. Der Algorithmus läßt sich über eine Vielzahl an Parametern steuern.
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.
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 contribution describes the didactical integration of wireless access networks for the campus of the University of Karlsruhe in the education of architects and engineers. It focuses on the development of an interdisciplinary communication network to encourage and promote the communication and collaboration between students. The project assumes that significant learning progresses in net-based learning scenarios are based upon the synchronous and asynchronous cooperation between the students themselves. The remote cooperation across borders of disciplines makes high demands on capacity in communicating and cooperating of the involved persons as well as on the supporting tools. Therefore, the collective acquisition of knowledge and cooperation has to be trained intensively during the studies. Based on the design and project oriented cooperation platform netzentwurf.de the authors developed the tools “Jobadmin“ to administrate multidisciplinary workgroups, the “Swarm Knowledge Catalogue“ to collect and store knowledge and “LivingCampus“, an instrument providing basic services for dynamic communication.
>Virtual Organizations<, >Virtual Enterprises< und >Smart Organizations< werden immer häufiger als zukünftige Geschäftsform für des Bauwesens und insbesondere der Bauplanung gesehen. Ziel dieser Organisationsformen ist es, eine temporäre geschäftliche Zusammenarbeit zur Erschließung neuer Geschäftsfelder aufzubauen, ausgehend von einer strategischen Geschäftsverbindung. Insbesondere für kleine Planungsbüros können sich hieraus Möglichkeiten zur Durchführung größerer Projekte eröffnen, indem notwendige Ressourcen, wie z.B. Fachingenieure, jeder Zeit flexibel integriert werden können. Neben dem Auftreten als Projektmanager besteht für die Planungsbüros auch die Möglichkeit Spezialwissen sowie nicht benötigte Ressourcen in andere Projekte zu integrieren. Ziel ist es dabei, eine kontinuierliche Auslastung der Mitarbeiter sicherzustellen. Durch die Nutzung einer geeigneten und allgemein zugänglichen IT-Infrastruktur über das Internet können neue Partner ohne großen Aufwand in ein Projekt aufgenommen werden indem diesen Zugriffe auf alle notwendigen Projektinformationen gegeben wird. Mit der Bereitstellung passender IT-Werkzeuge für das Projektmanagement, Datenmanagement und Vertragsmanagement wird eine effektive Projektbearbeitung gewährleistet. In diesem Beitrag werden die konzeptionellen Grundlagen virtueller Organisation genauer betrachtet und deren Anwendbarkeit auf virtuelle Planungsteams im Bauwesen untersucht. Anschließend wird, aufbauend auf diese Erkenntnisse, der Aufbau und die Komponenten einer Softwareumgebung zur Unterstützung des virtuellen Planungsteams erörtert. Zum Schluss erfolgt eine Darstellung des durch das BmBF geförderte Projekt iCSS.
Anwendungen der Methoden des Operations Research in der Praxis des Projektmanagements sind so gut wie kaum zu finden. Diese Anwendungslücke ist umso erstaunlicher, als es eine große Zahl von theoretischen Veröffentlichungen zum Themenkreis >Operations Research und Projektmanagement< gibt . Der Beitrag arbeitet die verschiedenen Ursachen für die bislang geringe praktische Relevanz der Disziplin >Operations Research< heraus und macht Vorschläge, wie in Zukunft anwendungsfreundlichere Modelle entwickelt werden können.
Information and Communication Technologies (ITC) in education have been extensively discussed nowadays. In this e-learning scenario, the construction and use of environments that support teaching and learning is a reality. Therefore, for time and general resource savings it is crucial the access to hypermedia contents with great interactivity and with high reusability. Substantial efforts have been centered in the search for a metadata proposal (metadata is a generic term used to describe data that can be used to identify and to describe common characteristics among different documents) that can be standardized and is system independent for the so called learning objects.
Recent research shows that current learning strategies in construction industry have not been effective in implementing lean principles in construction. With that in mind the researchers set to investigate an alternative learning strategy in order to promote learning at the international level. A web-based environment, was developed for this project with the intent of promoting learning and knowledge exchange on the theory and practice of "process transparency" across different countries.
Business and engineering knowledge in AEC/FM is captured mainly implicitly in project and corporate document repositories. Even with the increasing integration of model-based systems with project information spaces, a large percentage of the information exchange will further on rely on isolated and rather poorly structured text documents. In this paper we propose an approach enabling the use of product model data as a primary source of engineering knowledge to support information externalisation from relevant construction documents, to provide for domain-specific information retrieval, and to help in re-organising and re-contextualising documents in accordance to the user’s discipline-specific tasks and information needs. Suggested is a retrieval and mining framework combining methods for analysing text documents, filtering product models and reasoning on Bayesian networks to explicitly represent the content of text repositories in personalisable semantic content networks. We describe the proposed basic network that can be realised on short-term using minimal product model information as well as various extensions towards a full-fledged added value integration of document-based and model-based information.
Das studentische Projekt Umweltorientiertes Projektmanagement (UWoPM) eröffnet eine neue Generation von Arbeitsweisen im Projektmanagement. Umweltbelange wirken über Rechtsvorschriften immer stärker in das Projektgeschäft hinein. Durch Einbeziehung von rechtsrelevanten Daten in die Projektdatenbasis sowie von Rechtsbestimmungen in die Wissensbasis wird eine Softwareunterstützung für (wenn auch zunächst nur elementare) Rechtsfragen geboten. Eine spezielle Präsentation von Rechtswissen und eine komfortable Unterstützung der Antragstellung sollen dies in die Selbstverständlichkeiten des Projektmanagements einbringen. Gleichzeitig bietet der UWoPM-Prototyp zeitgemäße Systemlösungen für die Kommunikation Antragsteller - Behörde sowie für den Workflow innerhalb der Genehmigungsbehörde. Dieser Vortrag gibt Einführung und Übersicht zu insgesamt 18 Diplomarbeiten, in denen die Einzelkomponenten des UWoPM entwickelt wurden. Zentrales Problem war die Überführung gesetzlicher Vorschriften in Wissensbasen. Durch Beschränkung auf >Kernbestimmungen< und Ausweis von Interpretationsbedarf wurde ein prinzipieller Lösungsweg realisiert. Die technische Realisierung konnte zwar über einen Prototyp noch nicht hinausgehen, weist aber die Realisierbarkeit des Gesamtansatzes nach.
The general motivation of this research is to develop software to support the handling of the increased complexity of architectural design. In this paper we describe a system providing general support during the whole process. Instead of only developing design tools we are also addressing the problem of the operating environment of these tools. We conclude that design tools have to be integrated in an open, modular, distributed, user friendly and efficient environment. Two major fields have to be addressed - the development of design tools and the realisation of an integrated system as their operation environment. We will briefly focus on the latter by discussing known technologies in the field of information technology and other design disciplines that can be used to realise such an environment. Regarding the first subject we have to state the need of a detailed tool specification. As a solution we suggest a strategy where the tool functions are specified on the basis of a transformation, where a hierarchical process model is mapped into specifications of different design tools realising appropriate support for all sub-processes of architectural design. Using this strategy the main steps to develop such a support system are: implementation of a framework as basis for the integrated design system decision whether the tool specification are already implemented in available tools in this case these tools can be integrated using known methods for tool coupling otherwise new design tools have to be developed according to the framework
This paper describes a didactic application that is part of a research project whose main aim is to develop a computer-aided system which will assist design and construction processes. It is based on the visual simulation of construction activities. Geometric modeling and virtual reality techniques are used in the visualization of the design process and to define user-friendly interfaces in order to access construction information, which could prove useful to Civil Engineering professionals. As a first step, was developed a prototype that serves as a didactic tool for Civil Engineering students of disciplines concerned with building construction. The construction of a double brick wall is the case studied. The wall is defined as a three dimensional model formed with the several components needed to edify it. Using the wall's virtual model it is possible to show, in an interactive way, the sequence of the construction process and observe from any point of view the configurations in detail of the building components. This is then a didactic tool application in construction processes domain of great interest to Civil Engineering students.
The construction of a new building interferes with the existent environment. A careful aesthetic study must be made at an early stage in the design and the visualization of a three-dimensional (3D) model of the structure is the best way to analyse it. As some structures presents a complex shape is difficult to execute a 3D model as well as the specific drawings. Using traditional graphical systems, the execution of deck specific drawings is extremely time consuming and the 3D deck model gives an approximation only of the exterior shape of the deck. The modelling scheme proposed here allows the automation of the geometric design phases related to the deck bridge element using as a means of integration a geometric database representative of the real deck shape. This concept was implemented in a computer program. This application is an important support in the process design namely at the conceptual and graphical stages. The computer application provides an important tool to the bridge designer particularly at the conceptual stage, as it allows aesthetic and structural evaluation of the bridge at an early stage in the design. The geometric modelling process and graphical results of a case study are presented.
Die Entwicklung von Projekten des Hoch- und Industriebaus ist durch eine Vielzahl von zu verarbeitenden Informationen und Bewertungsgrundlagen in den Planungsphasen der Bau-land- sowie der Hoch- und Industriebauentwicklung für die Kostenkalkulation geprägt. Die Identifizierung, Beschaffung, Verwaltung und Verarbeitung dieser nach Art, Form und Inhalt bei den Kommunikationspartnern verteilt vorliegenden Informationen führt zu komplexen Planungsprozessen. Zur Bewältigung dieser Komplexität ist die Bauprojektentwicklung kooperativ in vernetzten Systemen durchzuführen. Insbesondere kann die Kostenkalkulation auf Basis der sich zeitlich verändernden Fachinformation im Netz effizient, zeitnah und mit hoher Qualität durchgeführt werden. Die bisher eingesetzten Methoden und Verfahren unterstützen die Projektplaner bei der Datenerfassung und -verarbeitung der kostenrelevanten Informationen nur in lokalen Computernetzen. Die Erfassung von Kosteninformationen, wie zum Beispiel Kostenschätzungen zur Planung von Projekten oder die im Laufe der Projektentwicklung entstehenden Kosten, liegen jedoch verteilt bei den Projektpartnern vor. Es ist daher notwendig, zur Vermeidung von Erfassungs-fehlern und zur Steigerung der Kooperation der Projektpartner bei der wirtschaftlichen Kalkulation von Bauprojekten, den Projektpartnern eine rechnergestützte und projektweite Kalkulation unter Nutzung von Computernetzwerken zu ermöglichen. Die Autoren stellen ein agenten-basiertes Kooperationsmodell für die Kosten-Kalkulation in Rahmen der Bauprojektentwicklung in vernetzten Systemen vor, das durch Strukturierung der Planungsinformationen die selbständige Suche nach klar definierten Informationen auf Basis mobiler Internet-Agenten dynamisch-adaptiv unterstützt.
Der Beitrag basiert auf den Ansätzen und Ergebnissen des Forschungsprojekts >Prozessorientierte Vernetzung von Ingenieurplanungen am Beispiel der Geotechnik<, des DFG-Schwerpunktprogramms 1103 >Vernetzt-kooperative Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau<. Ziel ist die Entwicklung einer netzwerkbasierten Kooperationsplattform zur Unterstützung von Ingenieurplanungen. Methodische Grundlagen hierfür stellen die Petri-Netze mit individuellen Marken in Verbindung mit einer semantischen Informationsbewertung dar. Der Beitrag zeigt an einem Beispiel die grundlegenden Möglichkeiten der Petri-Netze auf und stellt die Steuerung der Planungsprozesse aufgrund von Metainformationen dar. Darüber hinaus wird der Ansatz verfolgt, auf der Basis bauteilorientierter Prozessmuster für geotechnische Konstruktionselemente den veränderlichen Prozessablauf zu erfassen. Abschließend wird ein Weg zur Implementierung gezeigt.
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.
Internetbasiertes Management von Bauprojekten auf der Basis eines dynamischen Workflow-Frameworks
(2003)
Die Baubranche zeichnet sich durch eine sehr starke Arbeitsteilung aus, die hohe Ansprüche an die Koordination der Prozesse und auch an die Qualität der auszutauschenden Informationen stellt. Trotz der gegenwärtigen informationstechnologischen Möglichkeiten gibt es in der Bauwirtschaft noch keine umfassende Lösung, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Insbesondere sind Modelle zur durchgängigen Koordinierung der Prozesse und Arbeitsabläufe (Workflows) im Informations- und Kommunikationsverbund für die baupraktischen Belange noch nicht entwickelt worden. Die Abbildung der dynamischen Aspekte der Workflows zwischen Bauherren, Projektleitung, Fachplanern, Bauaufsichtsbehörde und Bauunternehmen können zu einer Erhöhung der Termin- und Kostensicherheit führen. Vorhandene Software-Produkte im Bereich des Workflow-Managements erfüllen die Anforderungen der vernetzt-kooperativen Planung bzw. Ausführung im Bauwesen nicht durchgängig und sind nicht in einen internetbasierten Projektraum integrierbar. Die Grundlage des hier vorgestellten Systems bildet ein so genanntes Workflow-Framework, dem alle Fachinformationen, wie Kosten, Termine, Gebäudestruktur und (Plan-) Dokumente untergeordnet sind. Dieses Framework stellt eine auf die Anforderungen des Bauwesens ausgerichtete Anwendung dar, mit deren Hilfe die Beteiligten und deren Aktivitäten, die Fachinformationen und die zu verwendenden Fachapplikationen koordiniert und überwacht werden können. Mit dieser Anwendung, die in den internetbasierten Projektraum Baukom-Online integriert ist, kann zum einen die Projektleitung bzw. der Projektsteuerer bei der Koordination, Steuerung und Überwachung der Bauprojektabwicklung in technischer, rechtlicher und wirtschaftlicher Hinsicht unterstützt werden. Zum anderen ermöglicht es den Beteiligten in Planung, Genehmigung und Ausführung, ihre Arbeitsabläufe im Hinblick auf eine fristgerechte und wirtschaftliche Abwicklung effizienter zu gestalten.
One of the basic types of strength calculations is the calculation of limit equilibrium of constructions. This report describes new method for solving the problem of limit equilibrium. The rigid-plastic system in this method is substituted with an «equivalent» elastic system with specially constructed rigidities. This is why it is called the method of pseudorigidities. An iteration algorithm was developed for finding pseudorigidities. This algorithm is realized in a special software procedure. Conjunction of this procedure with any elastic calculation program (base program) creates a program solving rigid-plastic problems. It is proved, that iterations will be converge to the solution for the problem of limit equilibrium. The solution of tests show, that pseudorigidity method is universal. It allows the following: - to solve problems of limit equilibrium for various models (arch, beam, frame, plate, beam-wall, shell, solid); - to take into account both linearized and square-law fluidity conditions; - to solve problems for various kinds of loads (concentrated, distributed, given by a generalized vector); - to take into account the existing various of fluidity criteria in different sections etc. The iterative PRM process quickly converges. The accuracy of PRM is very high even in case of rough finite-element structuring. The author has used this method for design protection systems from extreme loads due to equipment of nuclear power stations, pipelines, cargo in any transportation.
Die Inverse Matrizeniteration ist ein Verfahren zur Bestimmung der Eigenzustände reeller, symmetrischer Matrizen mit konvexer Profilstruktur. Das Verfahren zeichnet sich besonders durch den Erhalt der Profilstruktur und die Bestimmung der Eigenwerte in geordneter Reihenfolge aus. Die Iteration ermöglicht die gezielte Bestimmung mehrerer aufeinander folgender betragskleinster Eigenwerte, wie es im Bauwesen insbesondere für Stabilitäts- und Schwingungsanalysen erforderlich ist. Die Anwendung dieses Verfahrens hat gezeigt, daß ein Teil der gesuchten Eigenwerte mit wenigen Iterationszyklen bestimmt werden kann, während andere eine größere Anzahl von Iterationszyklen erfordern. Diese lokale Konvergenzverschlechterung kann durch eine Jacobi-Randkorrektur, wie sie im Beitrag näher erläutert wird, behoben werden.
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.
The growing competition pressure in the building industry increases the demands on the design and construction processes in respect to economical, technical and time aspects. These demands require efficient improvements of the value-added chain, which can be realized mainly with the usage of innovative information- and communication-technologies. To support the collaboration of all participants involved in a certain building project the Workflow-Management-System “BauKom-Online” has been developed. In the focus of the system is to support the coordination of the participants and their information exchange. Such a software-method is well suited to ensure a high quality planning process. The modelling of business-processes enables a better self-comprehension of the participants work and helps to enhance the project performance. The system architecture of BauKom-Online contains two basic components: the processmodelling tool and the workflow-engine. The process-model contains of activities and states of the planning and construction processes and their relations. These connected processes compose the workflow. Such a process-model for engineering purposes has to satisfy several needs, e.g., the consideration of planning and building alternatives, dynamic changes of the model during execution of the project and the linkage to further technical objects like costs, building structure, specifications and documentmanagement. Furthermore, the scheduling of the project can be done within the process-model and can be visualized as a Gantt-diagram. ...
As a result of the pilot-project “Grundwasser-Online” the supervision and the active controlling of large monitoring- and catchment-areas are realised by a co-operative integration of all related institutions, a synchronisation-process to combine all distributed data into one central server database, and a high-level eGovernment-Service to provide evaluated information over the internet. Based on this software system the local authorities are able to supervise the groundwater-levels and to find adequate decisions, which finally result in official permissions for the usage of groundwater-reservoirs by the water supply companies.
This paper contributes to discussion on introduction of exclusive lane for public transport. Analyses of results have been presented on effectiveness of usage of a 4 - lane and a 6 - lane street with and without an exclusive lane for buses. Two basic sub-models have been applied: - the binary logit model for modal split estimation; it takes into consideration the relation of travel time performed by private cars to public transport, - the polynomial model for predicting link impedance; the real travel time is affected by relation of traffic volume to the design capacity The parameters of both sub-models have been calibrated for the Polish conditions. The relationships are determined between number of person trips and traffic volume of buses/private cars, market share of public transport in motorised trips, average travel time lost in trips, average operation cost. An iterative technique addresses a feedback between the modal split and traffic volumes. Numerical calculations by use of EXCEL and MATLAB were carried out. Typical values of corridor length, occupancy rate of passenger car, design capacity of the bus, access and egress time to and from the parking/bus-stop in urban areas were applied. On the basis of the estimated results, the marginal parameter values: number of people carried at which separated lane for buses is most effective , traffic volume for private cars, traffic volume for buses and share of public transport in trips have been got by consideration of the average travel time lost and operational cost as criteria: Then introduction of street lanes with and without exclusive lane for buses in relation to number of person trips can be optimized.
Dieser Beitrag zeigt einen Ansatz, verschiedene numerische Simulationsaufgaben auf ein gemeinsames und durchgängig dreidimensionales Geometriemodell zu gründen. Hinsichtlich der physikalischen Modelle reicht die Bandbreite der hier vorgestellten Anwendungen von einer ganzheitlichen Betrachtung der Gebäudestruktur in der Strukturmechanik über die raumbezogene, hochauflösende Modellierung konvektiver Raumluftströmungen bis hin zur Simulation des thermischen Verhaltens eines ganzen Gebäudes. Das jeweils zugrunde liegende numerische Verfahren setzt dabei auf einem stets gleichen Zwischenmodell der realen Geometrie der Struktur auf, ohne dabei vereinfachende dimensionsreduzierte Modelle anzuwenden. Nachfolgende Werkzeuge werden derzeit im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte an dieses Geometriemodell angeschlossen: Die p-Version der FEM für die Strukturanalyse, ein sog. Mehrzonenmodell für die thermische Gebäudesimulation sowie ein auf dem sog. hybriden thermischen Gitter-Boltzmann-Verfahren (hTLBE) basierender Strömungssimulationscode. Der Import geometrischer wie semantischer Daten eines Bauwerks in das Simulations-Framework erfolgt nach dem Produktmodell der Industry Foundation Classes (IFC), das sich als Quasi-Standard für den Datenaustausch im Bauwesen etabliert hat. Das IFC-Schema dient dabei nicht als Modell zur internen Speicherung von Daten, sondern wird hier als Schnittstelle zur Anbindung unterschiedlicher Programme wie CAD-Anwendungen für Architekten oder anderen Modellierungstools verwendet. Die Implementierung dieser Schnittstelle erfolgt unter Verwendung einer sog. Toolbox, die das Objektschema der IFC auf ein Klassenmodell einer objektorientierten Programmiersprache abbildet und Werkzeuge für den effizienten Objektzugriff zur Verfügung stellt. Damit werden Grenzen zwischen spezialisierten Softwarepaketen, die maßgeschneidert auf spezielle Erfordernisse ausgerichtet sind, aufgebrochen und der Datenaustausch über die Anwendungsgrenzen hinaus unterstützt. Dies ist eine Konsequenz aus einer dem Wunsch nach vernetzt-kooperativen Planung von Bauwerken....
Construction is a conservative industry that over the last twenty ye ars has experienced drastic changes in the way that interdisciplinary teams interact to design and execute a project. In this article we offer a general overview of how the main participants cooperate in the different phases of a construction project, and which are some of the main areas for communication improvement. We also explore the communication tools used in the exchange of information, and identify the main causes of information breakdown. The general framework of this study is of application to both standard and green projects. At the end of the article we discuss the peculiarities of green buildings. Our goal is to offer a series of industry insights derived from the perspective of a general contractor aimed at identifying the areas where contributions in computing and information exchange could have a greater impact on the successful completion of a project.
This paper presents a generic methodology for measurement system configuration when the goal is to identify behaviour models that reasonably explain observations. For such tasks, the best measurement system provides maximum separation between candidate models. In this work, the degree of separation between models is measured using Shannon’s Entropy Function. The location and type of measurement devices are chosen such that the entropy of candidate models is greatest. This methodology is tested on a laboratory structure and, to demonstrate generality, an existing fresh water supply network in a city in Switzerland. In both cases, the methodology suggests an appropriate set of sensors for identifying the state of the system.
This paper focuses on a new three-level discretisation strategy which enables the transition between continuum/structural (I) and structural/black box modelling (II). The transition (I) is realised by means of a model adaptive concept based on an innovative finite element technology. For transition (II) we apply the truncated balanced realisation method (TBR). The latter represents an established system theoretical model reduction technique which is here combined with a novel substructure technique. The approach provides a modular concept to facilitate the computational analysis of complex structures. The final goal is to apply the strategy to life time estimation.
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. Vor dem Hintergrund zunehmender Komplexität der Bauaufgaben steigt die Zahl der an einem Projekt Beteiligten und deren örtliche Verteilung. Planungsvorhaben sind dadurch verstärkt gekennzeichnet durch einen erhöhten Aufwand in Planungskoordination, -organisation und Kommunikation. Globale Computernetzwerke - das Internet - bieten Potential zur Lösung dieser Aufgaben. Vor diesem Hintergrund sind in der letzten Zeit eine Vielzahl von Systemen die sich unterschiedlichsten Techniken bedienen entstanden. Allen diesen Systemen gemein ist die Vision der Optimierung des Planungsprozesses, Vereinfachung der Kommunikation und die Verbesserung des Zeitmanagements. Aus Sicht der Architekten stellt sich die Situation derzeit als ambivalent dar: Einerseits sind die Ideen, die den 'IBPM - Systemen' zugrunde liegen, nachvollziehbar und offerieren einen sofort messbaren Nutzen. Auf der anderen Seite stehen vielfältige Aspekte, die den uneingeschränkten Einsatz dieser Systeme augenscheinlich verhindern. Ein Focus bei der Beleuchtung dieser Schwachstellen liegt auf dem omnipräsentem Problem der mangelhaften Unterstützung graphischer Daten als die bedeutendste Informationsgrundlage im Planungsprozess. Aus der konkreten, fachspezifischen Analyse des Planungsprozesses, der Untersuchung potentieller Entwicklungsmöglichkeiten vorhandener Systeme und der intensiven Auseinandersetzung mit neuen Internettechnologien entstand im Zuge dieses Forschungsschwerpunktes eine architekturpraxisnahe Applikation, die das Internet weg vom reinen Präsentationsmedium, über ein reines Kommunikationsmittel hinaus, hin zu einer leistungsfähigen interaktiven Schnittstelle für alle am Entwurfs- und Planungsprozess Beteiligten erschließt.
Three-dimensional models of urban objects play an important role in the urban applications such as urban planning, environmental concerning, or urban disaster mitigations. While the modeling of urban objects is time consuming and storage costing. This paper presents solutions for this. Buildings with regular shapes and plane roofs are constructed into computer models by identifying of graphic elements from the digital maps of urban area to get building base plane and building heights. Buildings with irregular shapes and non-plane roofs are constructed into computer models by employment of a specific system developed by the authors. Road objects and topologies are constructed into computer models by employment of specific algorithms. The solutions presented in this paper has been used in the development of urban disaster mitigation system for Shantou, China.
The preliminary design of a wearable computer for supporting Construction Progress Monitoring
(2000)
Progress monitoring has become more and more important as owners have increasingly demanded shorter times for the delivery of their projects. This trend is even more evident in high technology industries, such as the computer industry and the chemical industry. Fast changing markets, such as the computer industry, force companies to have to build new facilities quickly. To make a statement about construction progress, the status of a building has to be determined and monitored over a period of time. Depicting the construction progress in a diagram over time, statements can be made about the anticipated completion of the project and delays and problems in certain areas. Having this information, measures can be taken to efficiently >catch up< on the schedule of the project. New technologies, such as wearable computers, speech recognition, touch screens and wireless networks could help to move electronic data processing to the construction site. Progress monitoring could very much take advantage of this move, as several intermediate steps of processing progress data can be made unnecessary. The processing of progress data could be entirely done by computers, which means that data for supporting decisions can be made available at the moment the construction progress is measured. This paper describes a project, that investigates how these new technologies can be linked to create a system that enhances the efficiency of progress monitoring. During the project a first prototype of a progress monitoring system was developed that allows construction companies and site supervisors to measure construction progress on site using wearable computers that are speech controlled and connected to a central database via a wireless network.
Site superintendents performing project management tasks on construction sites need to access project documents and need to collect information that they observe while inspecting the site. Often, information that is observed on a construction site needs to be integrated into electronic documents or project control systems. In the future, we expect integrated product and process models to be the medium for storing and handling construction project management information. Even though mobile computing devices today are already capable of storing and handling such integrated product and process data models, the user interaction with such large and complex models is difficult and not adequately addressed in the existing research. In this paper, we introduce a system that supports project management tasks on construction sites effectively and efficiently by making integrated product and process models accessible. In order to effectively and efficiently enter or access information, site superintendents need visual representations of the project data that are flexible with respect to the level of detail, the decomposition structure, and the type of visual representation. Based on this understanding of the information and data collection needs, we developed the navigational model framework and the application Site Data Collection System (SiDaCoS), which implements that framework. The navigational model framework allows site superintendents to create customized representations of information contained in a product and process model that correspond to their data access and data collection needs on site.
The paper gives a general overview and concerns with a specified set of computer-aided analysis modules for hybrid structures loaded by extreme excitations. All problems are solved by methods of linear, quadratic or nonlinear mathematical optimization, that leads to very effective and economic design solutions. All approaches are derived from general optimization problem that can be easily altered to conform to specific design tasks. Some advantages and possibilities of hybrid structural modeling (single or mixed model-supported) are discussed. The methods will be illustrated by an example structure and optimization schemes.
Berechnungsmethoden mit Berücksichtigung des physikalisch nichtlinearen Verhaltens von Stahlbetonkonstruktionen werden mit Einführung der europäischen und nationalen Normung verstärkten Einsatz in der Tragwerksplanung finden. Hierbei sind im Gegensatz zu linearen Berechnungen zeitliche Aspekte der Tragwerksbeanspruchung zu berücksichtigen. Ein Lösungsansatz zur Beherrschung von Lastfolgeeffekten kann auf der Grundlage der Theorie des adaptiven Tragwerkes abgeleitet werden. Unter Verwendung von Algorithmen der mathematischen Optimierung lassen sich derartige Probleme numerisch lösen. Von besonderem Interesse sind dabei spezielle Formulierungen zur Bestimmung von Grenzwiderständen, die zur Bemessung von Stahlbetontragwerken herangezogen werden können. Im Beitrag werden zwei Konzepte zur numerischen Bestimmung von adaptiven Grenzwiderständen auf der Basis der nichtlinearen Optimierung vorgestellt, diese sind: - Konzept des superponierten Restzustandes - Konzept der gekoppelten plastischen Antwort. Es wird von einem elastisch- plastischen Verhalten der untersuchten Struktur ausgegangen.
Bewertung der Grenzlast von elastisch-plastischen Tragwerken mit Hilfe stochastischer Methoden
(1997)
Für die Analyse von Tragwerken sowohl des Stahlbaus als auch des Massivbaus eröffnet die nationale und internationale Normengebung in zunehmendem Maße die Anwendung physikalisch nichtlinearer Berechnungsmodelle. Es ist zu erwarten, daß neben dem traditionellen elastischen Berechnungsmodell das linearelastisch-idealplastische Materialmodell in die Tragwerksanalyse Eingang finden wird. Während bei den traditionellen Berechnungsverfahren auf der Grundlage der Elastizitätstheorie hinreichende Erfahrungen durch die Planungspraxis bestehen und umfangreiche Untersuchungen zur dabei erreichten Sicherheit vorliegen, stellen die nichtlinearen Berechnungsmethoden sowohl in mechanischer als auch in sicherheitstheoretischer Hinsicht ein neues Erfahrungsfeld dar. Im vorliegenden Beitrag werden aus der Vielzahl der anstehenden Probleme folgende Teilprobleme behandelt: Bestimmung der Versagenswahrscheinlichkeit elasto-plastischer Tragsysteme nach dem Kriterium der plastischen Grenzlast Ermittlung stochastischer Eigenschaften des plastischen Grenzlastparameters elasto-plastischer Tragsysteme. Die Lösung des mechanischen Problems geschieht über eine lineare Optimierungsaufgabe, die nach dem statischen Theorem der plastischen Grenzlast formuliert ist. Als stochastische Methode wird die Simulation angewandt, die zum einen auf einer zufälligen Erzeugung der Realisierungen (stochastische Simulation) und zum anderen auf einer planmäßigen Erzeugung der Realisierungen (konstruktive Simulation) beruhen kann. Für jedes der Teilprobleme wird ein Beispiel vorgestellt.
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.
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.
Im Zusammenhang mit der Revitalisierung von Plattenbauwerken kommt der Bewertung bzw. Neubewertung der vorhandenen Aussteifungssysteme große Bedeutung zu. Zur Aussteifung werden im allgemeinen raumbreite, raumhohe und meist unbewehrte Betonelemente verwendet, die lediglich konstruktiv miteinander verbunden sind. Im Rahmen der Untersuchung wird ein vorhandenes Berechnungsmodell zur physikalisch nichtlinearen Analyse von Aussteifungssystemen mehrgeschossiger Gebäude unter Horizontallast so erweitert, dass unbewehrte Horizontalfugen berücksichtigt werden können. Die Analyse der Aussteifungssysteme wird auf der Basis der Methode der mathematischen Optimierung realisiert, wobei die aussteifenden Wände als offene dünnwandige, schlanke Stäbe betrachtet werden, die über dehnstarre Deckenscheibe (Diaphragmen) gekoppelt sind. Im Beitrag wird gezeigt, dass sich bei Berücksichtigung des physikalisch nichtlinearen Tragverhaltens und der damit verbundenen Schnittgrößenumlagerungen Tragreserven erschließen lassen, die auf die Standsicherheit sowohl vorhandener als auch revitalisierter Gebäude angerechnet werden können.
Bei der Tragwerksplanung sowohl für Massivkonstruktionen als auch für Stahlkonstruktionen werden zukünftig nichtlineare Berechnungsverfahren in größerem Umfang Anwendung finden, als das in der Vergangenheit üblich bzw. möglich war. Wichtige Impulse gehen dabei von der europäischen Normung aus. Bei der Anwendung von Berechnungsverfahren, die die Nichtlinearität des Materialverhaltens berücksichtigen und bei der Ermittlung der Tragsicherheit planmäßig ausnutzen, ist es notwendig, die Entwicklung plastischer Deformationen zu verfolgen und bei der Beurteilung des Grenzzustandes der Tragfähigkeit als Kriterium mit heranzuziehen. Im vorliegenden Beitrag werden mathematische Modelle für folgende Berechnungsaufgaben vorgestellt: Ermittlung der Schnittgrößen und Formänderungen in ebenen Stabtragwerken nach Theorie II. Ordnung unter Berücksichtigung der physikalischen Nichtlinearität und Ermittlung von Grenzlasten, die durch Spannungs- und Verformungskriterien definiert sind. Dabei zeigt sich, daß mathematische Modelle auf der Grundlage von Extremalprinzipien und unter Einbeziehung der mathematischen Optimierung effektiv und hinreichend universell formuliert werden können. Wie Beispielrechnungen zeigen, ist die Beurteilung der Tragfähigkeit unter Berücksichtigung von Deformationsbegrenzungen von entscheidender Bedeutung, um Fehleinschätzungen der Tragsicherheit zu vermeiden.
Im Stahlbeton- und Spannbetonbau kommen in zunehmendem Maße Verbundkonstruktionen aus Betonfertigteilen und Ortbetonergänzungen zum Einsatz. Die Fertigteile werden je nach Spannweite, Belastung und speziellen Anforderungen mit schlaffer oder vorgespannter Be-wehrung ausgeführt. Aufgrund der im Allgemeinen unterschiedlichen Betone der einzelnen Querschnittsanteile sowie bedingt durch den zeitlichen Versatz in der Herstellung der Fertig-teile und der Ortbetonergänzungen ergeben sich Unterschiede im Langzeitverhalten, die bei der Bemessung und Nachweisführung zu berücksichtigen sind. Das Kriechen und Schwinden der Betone als Folge des zeitabhängigen Materialverhaltens und die Spezifik des Verbund-querschnitts können für die Gebrauchstauglichkeit relevant sein, insbesondere wenn die Fer-tigteile vorgespannt sind. Eine hinreichend wirklichkeitsnahe Beschreibung des Langzeitverhaltens von Beton gestattet die Theorie des elastisch-kriechenden Körpers, wobei sich im Allgemeinen keine geschlosse-ne Lösung für bewehrte Betonverbundquerschnitte angeben lässt. Eine Alternative hierzu ergibt sich, wenn für die einzelnen Kriechintervalle ein vereinfachter Ansatz für den Verlauf der Kriechfunktion entsprechend der Theorie des Alterns getroffen wird. Dabei werden die im Zeitintervall (tj-1,tj) umgelagerten Schnittgrößen als neue Belastung der einzelnen Querschnittsanteile im Zeitintervall (tj,tj+1) mit der Kriech-funktion f(tj+1,tj) berücksichtigt. Bei hinreichend kleinen Zeitschritten können die Nachteile der getroffenen Vereinfachung vernachlässigt werden.