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- 2006 (173) (remove)
We establish the basis of a discrete function theory starting with a Fischer decomposition for difference Dirac operators. Discrete versions of homogeneous polynomials, Euler and Gamma operators are obtained. As a consequence we obtain a Fischer decomposition for the discrete Laplacian. For the sake of simplicity we consider in the first part only Dirac operators which contain only forward or backward finite differences. Of course, these Dirac operators do not factorize the classic discrete Laplacian. Therefore, we will consider a different definition of a difference Dirac operator in the quaternionic case which do factorizes the discrete Laplacian.
Objects for civil engineering applications can be identified with their reference in memory, their alpha-numeric name or their geometric location. Particularly in graphic user interfaces, it is common to identify objects geometrically by selection with the mouse. As the number of geometric objects in a graphic user interface grows, it becomes increasingly more important to treat the basic operations add, search and remove for geometric objects with great efficiency. Guttmann has proposed the Region-Tree (R-tree) for geometric identification in an environment which uses pages on disc as data structure. Minimal bounding rectangles are used to structure the data in such a way that neighborhood relations can be described effectively. The literature shows that the parameters which influence the efficiency of the R-trees have been studied extensively, but without conclusive results. The goal of the research which is reported in this paper is to determine reliably the parameters which significantly influence the efficiency of R-trees for geometric identification in technical drawings. In order to make this investigation conclusive, it must be performed with the best available software technology. Therefore an object-oriented software for the method is developed. This implementation is tested with technical drawings containing many thousands of geometric objects. These drawings are created automatically by a stochastic generator which is incorporated into a test bed consisting of an editor and a visualisor. This test bed is used to obtain statistics for the main factors which affect the efficiency of R-trees. The investigation shows that the following main factors which affect the efficiency can be identified reliably : number of geometric objects on the drawing the minimum und maximum number of children of a node of the tree the maximum width and height of the minimal bounding rectangles of the geometric objects relative to the size of the drawing.
The importance of modern simulation methods in the mechanical analysis of heterogeneous solids is presented in detail. Thereby the problem is noted that even for small bodies the required high-resolution analysis reaches the limits of today's computational power, in terms of memory demand as well as acceptable computational effort. A further problem is that frequently the accuracy of geometrical modelling of heterogeneous bodies is inadequate. The present work introduces a systematic combination and adaption of grid-based methods for achieving an essentially higher resolution in the numerical analysis of heterogeneous solids. Grid-based methods are as well primely suited for developing efficient and numerically stable algorithms for flexible geometrical modeling. A key aspect is the uniform data management for a grid, which can be utilized to reduce the effort and complexity of almost all concerned methods. A new finite element program, called Mulgrido, was just developed to realize this concept consistently and to test the proposed methods. Several disadvantages which generally result from grid discretizations are selectively corrected by modified methods. The present work is structured into a geometrical model, a mechanical model and a numerical model. The geometrical model includes digital image-based modeling and in particular several methods for the theory-based generation of inclusion-matrix models. Essential contributions refer to variable shape, size distribution, separation checks and placement procedures of inclusions. The mechanical model prepares the fundamentals of continuum mechanics, homogenization and damage modeling for the following numerical methods. The first topic of the numerical model introduces to a special version of B-spline finite elements. These finite elements are entirely variable in the order k of B-splines. For homogeneous bodies this means that the approximation quality can arbitrarily be scaled. In addition, the multiphase finite element concept in combination with transition zones along material interfaces yields a valuable solution for heterogeneous bodies. As the formulation is element-based, the storage of a global stiffness matrix is superseded such that the memory demand can essentially be reduced. This is possible in combination with iterative solver methods which represent the second topic of the numerical model. Here, the focus lies on multigrid methods where the number of required operations to solve a linear equation system only increases linearly with problem size. Moreover, for badly conditioned problems quite an essential improvement is achieved by preconditioning. The third part of the numerical model discusses certain aspects of damage simulation which are closely related to the proposed grid discretization. The strong efficiency of the linear analysis can be maintained for damage simulation. This is achieved by a damage-controlled sequentially linear iteration scheme. Finally a study on the effective material behavior of heterogeneous bodies is presented. Especially the influence of inclusion shapes is examined. By means of altogether more than one hundred thousand random geometrical arrangements, the effective material behavior is statistically analyzed and assessed.
The one-dimensional continuous wavelet transform is a successful tool for signal and image analysis, with applications in physics and engineering. Clifford analysis offers an appropriate framework for taking wavelets to higher dimension. In the usual orthogonal case Clifford analysis focusses on monogenic functions, i.e. null solutions of the rotation invariant vector valued Dirac operator ∂, defined in terms of an orthogonal basis for the quadratic space Rm underlying the construction of the Clifford algebra R0,m. An intrinsic feature of this function theory is that it encompasses all dimensions at once, as opposed to a tensorial approach with products of one-dimensional phenomena. This has allowed for a very specific construction of higher dimensional wavelets and the development of the corresponding theory, based on generalizations of classical orthogonal polynomials on the real line, such as the radial Clifford-Hermite polynomials introduced by Sommen. In this paper, we pass to the Hermitian Clifford setting, i.e. we let the same set of generators produce the complex Clifford algebra C2n (with even dimension), which we equip with a Hermitian conjugation and a Hermitian inner product. Hermitian Clifford analysis then focusses on the null solutions of two mutually conjugate Hermitian Dirac operators which are invariant under the action of the unitary group. In this setting we construct new Clifford-Hermite polynomials, starting in a natural way from a Rodrigues formula which now involves both Dirac operators mentioned. Due to the specific features of the Hermitian setting, four different types of polynomials are obtained, two types of even degree and two types of odd degree. These polynomials are used to introduce a new continuous wavelet transform, after thorough investigation of all necessary properties of the involved polynomials, the mother wavelet and the associated family of wavelet kernels.
Mit diesen Ausführungen wird ein Beitrag zum weiteren Erhalt der historischen Bausubstanz in Mecklenburg aus der Sicht der Tragwerksanalyse geleistet. Dabei bestätigt es sich immer mehr, dass mit dem Modell der Geometrie, der Belastung und des Materials gleichberechtigte Modelle für eine wirklichkeitsnahe Einschätzung des Tragverhaltens eines Tragwerks vorliegen müssen. Es zeigt sich, dass dabei die besten Berechnungsprogramme nur die Ergebnisse liefern können, die mit den Eingabedaten zu erzielen sind. So hat sich der Forschungsschwerpunkt im Lehrgebiet Tragwerkslehre des FB Architektur an der Hochschule Wismar in den letzten Jahren auf die realistische Abbildung der Wechselwirkung zwischen der Bauaufnahme und der geometrischen Modellierung konzentriert. In diesem Bereich zeigen sich als Schwerpunkte die Wechselwirkung zwischen Schäden und Tragwerksanalyse und die Wechselwirkung zwischen der aufgenommenen Geometrie und dem geometrischen Modell für die Tragwerksanalyse. Die Fülle der aufgenommenen Daten sind dabei in der Regel mehr hinderlich als ein Segen für die Tragwerksanalyse. Hier wurde gezeigt, welche und wie viele geometrische Daten für das geometrische Modell für die Tragwerksanalyse sinnvoll sind. Da die eigene Datenaufnahme relativ viel Zeit beansprucht, wurde eine "geistige" Bauaufnahme durchgeführt. Dazu wird der historische Planungsprozess in den einzelnen Formfindungsschritten nachvollzogen und in die virtuelle Realität überführt. Mit dieser Methode ergeben sich unterschiedliche Bauzustände und es lassen sich auch mögliche Bauphasen abbilden. Die Tragwerksanalyse dieser virtuellen Realität zeigt dann mögliche Schwächen der Tragwerke und/oder die Notwendigkeit konstruktiver Veränderungen. Ein Vergleich der Ergebnisse der Tragwerksanalyse mit der Realität anhand des vorliegenden Datenbestands liefert die Grundlage für den aktuellen Handlungsbedarf. Da der Bauzustand eines Bauwerkes unter einer zeitlichen Veränderung steht, werden Methoden überprüft, die es ermöglichen, einen einmal vorgelegten Datenbestand aufzubereiten und weiter zu verwalten.
In this paper we evaluate 2D models for soil-water characteristic curve (SWCC), that incorporate the hysteretic nature of the relationship between volumetric water content Θ and suction Ψ. The models are based on nonlinear least squares estimation of the experimental data for sand. To estimate the dependent variable Θ the proposed models include two independent variables, suction and sensors reading position (depth d in the column test). The variable d represents not only the position where suction and water content are measured but also the initial suction distribution before each of the hydraulic loading test phases. Due to this the proposed 2D regression models acquire the advantage that they: (a) can be applied for prediction of Θ for any position along the column and (b) give the functional form for the scanning curves.
Solid behavior as well as liquid behavior characterizes the flow of granular material in silos. The presented model is based on an appropriate interaction of a displacement field and a velocity field. The constitutive equations and the applied algorithm are developed from the exact solution for a standard case. The standard case evolves from a very tall vertical plane strain silo containing material that flows at a constant speed. No horizontal displacements and velocities take place. No changes regarding the field values arise in the vertical direction and in time. Tension is not allowed at any point. Coulomb friction represents the effects of the vertical walls. The interaction between the flowing material and the walls is covered by a forced boundary condition resulting in an additional matrix for the solid component as well as for the liquid component. The resulting integral equations are designed to be solved directly. Three coefficients describe the properties of the granular material. They govern elastic solid behavior in combination with viscous liquid behavior.
Eine zielführende Anwendung von Zusatzmitteln bei der Ausführung anspruchsvoller Betonbauten setzt einen hohen Kenntnisstand bezüglich der Wirkungsmechanismen und Interaktionen der einzelnen Betonkomponenten voraus. In der vorliegenden Arbeit wurden einige Aspekte der Zementhydratation in Abhängigkeit von der Fließmittelzugabe diskutiert. Im Ergebnis liefern die Teile eins und zwei der vorliegenden Arbeit einen Beitrag dazu, Veränderungen der Fließfähigkeit von Zementleim in Abhängigkeit der Zementhydratation und Fließmittelzugabe besser zu verstehen. Es konnte so z.B. gezeigt werden, dass Bildung langprismatischer Kristalle (z.B. Syngenit, Gips) die Fließfähigkeit von Zementleim und Beton vermindert. Infolge anhaltender Scherung von Zementleimen / Betonen mit langprismatischen Kristallen wird ein Zuwachs an Fließfähigkeit erzielt. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Kristalle in eine Vorzugsorientierung relativ zur Scherbewegung rotieren. Weiterhin wurde der Mechanismus einer so genannten Zement-Fließmittel-Inkompatibilität aufgezeigt. Durch diese Erweiterung des Kenntnisstandes zum Einfluss von Fließmitteln auf die Zementhydratation ist es möglich der Zement-Fließmittel-Inkompatibilität durch gezielte Auswahl des Zementes vorzubeugen. Dabei ist besonders darauf zu achten, dass der Zement ein ausgewogenes Verhältnis an zur Reaktion zur Verfügung stehendem C3A und Menge / Löslichkeit des Abbindereglers besitzt. Fließmittel verändern nicht nur die Verarbeitungseigenschaften sondern auch die Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Zementstein und Beton. Im dritten Teil der vorliegenden Arbeit wird daher der Einfluss der Fließmittel und deren verflüssigender Wirkung auf die Festigkeitsentwicklung von Zementstein und C3S untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass durch die dispergierende Wirkung der Fließmittel auch ohne Verminderung des Wasserzementwertes, eine Verdichtung des Zementsteingefüges erzielt werden kann. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass durch die Erhöhung der Partikelpackungsdichte am Anfang der Hydratation die Ausbildung der festigkeitsgebenden C-S-H Phasen verändert wird. Ein dichteres Verwachsen dieser nanostrukturierten C-S-H Phasen ermöglicht einen zusätzlichen Festigkeitszuwachs.
HYPERMONOGENIC POLYNOMIALS
(2006)
It is well know that the power function is not monogenic. There are basically two ways to include the power function into the set of solutions: The hypermonogenic functions or holomorphic Cliffordian functions. L. Pernas has found out the dimension of the space of homogenous holomorphic Cliffordian polynomials of degree m, but his approach did not include a basis. It is known that the hypermonogenic functions are included in the space of holomorphic Cliffordian functions. As our main result we show that we can construct a basis for the right module of homogeneous holomorphic Cliffordian polynomials of degree m using hypermonogenic polynomials and their derivatives. To that end we first recall the function spaces of monogenic, hypermonogenic and holomorphic Cliffordian functions and give the results needed in the proof of our main theorem. We list some basic polynomials and their properties for the various function spaces. In particular, we consider recursive formulas, rules of differentiation and properties of linear independency for the polynomials.
Water resources development and management is a complex problem. It includes the design and operation of single system components, often as part of larger interrelated systems and usually on the basis of river basins. While several decades ago the dominant objective was the maximization of economic benefit, other objectives have evolved as part of the sustainable development envisaged. Today, planning and operation of larger water resources systems is practically impossible without adequate computer tools, normally being one or several models, increasingly combined with data bank management systems and multi criteria assessment procedures in decision support systems. The use of models in civil engineering already has a long history when structural engineering is considered. These design support models, however, must rather be seen as expert systems made to support the engineer with his daily work. They often have no direct link to stakeholders and the decision makers community. The scale of investigation is often much larger in water resources engineering than in structural engineering which is related to different stakeholders and decision making procedures. Still, several similarities are obvious which can be summarized as the search for a compromise solution on a complex, i.e. multiobjective and interdisciplinary decision problem. While in structural engineering e.g. aestetics, stability and energy consumption might be important evaluation criteria in addition to construction and maintenance cost other or additional criteria have to be considered in water resources planning such as political, environmental and social criteria. In this respect civil engineers tend to overemphasize technical criteria. For the future the existing expert systems should be embedded into an improved decision support shell, keeping in mind that decision makers are hardly interested in numerical modelling results. The paper will introduce into the problem and demonstrate the state of the art by means of an example.
A concept for integrated modeling of urban and rural hydrology is introduced. The concept allows for simulations on the catchment scale as well as on the local scale. It is based on a 2-layer-approach which facilitates the parallel coupling of a catchment hydrology model with an urban hydrology model, considering the interactions between the two systems. The concept has been implemented in a computer model combining a grid based distributed hydrological catchment model and a hydrological urban stormwater model based on elementary units. The combined model provides a flexible solution for time and spatial scale integration and offers to calculate separate water balances for urban and rural hydrology. Furthermore, it is GIS-based which allows for easy and accurate geo-referencing of urban overflow structures, which are considered as points of interactions between the two hydrologic systems. Due to the two-layer-approach, programs of measures can be incorporated in each system separately. The capabilities of the combined model have been tested on a hypothetical test case and a real world application. It could be shown that the model is capable of accurately quantifying the effects of urbanization in a catchment. The affects of urbanization can be analyzed at the catchment outlet, but can also be traced back to its origins, due to the geo-referencing of urban overflow structures. This is a mayor advantage over conventional hydrological catchment models for the analysis of land use changes.
Räume und Gebäude sind heute wegen der enormen Funktionalität der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) in Kombination mit der sonstigen Ausstattung und den diversen Anwendungsprozessen und Nutzergruppen ohne innovative Konzepte der integrierten Bedienung kaum noch beherrschbar bzw. optimal nutzbar. Dies gilt sowohl für Wohn- als auch für Zweckimmobilien. Die Gebäudeleittechnik (GLT) und die Gebäudeautomation (GA) können hier unter sinnvoller Integration der Möglichkeiten der Mikroelektronik, Multimedia-, Kommunikations- und Informationstechnik erheblich zu nutzbringenden Innovationen beitragen. Die Automobilindustrie hat in den letzten Jahren gezeigt, wie durch einen integralen Systemansatz und durch Einsatz von Elektronik, Kommunikations- und Informationstechnik eine sinnvolle technische Assistenz der Anwender machbar ist. Genannt sei hier das Konzept des Cockpits mit integrierter Funktionsbündelung und der Informationskonzentration am Armaturenbrett. Im Gegensatz zum Automobil ist der Bereich der technischen Gebäudeausstattung in Wohn- und Nutzimmobilien gekennzeichnet durch eine starke Fragmentierung in unterschiedlichste Gewerke unter Beteiligung vieler oft schlecht koordinierter Akteure. Durch das Duisburger inHaus-Innovationszentrum für Intelligente Raum- und Gebäudesysteme der Fraunhofer-Gesellschaft wurden in den letzten Jahren neuartige Konzepte der Systemintegration heterogener Technik auf der Basis von Middleware-Plattformen und Multimedia-Technologien und -Geräten entwickelt, getestet und in die Anwendung getragen. Einer der ersten Systemanwendungen dieses offenen Infrastrukturkonzepts ist die integrierte Systembedienung mit zum Teil völlig neuen Bedienkonzepten und einer starken Bedienungsvereinfachung auch komplexester Technikausrüstungen in Immobilien. Der Beitrag beschreibt nach einer Analyse der Ausgangslage die technologischen Grundzüge der integrierten Systembedienung. Es folgen einige Anwendungsbeispiele und eine zusammenfassende Bewertung mit einem Ausblick auf weiterführende Aktivitäten.
In this paper we evaluate 2D models for soil-water characteristic curve (SWCC), that incorporate the hysteretic nature of the relationship between volumetric water content θ and suction ψ. The models are based on nonlinear least squares estimation of the experimental data for sand. To estimate the dependent variable θ the proposed models include two independent variables, suction and sensors reading position (depth d in the column test). The variable d represents not only the position where suction and water content are measured but also the initial suction distribution before each of the hydraulic loading test phases. Due to this the proposed 2D regression models acquire the advantage that they: (a) can be applied for prediction of θ for any position along the column and (b) give the functional form for the scanning curves.
The design and application of high performance materials demands extensive knowledge of the materials damage behavior, which significantly depends on the meso- and microstructural complexity. Numerical simulations of crack growth on multiple length scales are promising tools to understand the damage phenomena in complex materials. In polycrystalline materials it has been observed that the grain boundary decohesion is one important mechanism that leads to micro crack initiation. Following this observation the paper presents a polycrystal mesoscale model consisting of grains with orthotropic material behavior and cohesive interfaces along grain boundaries, which is able to reproduce the crack initiation and propagation along grain boundaries in polycrystalline materials. With respect to the importance of modeling the geometry of the grain structure an advanced Voronoi algorithm is proposed to generate realistic polycrystalline material structures based on measured grain size distribution. The polycrystal model is applied to investigate the crack initiation and propagation in statically loaded representative volume elements of aluminum on the mesoscale without the necessity of initial damage definition. Future research work is planned to include the mesoscale model into a multiscale model for the damage analysis in polycrystalline materials.
The present study was designed to investigate the underlying factors determining the visual impressions of design-patterns that have complex textures. Design-patterns produced by "the dynamical system defined by iterations of discrete Laplacians on the plane lattice" were adopted as stimuli because they were not only complex, but also defined mathematically. In the experiment, 21 graduate and undergraduate students sorted 102 design-patterns into several groups by visual impressions. Those 102 patterns were classified into 12 categories by the cluster analysis. The results showed that the regularity of pattern was a most efficient factor for determining visual impressions of design-pattern, and there were some correspondence between visual impressions and mathematical variables of design-pattern. Especially, the visual impressions were influenced greatly by the neighborhood, and less influenced by steps of iterations.
In this study we introduce a concept of discrete Laplacian on the plane lattice and consider its iteration dynamical system. At first we discuss some basic properties on the dynamical system to be proved. Next making their computer simulations, we show that we can realize the following phenomena quite well:(1) The crystal of waters (2) The designs of carpets, embroideries (3) The time change of the numbers of families of extinct animals, and (4) The echo systems of life things. Hence we may expect that we can understand the evolutions and self organizations by use of the dynamical systems. Here we want to make a stress on the following fact: Although several well known chaotic dynamical systems can describe chaotic phenomena, they have difficulties in the descriptions of the evolutions and self organizations.
Für eine beherrschbare Koordination und Durchführung von Planungsaufgaben in Bauprojekten wird der Planungsprozess zunehmend in formalisierten Modellen – Prozessmodellen – beschrieben. Die Produktmodellforschung ihrerseits widmet sich der Speicherung von Planungsdaten in Form von objektorientierten Modellen im Rechner. Hauptaugenmerk sind dabei die Wahrung der Konsistenz und die Modellierung von Abhängigkeiten innerhalb dieses Planungsmaterials. Der Bezug zu den Akteuren der Planung wird nicht direkt hergestellt. Ein formal beschriebener Planungsprozesses kann in der Praxis noch nicht derart realisiert werden, dass ein Zugriff auf Einzelobjekte des Planungsprozesses gewährleistet ist. Bestehende Planungsunterstützungs- und Workflowmanagement-Systeme abstrahieren und ordnen das Planungsmaterial nach wie vor auf Dateiebene. Der vorliegende Artikel beschreibt eine Methode für die geeignete Verbindung von formalisierten Prozessmodellen in der Bauplanung mit den Einzelobjekten, die in den modellorientierten Objektmengen kodiert sind. Dabei wird die Zugehörigkeit bestimmter Objekte zu Plänen und Dokumenten (zum Zwecke des Datenaustauschs) nicht länger durch die physische Zuordnung zu Dateien festgelegt. Es wird ein formales Beschreibungsmittel vorgestellt, welches die entsprechende Teilmengenbildung aus der Gesamtheit der Planungsobjekte ermöglicht. Für die bisherigen Formen des Datenaustausches werden aus den Objektmodellen der Planung Teilmengen herausgelöst und physikalisch zwischen den Planern transportiert. Das neue Beschreibungsmittel hingegen erlaubt es, die Bildungsvorschrift für Objektteilmengen statt der Mengen selbst zwischen den Planern auszutauschen. Der Zugriff auf die konkreten Objekte findet dann direkt modellbasiert statt.
Die effektive Kooperation aller beteiligten Fachplaner im Bauplanungsprozess ist die Voraussetzung für wirtschaftliches und qualitativ hochwertiges Bauen. Bauprojektorganisationen bestehen in der Regel aus zahlreichen unabhängigen Planungspartnern, die örtlich verteilt spezifische Planungsaufgaben bearbeiten und die Ergebnisse in Teilproduktmodellen ablegen. Da Planungsprozesse im Bauwesen stark arbeitsteilig ablaufen, sind die Teilproduktmodelle der einzelnen Fachplanungen in hohem Maße voneinander abhängig. Ziel des hier vorgestellten Ansatzes ist die Integration der Teilproduktmodelle der Gebäudeplanung in einem netzwerkbasierten Modellverbund am Beispiel der Brandschutzplanung. Im Beitrag werden die Probleme der Verteiltheit und insbesondere der semantischen Heterogenität der involvierten Teilproduktmodelle betrachtet. Der verteilte Zugriff wird mithilfe mobiler Software-Agenten realisiert. Die Agenten können sich dabei frei im netzwerkbasierten Planungsverbund bewegen und agieren als Vertreter der Fachplaner. Das Problem der semantischen Heterogenität der Teilproduktmodelle wird auf der Basis von Ontologien gelöst. Dazu werden erstens Domänenontologien entwickelt, die Objekte der realen Welt einer abgeschlossenen Domäne, hier des Brandschutzes, abbilden. Zweitens werden Applikationsontologien entwickelt, die die einzelnen proprietären Datenhaltungen (im Sinne von Teilproduktmodellen) der jeweiligen Fachplanungen repräsentieren. Beide Ontologien werden mit einem regelbasierten Ansatz verknüpft. Im vorgestellten Anwendungsfall Brandschutz dient die Domänenontologie als einheitliche Schnittstelle für den Zugriff auf die verteilten Modelle und abstrahiert dabei von deren Datenbankspezifika und proprietären Schemata. Mithilfe von mobilen Agenten und semantischen Technologien kann so eine Plattform zur Verfügung gestellt werden, die erstens die dynamische Integration von Ressourcen in den Planungsverbund erlaubt und zweitens auf deren Basis unabhängig von der Verteiltheit und Heterogenität der eingebundenen Ressourcen ingenieurgerechte Verarbeitungsmethoden realisiert werden können.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entstehung eines ökonomischen Kraftmaßes am Beispiel der Maschine von Marly im Zeitraum von ca. 1680 bis 1840. Die Leitthese der Dissertation besagt, dass vom 17. zum 19. Jahrhundert eine grundlegende Transformation des Maschinenbegriffs stattfand, die als Übergang vom Substanzbegriff zum Funktionsbegriff der Maschine bezeichnet werden kann. Im 17. Jahrhundert wurden mechanische Apparate als in sich geschlossene, selbstbezügliche Strukturen aufgefasst. Als anschaulich erfahrbare Objekte konnten sie als Bildgeber dienen, die mittels des Verfahrens der Strukturanalogie Erklärungsmuster für verschiedenste Phänomene (Körper, Staat, Welt) boten. Demzufolge galten sie als selbstevident: sie waren erklärend und mussten selbst nicht erklärt werden. Ihr etwaiger Zweck und ihre Einbettung in gesellschaftliche Zusammenhänge spielten dabei keine Rolle. Wie anhand der Beschreibungen und Darstellungen aus jener Zeit nachgewiesen werden kann, wurde die Maschine von Marly innerhalb dieser Episteme als architektonisches Objekt wahrgenommen, bei dem vor allem das Zusammenspiel der einzelnen Elemente Aufmerksamkeit erregte. Wie andere Maschinen auch stand sie unter dem Primat der Sichtbarkeit. Man war davon überzeugt, dass die Eigenschaften einer Maschine von der strukturellen Anordnung ihrer Bauteile abhingen und glaubte, ihre Qualität an ihrer Gestalt ablesen zu können. Ab der Mitte des 18. Jahrhunderts tauchte die Maschine von Marly in den Schriften physiokratischer Autoren auf. Zuerst diente sie dort als Beispiel für die Verschwendungssucht Louis’ XIV. und als Metapher für eine schlechte Einrichtung des Staates. Doch zunehmend begann man, sie auch in ihrer Faktizität als technisch-politisches Objekt zu begreifen. Man kritisierte ihre aktuelle Nutzung und schlug andere Möglichkeiten ihrer Verwendung vor, etwa die Bewässerung von Feldern oder die städtische Trinkwasserversorgung. Damit war die Maschine von Marly nicht länger ein Modell für die Einrichtung des Staates, das nur am Maßstab der immanenten Perfektion beurteilt werden konnte. Vielmehr war sie nun ein Instrument der Regierung, das sich als Teil eines staatlich verfassten Gemeinwesens verantworten musste. Als solches wurde sie auch zu einem bevorzugten Gegenstand aufklärerischer Reformprojekte. Das zeigt sich besonders deutlich am Wettbewerb, den die Pariser Akademie der Wissenschaften 1784-1786 organisiert hatte und der Vorschläge zur Verbesserung oder Ersetzung der Maschine von Marly zum Gegenstand hatte. Die Auswertung der mehr als 100 eingereichten Projekte und Memoranden ermöglicht einen einzigartigen Blick auf die Hoffnungen und Wünsche, die Ende des 18. Jahrhunderts an die Erfindung technischer Geräte gekoppelt waren. Um 1800 kann man die allmähliche Entstehung eines Funktionsbegriffs der Maschine bemerken. Lazare Carnots Essai sur les machines en général, der eine in der Sprache der Algebra artikulierte Definition der Maschine beinhaltete, trug maßgeblich dazu bei, die Anschaulichkeit zugunsten eines operativen Symbolismus zu delegitimieren. Erst dadurch war die Formulierung eines Effizienzkalküls möglich. Ergänzt wurde diese Formalisierung durch den Diskurs der Industrialisierung, in dem technische Apparate zunehmend als Produktionsmittel verstanden wurden. Die Maschine von Marly war ein wichtiger Schauplatz für die Entstehung eines ökonomischen Kraftmaßes. Nicht nur wurden dort Experimente mit verschiedenen Messinstrumenten (Dynamometern) durchgeführt, auch diente sie Joseph Montgolfier als Beispiel um zu beweisen, dass Kraft als Geldwert ausgedrückt werden könne. In den ersten Jahrzehnten des 19. Jahrhundert wurden Maschinen schließlich relational als Positionen innerhalb eines nationalen Produktionssystems definiert. Sie galten als Krafttransformatoren, bei denen ein bestimmter Input von ‚force motrice’ einen entsprechenden Output von ‚travail utile’ ergeben würde. Ihre vornehmlichste Aufgabe war die möglichst effiziente Ausnutzung der Kraftressourcen. Den vorläufigen Endpunkt erreichte die Entstehung des ökonomischen Kraftmaßes um 1830 mit der Formulierung des Begriffs der ‚mechanischen Arbeit’.
Optimum technological solutions must take into account the entire life cycle of structures including design procedures as well as quality assurance, inspection, maintenance, and repair strategies. Unfortunately, current design standards do not provide a satisfactory basis to ensure expected structural lifetimes. The latter may vary from only a few years for temporary structures to over a century for bridges, water dams or nuclear repositories. Consistent scientific concepts are urgently required to cover this wide spectrum of lifetimes in structural design and maintenance. This was a motivation for a group of scientists at the Ruhr-University Bochum (RUB) to start a special research program supported by the German Research Foundation (DFG) within the Cooperative Research Center SFB 398 since 1996. Institutes of the University Wuppertal and of the University Essen-Duisburg joined the research group. The goal of the Center is to study sources of damage and deterioration in materials and structures, to develop consistent models and simulation methods, to predict structural lifetimes and finally to integrate this predictions into new lifetime-oriented design strategies.
Research activities in our center are organised in three Project Groups as follows:
- Modelling of lifetime effects
- Methods for lifetime-oriented structural analyses
- Future lifespan-oriented design strategies.
LIFETIME-ORIENTED OPTIMIZATION OF BRIDGE TIE RODS EXPOSED TO VORTEX-INDUCED ACROSS-WIND VIBRATIONS
(2006)
In recent years, damages in welded connections plates of vertical tie rods of several arched steel bridges have been reported. These damages are due to fatigue caused by wind-induced vibrations. In the present study, such phenomena are examined, and the corresponding lifetime of a reference bridge in Münster-Hiltrup, Germany, is estimated, based on the actual shape of the connection plate. Also, the results obtained are compared to the expected lifetime of a connection plate, whose geometry has been optimized separately. The structural optimization, focussing on the shape of the cut at the hanger ends, has been carried out using evolution strategies. The oscillation amplitudes have been computed by means of the Newmark-Wilson time-step method, using an appropriate load model, which has been validated by on-site experiments on the selected reference bridge. Corresponding stress-amplitudes are evaluated by multiplying the oscillation amplitudes with a stress concentration factor. This factor has been computed on the basis of a finite element model of the system "hanger-welding-connection plate", applying solid elements, according to the notch stress approach. The damage estimation takes into account the stochastics of the exciting wind process, as well as the stochastics of the material parameters (fatigue strength) given in terms of Woehler-curves. The shape optimization results in a substantial increase of the estimated hanger lifetime. The comparison of the lifetimes of the bulk plate and of the welding revealed that, in the optimized structure, the welding, being the most sensitive part in the original structure, shows much more resistance against potential damages than the bulk material.
Die Liquiditätsplanung von Bauunternehmen XE "Liquiditätsplanung" gilt als ein wesentliches Steuerungs-, Kontroll- sowie Informationsinstrument für interne und externe Adressaten und übt eine Entscheidungsunterstützungsfunktion aus. Da die einzelnen Bauprojekte einen wesentlichen Anteil an den Gesamtkosten des Unternehmens ausmachen, besitzen diese auch einen erheblichen Einfluß auf die Liquidität und die Zahlungsfähigkeit der Bauunternehmung. Dem folgend ist es in der Baupraxis eine übliche Verfahrensweise, die Liquiditätsplanung zuerst projektbezogen zu erstellen und anschließend auf Unternehmensebene zu verdichten. Ziel der Ausführungen ist es, die Zusammenhänge von Arbeitskalkulation XE "Arbeitskalkulation" , Ergebnisrechnung XE "Ergebnisrechnung" und Finanzrechnung XE "Finanzrechnung" in Form eines deterministischen XE "Erklärungsmodells" Planungsmodells auf Projektebene darzustellen. Hierbei soll das Verständnis und die Bedeutung der Verknüpfungen zwischen dem technisch-orientierten Bauablauf und dessen Darstellung im Rechnungs- und Finanzwesen herausgestellt werden. Die Vorgänge aus der Bauabwicklung, das heißt die Abarbeitung der Bauleistungsverzeichnispositionen und deren zeitliche Darstellung in einem Bauzeitenplan sind periodisiert in Größen der Betriebsbuchhaltung (Leistung, Kosten) zu transformieren und anschließend in der Finanzrechnung (Einzahlungen., Auszahlungen) nach Kreditoren und Debitoren aufzuschlüsseln.
This paper presents results of applying Fuzzy Inference System for estimation of the number of potential Park and Ride users. Usually it is difficult to evaluate the number of users because it depends on human factor and data in the considered system are uncertain. In such situation the traditional mathematical approaches can not take into consideration rough data. Therefore a fuzzy approach can be applied in this case. A fuzzy methodology is treated as a proper way to describe choice of mode of transport, and especially that uncertainty accompanied of choosing process has rather fuzzy character. The proposed approach is based on the Mamdani Fuzzy Inference System and for calculation there is used Matlab software with Fuzzy Logic Toolbox. Mamdani model requires, as an input data, knowledge of the shape of membership function. These functions can be calibrated taking into consideration results of questionnaires conducted among users of Park and Ride system. Due to lack of representative sample of users, one has decided to use results of experts' questionnaires as a input data for calibration the shape of membership functions. Describing factor will be generalized cost of the trip for different modes of transport. Proposed approach consists of two main stages: modeling of share of public/private transport trips and Multimodal model estimating number of Park and Ride users. Verification of presented methodology is treated as an indirect proof. Proposed approach can be applied for estimation of bi-modal split. Then the results are compared with traditional approaches based on logit functions. Comparable results of proposed fuzzy approach with traditional logit models can be treated as a confirmation of chosen methodology.
At the 16th IKM Bock, Falcão and Gürlebeck presented examples of the application of some specially developed Maple-Software in hypercomplex analysis. Other papers of those authors continued this work and showed the efficiency of such tools for concrete numerical calculations as well as for numerical experiments, supporting the detection of new relationships and even theorems in a highly technical theoretical work. The mentioned software has been developed mainly for the use on mapping problems in the Euclidean spaces of dimension 3 and 4 by means of Bergman kernel methods (BKM), which are related to monogenic functions as solutions of generalized Cauchy-Riemann equations with respect to the Euclidean metric (Riesz system). The developed procedures concerning generalized powers of totally regular variables and the corresponding homogeneous polynomials basically rely on results and conventions introduced in the paper "Power series representation for monogenic functions in Rm+1 based on a permutational product", Complex Variables, 15, No.3, 181-191 (1990) by H. Malonek. Since 1992 H. Leutwiler, S. L. Eriksson and others developed in a number of papers a modified Clifford analysis and, particularly, a modified quaternionic analysis. The modification mainly consists in considering generalized Cauchy-Riemann equations with respect to a hyperbolic metric in a half space. The aim of this contribution is to show how through a change of the basic combinatorial relations used in the modified quaternionic analysis the aforementioned Maple-software (that has been recently published on CD-Rom as integrated part of the text book "Funktionentheorie in der Ebene und im Raum" by K. Gürlebeck, K. Habetha, and W. Sprössig, in the series "Grundstudium Mathematik" of Birkhäuser Verlag, 2006) can directly be used for numerical calculations in the modified theory.
The paper contains a description of dynamic effects in the silo wall during the outflow of a stored material. The work allows for determining the danger of construction damage due to resonant vibrations and is of practical importance by determining the influence of cyclic pressures and vibro–creeping during prolonged use of a silo. The paper was devised as a result of tests on silo walls in semi-technical scale. The model is generally applicable and allows for identification of parameters in real- size silos as well.
Für die Optimierung eines bereits bestehenden Prozesses, z.B. im Hinblick auf den maximal möglichen Durchsatz bei gleich bleibender Qualität der Pyrolyseprodukte oder für die Einstellung der Betriebsparameter bei einem unbekannten Einsatzstoff, kann ein mathematisches Modell eine erste Abschätzung für die Einstellung betrieblicher Parameter, wie z.B. Temperaturprofile im Gas und Feststoff, geben. Darüber hinaus kann man mit einem Modell für neu zu konzipierende Anlagen konstruktive Parameter ermitteln oder überprüfen. In dem hier dargestellten vereinfachten Modellansatz werden u. a. die Umsatzvorgänge für ein Partikelkollektiv mit Hilfe von Summenparametern aus Untersuchungen an einer Thermowaage und ergänzend im Drehrohr ermittelt. Das Prozessmodell basiert auf einem Reaktormodell, das das Verweilzeitverhalten des Einsatzstoffes im Reaktor beschreibt und einem Basismodell, bestehend aus Massen- und Energiebilanzen für Solid und Gas sowie Ansätzen zur Trocknung und zum Umsatz. Im Hinblick auf die Verfügbarkeit von stoffspezifischen Daten von Abfällen sind insbesondere zur Berechnung des Verweilzeitverhaltens und des Umsatzes im Heißbetrieb vereinfachende Ansätze durch die Bildung von Summenparametern hilfreich. Das Prozessmodell wurde schrittweise validiert: Zunächst wurde in Kaltversuchen ein Summenparameter, der u.a. die unbekannten Reibungsverhältnisse im Drehrohr berücksichtigt, durch Vergleich von Experiment und Rechnung für Sand ermittelt. Für heterogene Abfallgemische kann dieser Materialfaktor zwar für Kaltversuche bestimmt werden (soweit dies für Abfälle möglich ist), im Heißbetrieb ändern sich jedoch alle wesentlichen Stoffparameter wie Partikeldurchmesser, Schüttdichte und Schüttwinkel sowie die Reibungsverhältnisse. Für diesen Fall wird der Materialfaktor zu Eins gesetzt und die wesentlichen Stoffgrößen umsatzabhängig modelliert. Dazu ist die Kenntnis der Schüttdichten, statischen Schüttwinkel und mittleren Partikeldurchmesser vom Abfall und Koks aus dem Abfall notwendig. Die mit diesen Stoffdaten berechnete Verweilzeit wurde in einem Heißversuch bei der Pyrolyse von Brennstoff aus Müll- (BRAM) Pellets mit einem Fehler von ca. 20 % erreicht. Das Basismodell wurde zunächst ohne Umsatz an Messergebnisse mit Sand im Drehrohr unter Variation von Temperaturen und Massenstrom angepasst bevor mit diesem Modell die Pyrolyse von einem homogenen Einsatzstoff (Polyethylen mit Sand) im Drehrohr berechnet wurde. Hier konnte bereits gezeigt werden, dass mit diesem vereinfachten Modellansatz gute Ergebnisse beim Vergleich von Modell und Experiment erzielt werden können. Im nächsten Schritt wurde der Sand angefeuchtet, um die Teilmodelle der Trocknung unterhalb und bei Siedetemperatur zu validieren. Die Mess- und Modellierungsergebnisse stimmen gut miteinander überein. Für ein Abfallgemisch aus BRAM-Pellets konnte der Verlauf der Solidtemperaturen unter der Berücksichtigung variabler Stoffwerte des Solids und eines Verschmutzungsfaktors, der den Belag des Drehrohres mit anklebendem Pellets bis zur Verkokung berücksichtigt, gut wiedergegeben werden. Die Gastemperaturen können in erster Näherung ausreichend genau durch das mathematische Modell beschrieben werden. Mit diesem vereinfachten mathematischen Modellansatz steht nun ein Hilfsmittel zur Auslegung und Optimierung von indirekt beheizten Drehrohren zur Verfügung, um bei einem neuen Einsatzstoff mit Daten aus experimentellen Basisuntersuchungen, die Temperaturverläufe im Feststoff und Gas sowie die Gaszusammensetzung in Abhängigkeit der wesentlichen Einflussgrößen abzuschätzen.
The paper is a proposal of calculation of internal forces and dislocations in the reinforced concrete beams before and after cracking. For the ideally elastic bars transfer matrix proposed by Rakowski was applied. The effects associated with cracking were introduced by means of the Borcz's theory in the spectrally way. Numerical example was shown. The presented attitude also enables to calculate dynamic problems and those connected with the stability of the compressed and bending cracked beams and columns.
Due to economical, technical or political reasons all over the world about 100 nuclear power plants have been disconnected until today. All these power stations are still waiting for their complete dismantling which, considering one reactor, causes cost of up to one Bil. Euros and lasts up to 15 years. In our contribution we present a resource-constrained project scheduling approach minimizing the total discounted cost of dismantling a nuclear power plant. A project of dismantling a nuclear power plant can be subdivided into a number of disassembling activities. The execution of these activities requires time and scarce resources like manpower, special equipment or storage facilities for the contaminated material arising from the dismantling. Moreover, we have to regard several minimum and maximum time lags (temporal constraints) between the start times of the different activities. Finally, each disassembling activity can be processed in two alternative execution modes, which lead to different disbursements and determine the resource requirements of the considered activity. The optimization problem is to determine a start time and an execution mode for each activity, such that the discounted cost of the project is minimum, and neither the temporal constraints are violated nor the activities' resource requirements exceed the availability of any scarce resource at any point in time. In our contribution we introduce an appropriate multi-mode project scheduling model with minimum and maximum time lags as well as renewable and cumulative resources for the described optimization problem. Furthermore, we show that the considered optimization problem is NP-hard in the strong sense. For small problem instances, optimal solutions can be gained from a relaxation based enumeration approach which is incorporated into a branch and bound algorithm. In order to be able to solve large problem instances, we also propose a truncated version of the devised branch and bound algorithm.
In diesem Beitrag wird eine mobile Software-Komponente zur Vor-Ort-Unterstützung von Bauwerksprüfungen gemäß DIN 1076 „Ingenieurbauwerke im Zuge von Strassen und Wegen, Überwachung und Prüfung“ vorgestellt, welche sich im praktischen Einsatz bei der Hochbahn AG Hamburg befindet. Mit Hilfe dieses Werkzeugs kann die Aktivität am Bauwerk in den gesamten softwaregestützten Geschäftsprozess der auwerksinstandhaltung integriert und somit die Bearbeitungszeit einer Bauwerksprüfung von der Vorbereitung bis zur Prüfbericht-Erstellung reduziert werden. Die Technologie des Mobile Computing wird unter Berücksichtigung spezieller fachlicher Randbedingungen, wie z.B. dem Einsatzort unter freiem Himmel, erläutert und es werden Methoden zur effizienten Datenerfassung mit Stift und Sprache vorgestellt und bewertet. Ferner wird die Einschränkung der Hardware durch die geringere Größe der Endgeräte, die sich durch die Bedingung der Mobilität ergibt, untersucht.
MODEL OF TRAM LINE OPERATION
(2006)
From passenger's perspective punctuality is one of the most important features of trams operations. Unfortunately in most cases this feature is only insufficiently fulfilled. In this paper we present a simulation model for trams operation with special focus on punctuality. The aim is to get a helpful tool for designing time-tables and for analyzing the effects by changing priorities for trams in traffic lights respectively the kind of track separation. A realization of trams operations is assumed to be a sequence of running times between successive stops and times spent by tram at the stops. In this paper the running time is modeled by the sum of its mean value and a zero-mean random variable. With the help of multiple regression we find out that the average running time is a function depending on the length of the sections and the number of intersections. The random component is modeled by a sum of two independent zero-mean random variables. One of these variables describes the disturbance caused by the process of waiting at an intersection and the other the disturbance caused by the process of driving. The time spent at a stop is assumed to be a random variable, too. Its distribution is estimated from given measurements of these stop times for different tram lines in Kraków. Finally a special case of the introduced model is considered and numerical results are presented. This paper is involved with CIVITAS-CARAVEL project: "Clean and better transport in cites". The project has received research funding from the Community's Sixth Framework Programme. The paper reflects only the author's views and the Community is not liable for any use that may be made of the information contained therein.
Subject of the paper is the realisation of a model based efficiency control system for PV generators using a simulation model. A standard 2-diodes model of PV generator is base of the ColSim model, which is implemented in ANSI C code for flexible code exporting. The algorithm is based on discretisized U-I characteristics, which allows the calculation of string topologies witch parallel and serial PV cells and modules. Shadowing effects can be modelled down to cell configuration using polar horizon definitions. The simulation model was ported to a real time environment, to calculate the efficiency of a PV system. Embedded System technology allows the networked operation and the integration of standard I/O devices. Futher work focus on the adaption of shadowing routine, which will be adapted to get the environment conditions from the real operation.
MODELLING THE PLASTIC HINGE IN THE STATICALLY INDETERMINABLE REINFORCED CONCRETE BAR ELEMENTS
(2006)
The paper presents the example numerical model to calculate the reinforced concrete bar structures. Usually applied methods of structure dimensioning do not include the case of plastic hinges occurrence under the limit load of construction. The model represented by A. Borcz is based on the differential equation of deflection line of the beam and it includes the effects of rearrangement of the internal forces and reological effects. The experimental parameters obtained in earlier investigations describe effects resulting from the rise of plastic hinges in the proposed equation.
Die Arbeit beinhaltet die Planungsgrundlage (Modellgesetze)und Herstellung (Modellbau) eines physikalischen Modells eines Flußabschnittes in den Grenzen seiner hydraulischen Wirkung. Ziel der Untersuchungen ist die Ertüchtigung derim Modell dargestellten Hochwasserschutzanlagen unter vorgegebenen Auflagen. Es werden Modelluntersuchungen durchgeführt, die zur Erfassung der Wasserstände bei verschiedenen Durchflüssen dienen. Die dafür eingesetzte Messtechnik wird dokumentiert. Die Messdaten werden hinsichtlich Messgenauigkeit und Messfehlerbehaftung untersucht, um die Ergebnisse im Vergleich mit einem numerischen Modell aufzubereiten.
The mathematical and technical foundations of optimization have been developed to a large extent. In the design of buildings, however, optimization is rarely applied because of insufficient adaptation of this method to the needs of building design. The use of design optimization requires the consideration of all relevant objectives in an interactive and multidisciplinary process. Disciplines such as structural, light, and thermal engineering, architecture, and economics impose various objectives on the design. A good solution calls for a compromise between these often contradictory objectives. This presentation outlines a method for the application of Multidisciplinary Design Optimization (MDO) as a tool for the designing of buildings. An optimization model is established considering the fact that in building design the non-numerical aspects are of major importance than in other engineering disciplines. A component-based decomposition enables the designer to manage the non-numerical aspects in an interactive design optimization process. A façade example demonstrates a way how the different disciplines interact and how the components integrate the disciplines in one optimization model. In this grid-based façade example, the materials switch between a discrete number of materials and construction types. For light and thermal engineering, architecture, and economics, analysis functions calculate the performance; utility functions serve as an important means for the evaluation since not every increase or decrease of a physical value improves the design. For experimental purposes, a genetic algorithm applied to the exemplary model demonstrates the use of optimization in this design case. A component-based representation first serves to manage non-numerical characteristics such as aesthetics. Furthermore, it complies with usual fabrication methods in building design and with object-oriented data handling in CAD. Therefore, components provide an important basis for an interactive MDO process in building design.
Monitoring und Bewertung sind Hauptaufgaben im Management bzw. der Revitalisierung von Bauwerken. Unterschiedliche Verfahren können bei der Akquisition der erforderlichen geometrischen Information, wie z. B. Größe oder Verformung eines Gebäudes, eingesetzt werden. Da das Potenzial der digitalen Fotografie kontinuierlich wächst, stellt die Industriephotogrammetrie heute eine bedeutende Alternative zu den klassischen Verfahren wie Dehnmessstreifen oder anderen taktilen Sensoren dar. Moderne Industriephotogrammetrie erfasst die Bilder mittels digitaler Systeme. Dies bedeutet, dass die Information digitaler Bilder mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitung untersucht werden muss, um die Bildkoordinaten der Messpunkte zu erhalten. Eine der Aufgaben der Bildverarbeitung für photogrammetrische Zwecke besteht somit darin, den Mittelpunkt von kreisförmigen Marken zu lokalisieren. Die modernen Operatoren liefern Subpixelgenauigkeit für die Koordinaten des Punktes. Das optische Messverfahren der Industriephotogrammetrie erfordert hinsichtlich der Hardware in erster Linie hochauflösende digitale Kameras. Dabei lassen sich die Kameras in Videokameras, HighSpeed-Kameras, intelligente Kameras sowie so genannte Consumer und Professionelle Kameras unterscheiden. Die geometrische Auflösung digitaler HighEnd-Kameras liegt heute bei über 10 Megapixel. In punkto Datentransfer zum Rechner sind verschiedene Standards am Markt verfügbar, z. B. USB2.0, GigE-Vision, CameraLink oder Firewire. Die Wahl des Standards hängt immer von der spezifischen Aufgabenstellung ab, da keine der Techniken eine führende Position einnimmt. Die moderne Photogrammetrie bietet viele neue Möglichkeiten für das Monitoring und die Bewertung von Bauwerken. Sie kann ein-, zwei-, drei- oder vierdimensionale Informationen liefern, falls erforderlich auch in Echtzeit. Als berührungsloses Messverfahren ist der Einsatz der Photogrammetrie noch möglich, wenn die taktilen Sensoren z. B. aufgrund ihres Platzbedarfes nicht mehr eingesetzt werden können. Hochauflösende Videokameras erlauben es, selbst dynamische Untersuchungen mit großer Präzision durchzuführen.
A fast solver method called the multigrid preconditioned conjugate gradient method is proposed for the mechanical analysis of heterogeneous materials on the mesoscale. Even small samples of a heterogeneous material such as concrete show a complex geometry of different phases. These materials can be modelled by projection onto a uniform, orthogonal grid of elements. As one major problem the possible resolution of the concrete specimen is generally restricted due to (a) computation times and even more critical (b) memory demand. Iterative solvers can be based on a local element-based formulation while orthogonal grids consist of geometrical identical elements. The element-based formulation is short and transparent, and therefore efficient in implementation. A variation of the material properties in elements or integration points is possible. The multigrid method is a fast iterative solver method, where ideally the computational effort only increases linear with problem size. This is an optimal property which is almost reached in the implementation presented here. In fact no other method is known which scales better than linear. Therefore the multigrid method gains in importance the larger the problem becomes. But for heterogeneous models with very large ratios of Young's moduli the multigrid method considerably slows down by a constant factor. Such large ratios occur in certain heterogeneous solids, as well as in the damage analysis of solids. As solution to this problem the multigrid preconditioned conjugate gradient method is proposed. A benchmark highlights the multigrid preconditioned conjugate gradient method as the method of choice for very large ratio's of Young's modulus. A proposed modified multigrid cycle shows good results, in the application as stand-alone solver or as preconditioner.
Requires for reliability and durability of structures and their elements with simultaneous material economy have stimulated improvement of constitutive equations for description of elasto-plastic deformation processes. This has led to the development of phenomenological modelling of complex phenomena of irreversible deformation including history-dependent and rate-dependent effects. During the last several decades many works have been devoted to the development of elasto-plastic models, in order to better predict the material behavior under combined variable thermo-mechanical loading. The increase of accuracy of stress analysis and safety factors for complex structures with the help of modern finite-element packages (ABAQUS, ANSYS, COSMOS, LS-DYNA, MSC.MARC, MSC.NASTRAN, PERMAS and other) can be provided only by use of complex and special variants of plasticity theories, which are adequate for the considered loading conditions and based on authentic information about properties of materials. The areas of application of the various theories (models) are as a rule unknown to the users of finite-element packages at the existing variety loading condition sin machine-building designs. At the moment a universal theory of inelasticity is absent and even the most accomplished theories can not guarantee adequate description of deformation processes for arbitrary structure under wide range of loading programs. The classifier of materials, loading conditions, effects (phenomena) and list of basic experiments are developed by the authors. Use of these classifiers for an establishment of hierarchy of models is a first step for introduction of the multimodel analysis into computational practice. The set of the classic and modern inelasticity theories is considered, so that they are applicable for stress analysis of structures under complex loading programs. Among them there are plastic flow theories with linear and nonlinear isotropic and kinematic hardening, multisurface theories, endochronic theory, holonomic theory, rheologic models, theory of elasto-plastic processes, slip theory, physical theories (single crystal and polycrystalline models) and others. The classification of materials provides rearranging by a degree of homogeneous, chemical composition, level of strength and plasticity, behavior under cyclic loading, anisotropy of properties at initial condition, anisotropy of properties during deformation process, structural stability. The classification of loading conditions takes into consideration proportional and non-proportional loading, temperature range, combination of cyclic and monotonous loading, one-axial, two-axial and complex stress state, curvature of strain path, presence of stress concentrators and level of strain gradient. A unified general form of constitutive equations is presented for all used material models based upon the concept of internal state variables. The wide range of mentioned above inelastic material models has been implemented into finite element program PANTOCRATOR developed by authors (see for details www.pantocrator.narod.ru). Application possibility of different material models is considered both for material element and for complex structures subjected to complex non-proportional loading.
Advanced finite elements are proposed for the mechanical analysis of heterogeneous materials. The approximation quality of these finite elements can be controlled by a variable order of B-spline shape functions. An element-based formulation is developed such that the finite element problem can iteratively be solved without storing a global stiffness matrix. This memory saving allows for an essential increase of problem size. The heterogeneous material is modelled by projection onto a uniform, orthogonal grid of elements. Conventional, strictly grid-based finite element models show severe oscillating defects in the stress solutions at material interfaces. This problem is cured by the extension to multiphase finite elements. This concept enables to define a heterogeneous material distribution within the finite element. This is possible by a variable number of integration points to each of which individual material properties can be assigned. Based on an interpolation of material properties at nodes and further smooth interpolation within the finite elements, a continuous material function is established. With both, continuous B-spline shape function and continuous material function, also the stress solution will be continuous in the domain. The inaccuracy implied by the continuous material field is by far less defective than the prior oscillating behaviour of stresses. One- and two-dimensional numerical examples are presented.
In the final decades many scientists were occupied intensively with the change of materials during a process and their mathematical descriptions. The extensive and extensive analyses were supported by the advanced computer science. A mathematical description of the phase transformation is a condition for a realistic FE simulation of the state of microstructure. It is possible to simulate the temperature and stress field also in complex construction based on the state of microstructure. In the last years a great number of mathematical models were expanded to describe the transformation between different phases. For the development of the models for transformation kinetics it is practical to subdivide into isothermal and non-isothermal processes according to the thermal conditions. Some models for the description of the transformation with non-isothermal processes represent extensions for isothermal of processes. A part of parameters for the describing equations can be derived from the time-temperature-transformation diagrams in the literature. Furthermore the two possibilities of transformation are considered by different models - diffusion controlled and not diffusion controlled. The material-specific characteristics can be simulated during the transformation for each individual phase in a realistic FE analyses. Also new materials can be simulated after a modification of the parameters in the describing equations for the phase transformation. The effects in the temperature and stress field are a substantial reason for the investigation of the phase transformation during the welding and TIG-dressing processes.
Durch die Betrachtung des Produktions-Prozesses als zentrales Transformationselement wird die Struktur der Bauproduktion realitätsnah gefasst. Die Integration der prozessorientierten Kostendefinition setzt relevante Kostenparameter und Produktionsfaktoren so in Beziehung, dass sie im Einklang mit der realen Kostenstruktur und Kostendynamik einer Baustelle stehen. Die Beziehung zwischen Bauzeit und Kosten wird direkt erfasst und ausgewertet. Der hohen Dynamik der Bauproduktion zwischen kapazitätsbeschränkten Einsatzmitteln und Produktionsprozessen wurde durch das Poolmodell und der Simulation als Berechnungsmethode Rechnung getragen. Eine einfache Modellierung von sich zyklusartig wiederholenden Arbeitsvorgängen (Taktplanung) ist möglich. Die Taktbildung vollzieht sich bei der Simulation durch Kapazitätsbeschränkungen ohne Zutun des Benutzers. Durch eine Optimierungsmethode kann automatisiert nach der kostengünstigsten oder zeitlich schnellsten Produktionsvariante gesucht werden
We show a close relation between the Schrödinger equation and the conductivity equation to a Vekua equation of a special form. Under quite general conditions we propose an algorithm for explicit construction of pseudoanalytic positive formal powers for the Vekua equation that as a consequence gives us a complete system of solutions for the Schrödinger and the conductivity equations. Besides the construction of complete systems of exact solutions for the above mentioned second order equations and the Dirac equation, we discuss some other applications of pseudoanalytic function theory.
A new approach to the non-linear analysis of cross-sections loaded by normal forces and bending moments is presented in the paper. The mechanical model is based on the LAGRANGE principle of minimum of total potential energy. Deformations, stresses and limit load parameters are obtained by solving a non-linear optimisation problem. The mathematical model is independent of the specifics of material. In addition to the stress strain relation and the specific strain energy W(ε) two further functions F(ε) and Φ(ε) are introduced to describe the material behaviour. Thus cracks in concrete, non-linearity of material etc. can be taken into account without basic modification of the numerical algorithm. For polygonal cross-sections the GAUSS' integral theorem is used. Numerical solutions of the non-linear optimisation problems can be found by application of standard software. Thus the analysis of reinforced concrete cross-sections or more general composite cross-sections with non-linear behaviour of material is as simple as in the case of linear elasticity. The application of the method is demonstrated for polygonal cross-sections. Pre-stresses or pre-strains can easily be included in the mathematical model.
The presented method for an physically non-linear analysis of stresses and deformations of composite cross-sections and members based on energy principles and their transformation to non-linear optimisation problems. From the LAGRANGE principle of minimum of total potential energy a kinematic formulation of the mechanical problem can be developed, which has the general advantage that pre-deformations excited by shrinkage, temperature, residual deformations after unloading et al., can be considered directly. Thus the non-linear analysis of composite cross-sections with layers of different mechanical properties and different preloading becomes possible and cracks in concrete, stiffness degradation and other specifics of the material behaviour can be taken into account without cardinal modification of the mathematical model. The impact of local defects on the bearing capacity of an entire element can also be analysed in this principle way. Standard computational systems for mathematical optimisation or general programs for spreadsheet analysis enable an uncomplicated implementation of the developed models and an effective non-linear analysis for composite cross-sections and elements.
Moderne Büroarchitektur mit Räumen in Leichtbauweise und großen transparenten Fassa-denanteilen verschärft im Zusammenwirken mit hohen internen Lasten die Problematik der sommerlichen Überhitzung in Gebäuden. Phasenübergangsmaterialien (PCM: phase change materials) stellen eine interessante Möglichkeit dar, sommerliche Überhitzung in Gebäuden ohne aufwändige Anlagentechnik wie beispielsweise Klimaanlagen zu reduzieren. Der thermische Komfort in Räumen, die mit einem PCM-Putz ausgestattet sind, kann signifikant erhöht werden. Die Arbeit untersucht Anwendungsmöglichkeiten und Optimierungspotential eines PCM-Putzes auf experimentelle und numerische Weise. Zur Untersuchung des PCM-Putzes wurden materialtechnische und experimentelle sowie numerische und numerisch-analytische Methoden eingesetzt. Die Kenntnis der thermischen Parameter des PCM-Putzes ist unablässig für die Berechnung der möglichen Temperaturreduktionen. Zur Bestimmung der Latentwärme, des qualitativen Schmelz- und Erstarrungsprozesses sowie des Temperaturintervalls, in dem der Phasenübergang stattfindet, wurden Messungen mit einem Differential Scanning Calorimeter (DSC) durchgeführt. Für die experimentelle Untersuchung des PCM-Putzes wurden zwei identische Testräume in Leichtbauweise erstellt. Die Räume wurden im Verifikationsobjekt „Eiermannbau“ des Sonderforschungsbereiches SFB 524 der Bauhaus-Universität Weimar gemessen. Nach der Überprüfung, dass sich beide Räume thermisch gleich verhalten, wurde ein Raum mit dem PCM-Putz und der zweite Raum mit einem vergleichbaren Innenputz ohne PCM verputzt. Thermoelemente zur Temperaturmessung im Bauteil, an der Oberfläche und zur Raumlufttemperaturbestimmung wurden angebracht und mit einer Messwerterfassungsanlage verbunden. Der Verlauf der Außenlufttemperatur und die Globalstrahlung am Standort der Versuchsräume wurden aufgezeichnet, um einen Klimadatensatz zu erstellen. Für die Berechnung der Temperaturverteilung in einem PCM-Bauteil mit kontinuierlichem Phasenübergang existiert keine geschlossene analytische Lösung. Daher wurde ein numerischer Ansatz gewählt, bei dem der Phasenübergang im Temperaturbereich T1 bis T2 mit Hilfe einer temperaturabhängigen Wärmekapazität c(T) innerhalb der erweiterten Fou-rier’schen Wärmeleitungsgleichung dargestellt wird. Die Funktion c(T) wird auf Basis der DSC-Messungen bestimmt. Die Modellierung erfolgte mit einem Finite-Differenzen-Verfahren auf Grundlage der Fourier’schen Wärmeleitungsgleichung. Im Rahmen der Arbeit wurde ein PCM-Modul entwickelt, das in ein Gebäudesimulationsprogramm implementiert wurde. Mit dem neuen Modul lassen sich sowohl die Temperaturverläufe in einem PCM-Bauteil wie auch seine Wechselwirkung mit dem Raumklima darstellen. Eine Validierung des entwickelten PCM-Moduls anhand von zahlreichen experimentellen Daten der Versuchsräume wurde für das PCM-Modul erfolgreich durchgeführt. Sommerliche Überhitzungsstunden können durch PCM in Wand- und Deckenelementen deutlich reduziert werden. Der PCM-Putz eignet sich vor allem für Anwendungen in Leichtbauten wie z.B. moderne Büroräume. In Räumen, in denen bereits eine ausreichende thermische Masse vorhanden ist, ist die Temperaturreduktion durch PCM nur gering. Kann das PCM während der Nachtstunden nicht erstarren, erschöpft sich seine Fähigkeit zur Latentwärmespeicherung. Erhöhte Nachtlüftung führt bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen zu höherem Wärmeübergang und kann damit zur besseren Entladung des PCM beitragen. Im Rahmen der Dissertation konnten Aussagen zur idealen Phasenübergangstemperatur in Abhängigkeit des verwendeten Materials und der Schichtdicke getroffen werden. Die Reduktion der Oberflächentemperaturen, die sich bei Einsatz eines PCM-Putzes unter geeigneten Randbedingungen ergibt, beträgt 2.0 - 3.5 K für eine Putzschicht von 1 cm und 3.0 - 5.0 K für eine Putzschicht von 3 cm. Diese Werte wurden sowohl numerisch als auch durch experimentelle Untersuchungen ermittelt. Die Reduktion der Lufttemperaturen aufgrund einer Konditionierung des Raumes mit PCM-Putz beträgt bei geeigneten thermischen Verhältnissen ca. 1.0 - 2.5 K für eine Putzschicht von 1 cm und 2.0 - 3.0 K für eine Putzschicht von 3 cm. Die operative Temperatur als wichtiger Komfortparameter kann durch den Einsatz des PCM-Putzes um bis zu 4 K gesenkt werden. Damit lässt sich mit Hilfe eines PCM-Putzes die thermische Behaglichkeit in einem Raum deutlich erhöhen.
Auf der Basis der Literaturrecherche wird in dieser Arbeit eine 5-lagige MAG-geschweißte Stumpfnaht an austenitisch-ferritischen Stahl X2CrNiMoN22-5-3 (Duplex-Stahl 1.4462) mit dem FE-Programm „SYSWELD®“ simuliert. Die Berech-nungen der Temperaturfelder werden unter der Berücksichtigung sowohl von tempe-raturunabhängigen als auch temperaturabhängigen thermophysikalischen Material-eigenschaften am drei-dimensionalen und zwei-dimensionalen Modell durchgeführt. Die berechneten Temperatur-Zeit-Verläufe und Gefügeumwandlungen beim MAG-Schweißen der Stumpfnaht werden hinsichtlich der Einflüsse und Veränderun-gen analysiert und die ermittelten Abkühlzeiten t12/8 werden für jede Schweißlage bewertet. Anschließend werden die Berechnungen des Eigenspannungszustandes für einzelne Schweißlagen untersucht.