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Structural optimization has gained considerable attention in the design of structural engineering structures, especially in the preliminary phase.
This study introduces an unconventional approach for structural optimization by utilizing the Energy method with Integral Material Behavior (EIM), based on the Lagrange’s principle of minimum potential energy. An automated two-level optimization search process is proposed, which integrates the EIM, as an alternative method for nonlinear
structural analysis, and the bilevel optimization. The proposed procedure secures the equilibrium through minimizing the potential energy on one level, and on a higher level, a design objective function. For this, the most robust strategy of bilevel optimization, the nested method is used. The function of the potential energy is investigated along with its instabilities for physical nonlinear analysis through principle examples, by which the advantages and limitations using this method are reviewed. Furthermore, optimization algorithms are discussed.
A numerical fully functional code is developed for nonlinear cross section,
element and 2D frame analysis, utilizing different finite elements and is verified
against existing EIM programs. As a proof of concept, the method is applied on selected
examples using this code on cross section and element level. For the former one a
comparison is made with standard procedure, by employing the equilibrium equations
within the constrains. The validation of the element level was proven by a theoretical
solution of an arch bridge and finally, a truss bridge is optimized. Most of the
principle examples are chosen to be adequate for the everyday engineering practice, to
demonstrate the effectiveness of the proposed method.
This study implies that with further development, this method could become just as
competitive as the conventional structural optimization techniques using the Finite
Element Method.
The need for finding persuasive arguments can arise in a variety of domains such as politics, finance, marketing or personal entertainment. In these domains, there is a demand to make decisions by oneself or to convince somebody about a specific topic. To obtain a conclusion, one has to search thoroughly different sources in literature and on the web to compare various arguments. Voice interfaces, in form of smartphone applications or smart speakers, present the user with natural conversations in a comfortable way to make search requests in contrast to a traditional search interface with keyboard and display. Benefits and obstacles of such a new interface are analyzed by conducting two studies. The first one consists of a survey for analyzing the target group with questions about situations, motivations, and possible demanding features. The latter one is a wizard-of-oz experiment to investigate possible queries on how a user formulates requests to such a novel system. The results indicate that a search interface with conversational abilities can build a helpful assistant, but to satisfy the demands of a broader audience some additional information retrieval and visualization features need to be implemented.
Forscher prognostizieren in den kommenden Jahren eine Klimaerwärmung bis zu 6 ° C. Aus diesem Grund wurde das EU – Forschungsprojekt „ Climate for Culture“ ins Leben gerufen, um Auswirkungen dieses Klimawandels auf denkmalgeschützte, kulturhistorische Gebäude zu untersuchen. Ziel ist es, entsprechende Schutzmaßnahmen in konservatorischer Hinsicht zu erarbeiten.
Aufgrund des Zusammenhanges zwischen Temperatur und Luftfeuchte führt diese Klimaerwärmung auch zu einer Änderung des Feuchtehaushaltes im Außenbereich und, bedingt durch einen immer vorhandenen Luftwechsel, schließlich auch im Innenbereich von Gebäuden.
Die Fähigkeit eines Gebäudes, durch seine Beschaffenheit auf Feuchteeinflüsse zu reagieren, wird maßgeblich bestimmt durch seine Möglichkeit, in der Gebäudehülle und der vorhandenen Einrichtung anfallende Feuchte zwischenzuspeichern und diese zeitversetzt wieder an die Umgebung abzugeben. Diese Fähigkeit sorptiver Flächen zur Feuchtepufferung konnte bislang nur mit erheblichem Aufwand ermittelt werden.
In der vorliegenden Arbeit wird versucht, durch einfachere Methoden mittels hygrothermischer Simulation einen „Zweizahlwert“ zu erhalten, mit dem sich diese Raumkompetenz schnell und nachvollziehbar darstellen lässt.
Für anwendungsbezogene Lösungsansätze im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft im urbanen Raum ist es wichtig, die Inhalte komplexer ineinander greifender Systeme zu begreifen. Ein Simulationsspiel kann hilfreich sein, um den Nutzer mit neuen Technologien und Möglichkeiten der Kombination vertraut zu machen. Aufgrund hoher Anforderungen an Komplexität und Detailliertheit der Modelle ist die Entwicklung eines solchen Spiels teuer und aufwändig. Diese Arbeit untersucht, inwieweit sich das kommerziell zu Unterhaltungszwecken entwickelte Spiel SimCity 5 (Version 2013) nutzen lässt bzw. wie es konfiguriert werden muss. Im Speziellen wird dies am Beispiel des naturnahen Regenwassermanagements im urbanen Raum erläutert.
Die Analyse von SimCity 5 zeigt, dass sich das Spiel durchaus als Werkzeug zur Entscheidungsunterstützung eignet. Die Teilsysteme der Siedlungswasserwirtschaft sind jedoch zu stark vereinfacht, sodass Verbesserungsbedarf besteht.
Um Szenarien des naturnahen Regenwassermanagements in das Spiel zu integrieren, wurde im Rahmen der Arbeit das Modell SimRegen entwickelt. Da derzeit keine Schnittstelle zur agentenbasierten Simulationsengine GlassBox freigegeben ist, wurden Teilaspekte des Modells mit Hilfe des agentenbasierten Simulationswerkzeugs NetLogo (Version 5.0.4) implementiert.
Thin-walled cylindrical composite shell structures are often applied in aerospace for lighter and cheaper launcher transport system. These structures exhibit sensitivity to geometrical imperfection and are prone to buckling under axial compression. Today the design is based on NASA guidelines from the 1960’s [1] using a conservative lower bound curve embodying many experimental results of that time. It is well known that the advantages and different characteristics of composites as well as the evolution of manufacturing standards are not considered apporopriately in this outdated approach. The DESICOS project was initiated to provide new design guidelines regarding all the advantages of composites and allow further weight reduction of space structures by guaranteeing a more precise and robust design.
Therefore it is necessary among other things to understand how a cutout with different dimensions affects the buckling load of a thin-walled cylindrical shell structure in combination with initial geometric imperfections. This work is intended to identify a ratio between the cutout characteristic dimension (in this case the cutout diameter) and the structure characteristic dimension (in this case the cylinder radius) that can be used to tell if the buckling structure is dominated by initial imperfections or is dominated by the cutout.
Der inhaltlichen Qualitätssicherung von Bauwerksinformationsmodellen (BIM) kommt im Zuge einer stetig wachsenden Nutzung der verwendeten BIM für unterschiedliche Anwen-dungsfälle eine große Bedeutung zu. Diese ist für jede am Datenaustausch beteiligte Software dem Projektziel entsprechend durchzuführen. Mit den Industry Foundation Classes (IFC) steht ein etabliertes Format für die Beschreibung und den Austausch eines solchen Modells zur Verfügung. Für den Prozess der Qualitätssicherung wird eine serverbasierte Testumgebung Bestandteil des neuen Zertifizierungsverfahrens der IFC sein. Zu diesem Zweck wurde durch das „iabi - Institut für angewandte Bauinformatik” in Zusammenarbeit mit „buildingSMART e.V.“ (http://www.buildingsmart.de) ein Global Testing Documentation Server (GTDS) implementiert. Der GTDS ist eine, auf einer Datenbank basierte, Web-Applikation, die folgende Intentionen verfolgt:
• Bereitstellung eines Werkzeugs für das qualitative Testen IFC-basierter Modelle
• Unterstützung der Kommunikation zwischen IFC Entwicklern und Anwendern
• Dokumentation der Qualität von IFC-basierten Softwareanwendungen
• Bereitstellung einer Plattform für die Zertifizierung von IFC Anwendungen
Gegenstand der Arbeit ist die Planung und exemplarische Umsetzung eines Werkzeugs zur interaktiven Visualisierung von Qualitätsdefiziten, die vom GTDS im Modell erkannt wurden. Die exemplarische Umsetzung soll dabei aufbauend auf den OPEN IFC TOOLS (http://www.openifctools.org) erfolgen.
Die Architekten, Künstler und Designer des Bauhauses prägten mit neuem gestalterischen Geist eine unverwechselbare Bauhaus-Handschrift. Ausgehend von Weimar schrieben sie sich damit in die Weltkulturgeschichte ein. Nachdem das Bauhaus 1933 dem Nationalsozialismus in Deutschland zum Opfer gefallen war, lebten Idee und Praxis des Bauhauses mit den emigrierenden Lehrern und Schülern im Ausland weiter. Weltweit existieren noch heute Gebäude, Produkte und Kunstwerke, die durch das Bauhaus entstanden sind, von ihm inspiriert wurden oder darauf Bezug nehmen. Mit dem Projekt ImpulsBauhaus versuchen Jens Weber und Andreas Wolter, die weltweite Verbreitung und Einflussnahme des Bauhauses anhand der Beziehungen, Bewegungen und Werke seiner Vertreter bis in die Gegenwart nachvollziehbar zu machen. Das Projekt besteht aus zwei Teilen. Die ImpulsBauhaus-Forschungsplattform ist eine Datenbank, in der Informationen über Bauhaus-Vertreter gesammelt und mithilfe von Analysetools und Visualisierungsinstrumenten ausgewertet werden können. Der zweite Teil besteht aus einer räumlichen Inszenierung der Informationsbestände – der ImpulsBauhaus-Ausstellung. Ausgangspunkt des Projekts ImpulsBauhaus war neben dem kunstwissenschaftlichen Interesse die Frage, wie mit heutigen digitalen Mitteln große Informationsmengen verwaltet, analysiert und visualisiert werden können.
Weiterführende Informationen zum Projekt finden sich auf der Website http://impuls-bauhaus.de, wo auch interessierte Wissenschaftler und Autoren Zugang zur ImpulsBauhaus-Forschungsplattform erhalten.
The initial shear modulus, Gmax, of soil is an important parameter for a variety of geotechnical design applications. This modulus is typically associated with shear strain levels about 5*10^-3% and below. The critical role of soil stiffness at small-strains in the design and analysis of geotechnical infrastructure is now widely accepted.
Gmax is a key parameter in small-strain dynamic analyses such as those to predict soil behavior or soil-structure interaction during earthquake, explosions, machine or traffic vibration where it is necessary to know how the shear modulus degrades from its small-strain value as the level of shear strain increases. Gmax can be equally important for small-strain cyclic situations such as those caused by wind or wave loading and for small-strain static situations as well. Gmax may also be used as an indirect indication of various soil parameters, as it, in many cases, correlates well to other soil properties such as density and sample disturbance. In recent years, a technique using bender elements was developed to investigate the small-strain shear modulus Gmax.
The objective of this thesis is to study the initial shear stiffness for various sands with different void ratios, densities, grain size distribution under dry and saturated conditions, then to compare empirical equations to predict Gmax and results from other testing devices with results of bender elements from this study.
Die Verbesserung der Verarbeitbarkeitseigenschaften zementgebundener Systeme ist eines der wichtigsten Ziele der Baustoffforschung. In dieser Diplomarbeit werden die Ergebnisse von Grundlagenuntersuchungen dokumentiert wie durch den Einfluss von Leistungs-Ultraschall in frisch hergestellten Portland-Zementleim eine Vielzahl der verarbeitungstechnisch relevanten Faktoren wie Luftgehalt, Fließfähigkeit oder Erstarrungsverhalten positiv beeinflusst werden können. Darüber hinaus werden Möglichkeiten aufgezeigt wie durch eine Beschallung der Bindemittelsuspension verflüssigende Zusatzmittel in signifikanten Mengen eingespart und die Pumpbarkeit von Hochleistungsbeton deutlich verbessert werden können.
In dieser Arbeit wird der Vortriebsprozess einer Erddruckschildmaschine in einem Simulationsmodell mit Hilfe der System Dynamics modelliert. Nach einer Einführung in den maschinellen Tunnelbau werden die Besonderheiten der Erddruckschildmaschine herausgestellt. Anschließend wird das betrachtete System mit dem Simulationskonzept der System Dynamics modelliert und in einem geeigneten Simulationstool implementiert.
Anwendungsmöglichkeiten der Werkzeuge der Lean Construction in der Ablaufplanung im Fassadenbau
(2011)
Trotz Mechanisierung und Vorfertigung ist die Bauproduktion stark handwerklich geprägt. Zu dem sind Baustellen in der Regel komplexe und einmalige Produktionsstätten für Einzelobjekte. Sie sind häufig witterungsabhängig, was die Planbarkeit des Herstellungsprozesses beeinträchtigt. Zu dem unterscheiden sich die jeweiligen örtlichen Bedingungen stark voneinander. Ständig wechselndes Personal und Nachunternehmer aus verschiedenen Ländern mit unter-schiedlichen Erfahrungen und Qualifikationen sowie andere Geräte, Herstellungsmethoden und Baustoffe stellen sehr komplexe Anforderungen an die Baubeteiligten. Außerdem gelten in Deutschland hohe Qualitätsanforderungen und komplizierte Vorschriften, die den Aufwand für die Bauleitung deutlich erhöhen. Die Bauindustrie hat sich aus der Kombination verschiedener Berufe entwickelt und leidet deshalb bis heute unter einer arbeitsteiligen Gliederung. Dies hat zur Folge, dass gegenwärtige Ressourcen nur mangelhaft ausgenutzt werden. Besonders bei den Schnittstellen zwischen den einzelnen Gewerken besteht enormes Potential, da die Abläufe und Übergänge zwischen den einzelnen Gewerken meist nicht richtig funktionieren. Hinzu kommen Lieferprobleme sowie zum Teil gegensätzliche Ziele der am Bau Beteiligten, welche die Arbeit erschweren und das Resultat beeinträchtigen. Dies hat zur Folge, dass die tatsächliche, produktive Arbeitsleistung im Verhältnis zur gesamten Arbeitszeit zu gering ausfällt. Seit Mitte der neunziger Jahre versuchen, vor allem amerikanische Bauingenieure und Ma-nagementfachleute, wissenschaftlich einzelne Gestaltungsprinzipien und Methoden der Lean Production (LP) aus der stationären Industrie auf das Bauwesen zu übertragen und bran-chenspezifisch weiterzuentwickeln. Dabei werden hauptsächlich Werkzeuge und Methoden des Toyota Produktionssystems (TPS) und der LP verwendet um eine Steigerung der Produktivität und Stabilisierung der Bauabläufe zu erreichen. Dieser Managementansatz zur Gestaltung der Baustellenproduktion wird als Lean Construction (LC) bezeichnet.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der vergleichenden Analyse unterschiedlicher Berechnungsansätze zum hydraulischen Grundbruch. Diese wurden zunächst analysiert, an Beispielberechnungen angewandt und schließlich miteinander verglichen. Weiterhin wurde der Einfluss verschiedener Randbedingungen, allem voran der Baugrubenbreite, auf die Sicherheit gegen einen hydraulischen Grundbruch untersucht. Es werden Empfehlungen zur Anwendbarkeit verschiedener Näherungsansätze bei Vorhandensein bestimmter Einflussfaktoren gegeben.
In dieser Diplomarbeit mit dem Thema „Modellierung von Fußgängerbrücken aus faserverstärktem Kunststoff“ wird ein Tragwerk aus glasfaserverstärktem Kunststoff für eine Fußgängerbrücke mit 10,0 m Stützweite entwickelt, untersucht und hinsichtlich der Dimensionierung und Konstruktion analysiert. Inhaltlich wird hierzu in den Vorbetrachtungen zum Thema auf vorhandene Beispiele für Brückentragwerke aus faserverstärkten Kunststoffen eingegangen. Es werden die im Rahmen der Diplomarbeit wichtigen Sachverhalte hinsichtlich des Materials der faserverstärkten Kunststoffe (FVK) und auch die erforderlichen Grundlagen für die Berechnungen gegeben. Nach der Vorstellung verschiedener Ideen für Tragwerksquerschnitte erfolgt als Schwerpunkt der Diplomarbeit die rechnergestützte Modellierung und Berechnung einer Vorzugsvariante sowie die Auswertung und Analyse der Berechnungsergebnisse. Abschließend wird das entwickelte Tragwerk bewertet und es werden weitere Entwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt.
Untersuchungen adaptiver Modellanpassungen für Probleme dynamischer Bauwerks-Bodeninteraktion
(2009)
Die Eigenschaften des Baugrunds können das dynamische Verhalten eines Bauwerks in erheblichem Maße beeinflussen. Um daraus resultierende Veränderungen der Tragwerksbeanspruchung ermitteln zu können, muss der Boden in den Berechnungsmodellen zur Bestimmung der Tragwerksbeanspruchung berücksichtigt werden. Die möglichen Modellierungsvarianten unterscheiden sich in ihrer Komplexität erheblich. Im Rahmen dieser Arbeit wird das dynamische Verhalten eines konkreten Bauwerks, der Millikan Library, an einem numerischen Modell untersucht. Während das Partialmodell Bauwerk während der Untersuchungen unverändert bleibt, werden für den Boden verschiedene Modellierungsvarianten verwendet. Allen Bodenmodellen gemein ist, dass sie auf einfachen, gekoppelten Feder-Dämpferelementen beruhen. Die mit den unterschiedlichen Modellierungsvarianten des Bodens erzielten Ergebnisse werden einander gegenüber gestellt und mit dem, im Rahmen anderer Arbeiten experimentell bestimmten, dynamischen Verhalten des untersuchten Bauwerks verglichen.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den bodenmechanischen Ursachen von Gründungsschäden sowie Techniken zu deren Sanierung. Kernaufgabe ist es, einen Auswahlprozess zu entwickeln, mit dem im konkreten Schadensfall das zweckmäßigste technische Verfahren zur Sanierung bestimmt werden kann. Hierzu werden zunächst mögliche Schadensursachen katalogisiert. Anschließend werden die gegenwärtig in Deutschland gebräuchlichsten Sanierungstechniken analysiert und einander gegenübergestellt. Zur Ermittlung der geeignetsten Sanierungstechnik in einem realen Projekt wird ein allgemeiner zweistufiger Entscheidungsalgorithmus vorgeschlagen. Dieser setzt sich aus einem Entscheidungsbaum mit anschließender Nutzwertanalyse zusammen. Ergebnis des Algorithmus’ ist ein Ranking, welches die infrage kommenden Techniken nach ihrem Nutzen für die Sanierung ordnet. Anhand zweier Praxisbeispiele - dem Schloss Schwerin und der St. Jacobi-Schlosskirche in Osterode am Harz - wird abschließend die Wirkungsweise des Algorithmus demonstriert. Ergebnis der Arbeit ist, dass die Formulierung eines allgemeinen entscheidungsbaumes, der jedwede Eventualität einer speziellen Bauaufgabe berücksichtigt, nahezu unmöglich ist. Der entwickelte Entscheidungsbaum ist mitunter noch zu ungenau um die Auswahl an Techniken ausreichend einzuschränken. Die darum als zweite Stufe etablierte Nutzwertanalyse erwies sich als effiziente und transparente Entscheidungshilfe. Bei ihr ist jedoch die Gefahr einer subjektiven Beeinflussung der Entscheidung durch den Planer gegeben. In einem konkreten Projekt könnte durch eine Verfeinerung des Baumes seine Selektion wesentlich verbessert werden, so dass am Ende nur eine einzige Technik als zweckmäßigste ausgewiesen wird. Eine Nutzwertanalyse könnte in diesem Fall als zweite Stufe entfallen.
Uniform Material Law (UML) is a handy and user-friendly method since only the tensile strength data of the material is needed for estimation of the strain-life curve, in contrast to other methods, such as four-point correlation method, universal slopes method, Mitchell's method, modified universal slopes method, which also require the data of the reduction in area or the fracture ductility of the material. On the other hand, the error level of UML estimations can be still decreased by refining the method. The objective of this thesis is putting forward a more refined method by extending conventional UML. Furthermore, a life prediction computation is carried out with the proposed extended UML and the results are compared to that of the conventional method. The results have proven that the maximum error is dropped down to 0.59% from 38% with the proposed extended UML method.
Die Simulation ist vor allem in der Forschung und Wissenschaft ein bekanntes Ver-fahren zur Untersuchung von dynamischen Prozessen. Fachgebiete wie u.a. die Medizin und Biologie, das Verkehrswesen, die Automobilindustrie, die Meteorologie und die Fertigungstechnik gewinnen neue Erkenntnisse aus dem Einsatz derartiger Analyseverfahren. Gründe für die Anwendung von Computersimulationen erstrecken sich von finanziellen und zeitlichen Aspekten über eine Risikoverringerung bis hin zu einer vereinfachten Vorgehensweise. Nicht in allen Bereichen aber werden die viel-seitigen Vorteile von Simulationsmethoden genutzt. In der Baubranche wird Simulation derzeit nur ansatzweise eingesetzt. Doch vor al-lem Baustellen bieten durch den zunehmenden Kosten- und Termindruck sowie viel-seitige andere Einflüsse eine gute Basis für die Anwendung von Simulationsmetho-den. Der Bauablauf kann dadurch besser kontrolliert und gesteuert werden. In der Planungsphase von Bauprojekten wird Simulation bereits in Grundzügen für die Op-timierung von Bauablauf- und Logistikprozessen genutzt. Allerdings ist besonders die Ausführungsphase durch Störungen und Änderungen geprägt, sodass hier Simu-lationsmethoden noch effektiver eingesetzt werden können. Im Rahmen dieser Arbeit sollen die Einsatzmöglichkeiten von Simulationsmethoden für die Optimierung des Termincontrollings untersucht werden. Durch das Aufzeigen verschiedener Methoden sowie einem Vergleich über ihre Vor- und Nachteile wird herausgefiltert, welches Simulationswerkzeug am effektivsten im Termincontrolling eingesetzt werden kann. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung eines Beispielprozesses anhand eines ausgewählten Simulationsverfahrens. Die Herstellung einer Brückenkappe wird in diesem Zusammenhang umfangreich dargestellt und analysiert. Eventuelle Zwangspunkte bei der Umsetzung und verschiedene Lösungsmöglichkeiten werden aufgezeigt.
The intention of this thesis is first, to determine material constants of ductile cast irons (EN-GJS-400-15,EN-GJS-500-7, EN-GJS-600-3) for estimating fatigue damage. These constants are obtained from experimental results. These results are stress versus strain tests, strain versus crack initiation life tests,and consequently, Smith, Watson and Topper damage parameter, PSWT can be calculated. Using data fitting, the constants can be estimated, thus Uniform Material Law for ductile cast irons is fulfilled. Endurance limit stress is obtained based on research report termed Synthetic Wöhler Lines(SWL).It is found out that the endurance limit stress is a function of yield limit stress. Endurance life cycle is set as three millions for the three materials. Secondly, fatigue life assessment is done for diesel engine pump part made of the three ductile cast irons. Finite element calculation is done to get elastic stress concentration factor, Kt, and plastic notch factor Kp. Neuber ´s rule is used to determine local stress at notch subjected to constant amplitude load test and variable amplitude loading. The constant amplitude loading is conducted at a stress ratio of R=0 on the pump part. The test results show that fatigue life assessment based on the material constants is accurate. On the basis of the accuracy of constant amplitude test results, it is possible to determine for fatigue life for variable amplitude loading which is the real loading on the pump part. The variable amplitude loading is normally standardized for computational efficiency. This standardized loading is termed as CORAL (COmmon RAil Loading) sequence. CORAL is used to calculate fatigue life of pump part and is inputted to a Fatigue Life Evaluation computer program. This program uses rain flow cycle counting method. It can be concluded that the material constants for ductile cast irons fit well which is proved by experimental tests by constant amplitude loading on pump part. Then life prediction can be done for the typical pump loading, standardized variable amplitude loading known as CORAL