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In den zurückliegenden Jahren wurden an der Professur Massivbau I umfangreiche Untersuchungen zur Modellbildung und rechnerischen Erfassung des Tragverhaltens von Tragwerken und Tragwerkselementen aus Stahlbeton und Spannbeton unter Berücksichtigung von Rißbildungen und Plastizierungen durchgeführt. Diesen Untersuchungen liegt als einheitliches methodisches Konzept der mathematischen Problembeschreibung und Problemlösung die mathematische Optimierung zugrunde. Bereits anläßlich des IKM 1994 [1] hatte der Verfasser Gelegenheit, zusammenfassend über Ergebnisse bei der Anwendung der mathematischen Optimierung im Bereich der nichtlinearen Tragwerksanalyse zu berichten. Der vorliegende Beitrag, soll einen Überblick über seitdem untersuchte Problemkreise und dabei gewonnene Ergebnisse und Erfahrungen vermitteln. Bei der Anwendung der linearen und quadratischen Optimierung sind wegen der geforderten Linearität der Nebenbedingungen Vereinfachungen bei der Modellbildung des stahlbetonspezifischen Tragverhaltens unumgänglich. Besonders betroffen sind die Ansätze zur Beschreibungen des Materialverhaltens. Durch den Einsatz allgemeiner nichtlinearer mathematischer Optimierungsmethoden lässt sich eine methodisch bedingte Linearisierung des Berechnungsmodells umgehen....
Im Stahlbeton- und Spannbetonbau kommen in zunehmendem Maße Verbundkonstruktionen aus Betonfertigteilen und Ortbetonergänzungen zum Einsatz. Die Fertigteile werden je nach Spannweite, Belastung und speziellen Anforderungen mit schlaffer oder vorgespannter Be-wehrung ausgeführt. Aufgrund der im Allgemeinen unterschiedlichen Betone der einzelnen Querschnittsanteile sowie bedingt durch den zeitlichen Versatz in der Herstellung der Fertig-teile und der Ortbetonergänzungen ergeben sich Unterschiede im Langzeitverhalten, die bei der Bemessung und Nachweisführung zu berücksichtigen sind. Das Kriechen und Schwinden der Betone als Folge des zeitabhängigen Materialverhaltens und die Spezifik des Verbund-querschnitts können für die Gebrauchstauglichkeit relevant sein, insbesondere wenn die Fer-tigteile vorgespannt sind. Eine hinreichend wirklichkeitsnahe Beschreibung des Langzeitverhaltens von Beton gestattet die Theorie des elastisch-kriechenden Körpers, wobei sich im Allgemeinen keine geschlosse-ne Lösung für bewehrte Betonverbundquerschnitte angeben lässt. Eine Alternative hierzu ergibt sich, wenn für die einzelnen Kriechintervalle ein vereinfachter Ansatz für den Verlauf der Kriechfunktion entsprechend der Theorie des Alterns getroffen wird. Dabei werden die im Zeitintervall (tj-1,tj) umgelagerten Schnittgrößen als neue Belastung der einzelnen Querschnittsanteile im Zeitintervall (tj,tj+1) mit der Kriech-funktion f(tj+1,tj) berücksichtigt. Bei hinreichend kleinen Zeitschritten können die Nachteile der getroffenen Vereinfachung vernachlässigt werden.
The paper gives a general overview and concerns with a specified set of computer-aided analysis modules for hybrid structures loaded by extreme excitations. All problems are solved by methods of linear, quadratic or nonlinear mathematical optimization, that leads to very effective and economic design solutions. All approaches are derived from general optimization problem that can be easily altered to conform to specific design tasks. Some advantages and possibilities of hybrid structural modeling (single or mixed model-supported) are discussed. The methods will be illustrated by an example structure and optimization schemes.
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.
An energy method based on the LAGRANGE Principle of the minimum of total potential en-ergy is presented to calculate the stresses and strains of composite cross-sections. The stress-strain relation of each partition of the cross-section can be an arbitrary piecewise continuous function. The strain energy is transformed into a line integral by GAUSS’s integral theorem. The total strain of each partition of the cross-section is split into load-dependent strain and pre-strain. Pre-strains have to be taken into account when the cross-section is pre-stressed, retrofit-ted or influenced by shrinkage, temperature etc. The unconstrained minimum problem can be solved for each load combination using standard software. The application of the method presented in the paper is demonstrated by means of examples.
In the paper presented, reinforced concrete shells of revolution are analyzed in both meridional and circumferential directions. Taking into account the physical non-linearity of the material, the internal forces and the deflections of the shell as well as the strain distribution at the cross-sections are calculated. The behavior of concrete under compression is described by linear and non-linear stress-strain relations. The description of the behavior of concrete under tension must account for tension stiffening effects. A tri-linear function is used to formulate the material law of reinforcement. The problem cannot be solved analytically due to the physical non-linearity. Thus a numerical solution is formulated by means of the LAGRANGE Principle of the minimum of the total potential energy. The kinematically admissible field of deformation is defined by the displacements u in the meridional and w in the radial direction. These displacements must satisfy the equations of compatibility and the kinematical boundary conditions of the shell. The strains are linearly distributed across the wall thickness. The strain energy depends on the specific of the material behavior. Using integral formulations of the material law [1], the strain energy of each part of the cross-section is defined as a function of the strains at the boundaries of the cross-sections. The shell is discretised in the meridional direction. Various methods of numerical differentiation and numerical integration are applied in order to determine the deformations and the strain energy. The unknown displacements u and w are calculated by a non-restricted extremum problem based on the minimum of the total potential energy. From mathematical point of view, the objective function is a convex function, thus the minimum can be determined without difficulty. The advantage of this formulation is that unlike non-linear methods with path-following algorithms the calculation does not have to account for changing stiffness and load increments. All iterations necessary to find the solution are integrated into the “Solver”. The model presented provides many ways of investigating the influence of various material parameters on the stresses and deformations of the entire shell structure.