56 Bauwesen
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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.
STIFTERS ROSENHAUS
(2007)
Es mag verwegen klingen, den Ursprung der modernen Architektur ausgerechnet in der österreichischen Provinz verankern zu wollen. Doch tatsächlich finden wir hier – mit Adalbert Stifters "Nachsommer" von 1857 – die wohl früheste Formulierung einer Urhütte der Moderne. Stifter (1805-1867), der Nationalheilige der österreichischen Literatur, beschreibt in seiner Erzählung auf das ausführlichste und umfänglichste das sogenannte Rosenhaus. Vor allem die Architekten der traditionellen Richtung waren immer wieder fasziniert von diesen Beschreibungen und ließen sich von Stifter auf die vielfältigsten Weisen anregen. Die Ausführungen des Hausherren des Rosenhofes über die Produkte seiner Werkstätten und die Schilderungen des einfachen Lebens in den Räumen des Rosenhauses fanden einen immensen Widerhall bei den Baumeistern der frühen Werkbundbewegung, ebenso wie bei den Architekten aus dem Umfeld der Stuttgarter Schule. So lassen sich nachsommerliche Impulse in Leben, Werk und Lehre der traditionellen Architekten Paul Schultze-Naumburg, Theodor Fischer und Paul Schmitthenner entdecken, aber auch bei Vertretern einer dezidierten Moderne wie Erich Mendelsohn, Bruno Taut oder Walter Gropius. So kann gezeigt werden, dass Schultze-Naumburgs privates Anwesen im sachsen-anhaltinischen Saaleck eine vollständige Realisierung des Rosenhauses und der damit verbundenen Lehrwerkstättenidee darstellt. Und am Beispiel von Paul Schmitthenner und Theodor Fischer kann auf eindrucksvolle Weise nachvollzogen werden, wie Stifters "Gesetzbuch des schönen Lebens" Werk, Lehre und Alltag eines Architekten bestimmen konnte. Für Friedrich Nietzsche, der den "Nachsommer" unter die wenigen Werke deutscher Literatur nach Goethe einordnete, die es verdienten, "wieder und wieder gelesen zu werden", stellte der "Roman der heilen Welt" die Vorwegnahme seines Diktums dar, dass das Dasein nur als ein Ästhetisches zu rechtfertigen sei. Das Rosenhaus, und dessen ethisches sowie ästhetisches Ideal, bildete die dazu entsprechende räumliche Form. Der "Nachsommer" ist, mit Roland Barthes gesprochen, eine Utopie – genauer: eine häusliche Utopie – "die gestaltende Suche nach dem höchsten Gut, was das Wohnen angeht." Dabei sind die selbstgewählten, ästhetischen Verhaltensweisen, die Stifter damals – am Beginn der Moderne – begründete, bis heute Merkmal der Formen des Bürgerlichen und sein Rosenhaus das Modell einer modernen, bürgerlich-traditionellen Architektur. Für beides, für die Ästhetik des Lebens wie auch für die entsprechende Architektur, diente Goethe oder besser die Beschreibung Goethes durch seinen Sekretär Eckermann als Vorbild.
Die Arbeit befasst sich mit der österreichischen Bogenstaumauer Kölnbrein, die während des Ersteinstaus geschädigt wurde. Diese Schäden, sowie mögliche Ursachen sind anhand von Literaturquellen dokumentiert. Nach Erstellung eines Rechenmodells wurden, durch ein Randelementeprogramm, Rissfortschrittsberechnungen durchgeführt und mit dem realen Bauwerk verglichen. Zum Einsatz kamen die Anwendungen „OSM“, „FRANC3D“ und „BES“ der Cornell-University.
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.
Renewable energy use is on the rise and these alternative resources of energy can help combat with the climate change. Around 80% of the world's electricity comes from coal and petroleum however, the renewables are the fastest growing source of energy in the world. Solar, wind, hydro, geothermal and biogas are the most common forms of renewable energy. Among them, wind energy is emerging as a reliable and large-scaled source of power production. The recent research and confidence in the performance has led to the construction of more and bigger wind turbines around the world. As wind turbines are getting bigger, a concern regarding their safety is also in discussion. Wind turbines are expensive machinery to construct and the enormous capital investment is one of the main reasons, why many countries are unable to adopt to the wind energy. Generally, a reliable wind turbine will result in better performance and assist in minimizing the cost of operation. If a wind turbine fails, it's a loss of investment and can be harmful for the surrounding habitat. This thesis aims towards estimating the reliability of an offshore wind turbine. A model of Jacket type offshore wind turbine is prepared by using finite element software package ABAQUS and is compared with the structural failure criteria of the wind turbine tower. UQLab, which is a general uncertainty quantification framework developed at ETH Zürich, is used for the reliability analysis. Several probabilistic methods are included in the framework of UQLab, which include Monte Carlo, First Order Reliability Analysis and Adaptive Kriging Monte Carlo simulation. This reliability study is performed only for the structural failure of the wind turbine but it can be extended to many other forms of failures e.g. reliability for power production, or reliability for different component failures etc. It's a useful tool that can be utilized to estimate the reliability of future wind turbines, that could result in more safer and better performance of wind turbines.
Baulogistische Vorgänge sind in einer modern angelegten Baustelle der Schlüssel zu einer wirtschaftlichen Abwicklung. Dieses gilt nicht nur für den Rohbau, bei dem die sehr enge Verzahnung zwischen den Fertigungs- und Logistikprozessen auf der Baustelle zu beobachten ist, sondern noch mehr für die Ausbauphase, bei der vermeintlich unabhängig voneinander agierende Einzelunternehmen des Ausbaus auf engem Raum miteinander um die jeweils besten Liefer- und Montagebedingungen konkurrieren.
Ausgehend von einer aktuellen Großbaustelle in Jena werden verschiedene Varianten einer leistungsfähigen Baulogistik entwickelt und deren Implementierung auf der Baustelle vorbereitet werden.
In conjunction with the improved methods of monitoring damage and degradation processes, the interest in reliability assessment of reinforced concrete bridges is increasing in recent years. Automated imagebased inspections of the structural surface provide valuable data to extract quantitative information about deteriorations, such as crack patterns. However, the knowledge gain results from processing this information in a structural context, i.e. relating the damage artifacts to building components. This way, transformation to structural analysis is enabled. This approach sets two further requirements: availability of structural bridge information and a standardized storage for interoperability with subsequent analysis tools. Since the involved large datasets are only efficiently processed in an automated manner, the implementation of the complete workflow from damage and building data to structural analysis is targeted in this work. First, domain concepts are derived from the back-end tasks: structural analysis, damage modeling, and life-cycle assessment. The common interoperability format, the Industry Foundation Class (IFC), and processes in these domains are further assessed. The need for usercontrolled interpretation steps is identified and the developed prototype thus allows interaction at subsequent model stages. The latter has the advantage that interpretation steps can be individually separated into either a structural analysis or a damage information model or a combination of both. This approach to damage information processing from the perspective of structural analysis is then validated in different case studies.
The main purpose of the thesis is to ensure the safe demolition of old guyed antenna masts that are located in different parts of Germany. The major problem in demolition of this masts is the falling down of the masts in unexpected direction because of buckling problem. The objective of this thesis is development of a numerical models using finite element method (FEM) and assuring a controlled collapse by coming up with different time setups for the detonation of explosives which are responsible for cutting down the cables. The result of this thesis will avoid unexpected outcomes during the demolition processes and prevent risk of collapsing of the mast over near by structures.
Identifying cable force with vibration-based methods has become widely used in engineering practice due to simplicity of application. The string taut theory provides a simple definition of the relationship between natural frequencies and the tension force of a cable. However, this theory assumes a perfectly flexible non-sagging cable pinned at its ends. These assumptions do not reflect all cases, especially when the cable is short, under low tension forces or the supports are partially flexible. Extradosed bridges, which are distinguished from cable-stayed bridges by their low pylon height, have shorter cables. Therefore the application of the conventional string taut theory to identify cable forces on extradosed bridge cables might be inadequate to identify cable forces.
In this work, numerical modelling of an extradosed bridge cable saddled on a circular deviator at pylon is conducted. The model is validated with the catenary analytical solution and its static and dynamic behaviours are studied. The effect of a saddle support is found to positively affect the cable stiffness by geometric means; longer saddle radius increases the cable stiffness by suppressing the deformations near the saddle. Further, accounting the effects of bending stiffness in the numerical model by using beam elements show considerable deviation from models with truss elements (i.e. zero bending stiffness). This deviation is manifested when comparing the static and dynamic properties. This motivates a more thorough study of bending stiffness effects on short cables.
Bending stiffness effects are studied using two rods connected with several springs along their length. Under bending moments, the springs resist the rods' relative axial displacement by the springs' transverse component. This concept is used to identify bending stiffness values by utilizing the parallel axis theorem to quantify ratios of the second moment of area. These ratios are calculated based on the setup of the springs (e.g. number of springs per unit length, transverse stiffness, etc...). The numerical model based on this concept agrees well with the theoretical values computed using upper and lower bounds of the parallel axis theorem.
The proposed concept of quantifying ratios of the second moment of area using springs as connection between cable rods is applied on an actual extradosed bridge geometry. The model is examined by comparison to the previously validated global numerical model. The two models showed good correlation under various changing parameters. This allowed further study of the effects of stick/slip behaviour between cable rods on an actual bridge geometry.
Die Diskussionen in der Politik und in der Gesellschaft über Klimawandel, globale Erwärmung oder Nachhaltigkeit, die schon noch länger anhält, werden nie ein Ende finden, solange die Probleme, auf denen sie basiert, unlösbar bleiben. Vorgeschlagene Lösungen werden meist nicht richtig umgesetzt. Im Zusammenhang mit dieser Problematik steigt aber das Verantwortungsgefühl für bessere Zukunftsstrategien immer mehr. Die in den letzten Jahren vorgekommenen Umweltkatastrophen, wie im Golf von Mexiko (April 2010) oder im Fukushima (März 2011) die noch aktuell sind, zeigen, dass der Primärenergieeinsatz oder die Transportproblematik nicht mehr nur die Sorge der Entwicklungsländer, sondern auch der Industrieländer ist. Die Bauwelt mit ihrem erheblichen Energiebedarf spielt bei der Festlegung der Zukunftsstrategien eine große Rolle.
Vor allem sind die Forschungen nach umweltfreundlichen Materialien, der Recyclebarkeit der eingesetzten Baumaterialien oder dem vernünftigen Nutzen der Naturressourcen die wichtigsten Schwerpunkte. In dieser Hinsicht bringt Lehm als Baumaterial viele Vorteile mit sich. Bei einem Artikel sagt der Lehmbauexperte Martin Rauch: “In heutiger Zeit und einem Kulturkreis, in dem Baugrund und Arbeitszeit unsere großen Kosten verursachen, findet der tradierte Lehmbau mit dem verbundenen großen Aufwand an menschlicher Arbeitszeit nur schwer seinen Platz. Über die Art der Bauweise wird auch die Entscheidung gefällt, wie und wo die Wertschöpfung erfolgt und ob der Einsatz des Budgets einen gesellschaftlichen Nutzen mit sich bringt. Im Vergleich zu einem Sichtbetonhaus können bei einem Stampflehmhaus 40% der Primärenergie ein gespart und dafür mehr lokale Arbeitsressourcen gebunden werden. Davon profitieren vor allem die lokalen Handwerker und mittelständischen Betriebe” Anatolien ist der Ort, wo man immer noch die tiefsten Wurzeln der Baukultur menschlicher Geschichte findet. Diese Baukultur, die in den vergangenen Jahrzehnten fast verlorengegangen ist, ist die Lehmbaukultur. In dieser Hinsicht beabsichtigt dieser Entwurf die Würde des Lehms in Anatolien wieder herzustellen und dadurch dessen Glaubwürdigkeit zurückzubringen.