56.03 Methoden im Bauingenieurwesen
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The nonlinear behavior of concrete can be attributed to the propagation of microcracks within the heterogeneous internal material structure. In this thesis, a mesoscale model is developed which allows for the explicit simulation of these microcracks. Consequently, the actual physical phenomena causing the complex nonlinear macroscopic behavior of concrete can be represented using rather simple material formulations. On the mesoscale, the numerical model explicitly resolves the components of the internal material structure. For concrete, a three-phase model consisting of aggregates, mortar matrix and interfacial transition zone is proposed. Based on prescribed grading curves, an efficient algorithm for the generation of three-dimensional aggregate distributions using ellipsoids is presented. In the numerical model, tensile failure of the mortar matrix is described using a continuum damage approach. In order to reduce spurious mesh sensitivities, introduced by the softening behavior of the matrix material, nonlocal integral-type material formulations are applied. The propagation of cracks at the interface between aggregates and mortar matrix is represented in a discrete way using a cohesive crack approach. The iterative solution procedure is stabilized using a new path following constraint within the framework of load-displacement-constraint methods which allows for an efficient representation of snap-back phenomena. In several examples, the influence of the randomly generated heterogeneous material structure on the stochastic scatter of the results is analyzed. Furthermore, the ability of mesoscale models to represent size effects is investigated. Mesoscale simulations require the discretization of the internal material structure. Compared to simulations on the macroscale, the numerical effort and the memory demand increases dramatically. Due to the complexity of the numerical model, mesoscale simulations are, in general, limited to small specimens. In this thesis, an adaptive heterogeneous multiscale approach is presented which allows for the incorporation of mesoscale models within nonlinear simulations of concrete structures. In heterogeneous multiscale models, only critical regions, i.e. regions in which damage develops, are resolved on the mesoscale, whereas undamaged or sparsely damage regions are modeled on the macroscale. A crucial point in simulations with heterogeneous multiscale models is the coupling of sub-domains discretized on different length scales. The sub-domains differ not only in the size of the finite elements but also in the constitutive description. In this thesis, different methods for the coupling of non-matching discretizations - constraint equations, the mortar method and the arlequin method - are investigated and the application to heterogeneous multiscale models is presented. Another important point is the detection of critical regions. An adaptive solution procedure allowing the transfer of macroscale sub-domains to the mesoscale is proposed. In this context, several indicators which trigger the model adaptation are introduced. Finally, the application of the proposed adaptive heterogeneous multiscale approach in nonlinear simulations of concrete structures is presented.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der dynamischen Analyse der Sprottetalbrücke infolge aufgetretener Asphaltschäden. Sie beinhaltet die Erstellung eines FE-Modells, der Darstellung der theoretischen Grundlagen der Dynamik sowie die Auswertung von berechneten Eigenformen und Asphaltspannungen unter Berücksichtigung der derzeit gültigen Normen.
In der täglichen Ingenieurpraxis werden in zunehmenden Maße numerische Analysen im Rahmen der Finite-Elemente-Methode auch zur Untersuchung stabilitätsgefährdeter Strukturen eingesetzt. Für die aktuelle Praxis, insbesondere im konstruktiven Stahlbau, ist jedoch festzustellen, dass zwischen der fortgeschrittenen Theorie und dem Niveau der praktischen Anwendung numerischer Stabilitätsanalysen eine große Kluft besteht. Aus praktischer Sicht erscheint es unumgänglich, die weiter wachsende Diskrepanz zwischen den umfangreichen theoretischen Möglichkeiten und der gegenwärtigen Praxis abzubauen. Damit steht der praktisch tätige Ingenieur vor der Aufgabe, sein Wissen auf dem Gebiet numerischer Stabilitätsanalysen zu vertiefen und bereits vorhandene FE-Programme um Berechnungsalgorithmen für umfassende numerische Stabilitätsanalysen zu erweitern. Dafür werden in der Arbeit die Grundlagen einer FEM- orientierten modernen Stabilitätstheorie einheitlich und aus Sicht einer praktischen Anwendung aufbereitet. Die Darstellung von realisierten programmtechnischen Umsetzungen für erweiterte Analysenmethoden wie Nachbeulanalysen, Pfadwechsel und Approximationen imperfekter Pfade ermöglicht eine Erweiterung des Methodenvorrates. Die innerhalb der Arbeit untersuchten Beispiele zeigen, dass durch die Anwendung der behandelten Verfahren das Tragverhalten einer stabilitätsgefährdeten Struktur wesentlich besser eingeschätzt werden kann als bei Beschränkung auf die herkömmlichen Analysemethoden.
Für den Entwurf von Ingenieurbauten ist eine zuverlässige Prognose über den Spannungsverlauf im Bauwerk und auf dessen Rand von großer Bedeutung. Eine geschlossene Lösung der elastischen Bestimmungsgleichungen des Bauwerks ist in der Regel nicht verfügbar. Es wird daher unter Verwendung der Methode der gewichteten Reste eine schwache Form der Gleichungen abgeleitet, die zu einem gemischten Arbeitsprinzip führt. Das zugehörige Finite-Elemente-Modell erlaubt es Spannungen am Rand des Bauwerks zu ermitteln, die im Gleichgewicht zu den angreifenden Lasten stehen.
Im vorliegenden Beitrag wird ein in das FE-Programmsystem ANSYS implementiertes elastoplastisches Berechnungsmodell zur nichtlinearen, räumlichen Untersuchung von Mauerwerkstrukturen vorgestellt. Die Modellierung des heterogenen Baustoffs Mauerwerk erfolgt mit Hilfe eines verschmierten Ersatzkontinuums. Das anisotrope Materialverhalten wird sowohl hinsichtlich der Spannungs-Dehnungsbeziehung als auch bei der Beschreibung der Festigkeit berücksichtigt. Durch die Verwendung einer zusammengesetzten Fließbedingung ist es möglich, das Versagen der einzelnen Mauerwerkkomponenten Stein und Mörtelfugen und des Verbundes zu berücksichtigen. Dadurch ist die Anwendbarkeit des Modells für mehrere Mauerwerksarten gegeben. Die hierfür verwendeten Materialparameter sind aus einfachen Kleinkörperversuchen bestimmbar oder innerhalb gewisser Grenzen aus empirischen Formeln berechenbar. Die notwendige Beschränkung der Anzahl der Materialparameter sichert die praktische Anwendbarkeit des entwickelten Berechnungsmodells. Die numerische Umsetzung des hier verwendeten impliziten Berechnungsverfahrens lässt sich in eine lokale und eine globale Iterationsebene gliedern. Die lokale Iteration am Integrationspunkt dient der Spannungsrückführung. Dabei sind die Besonderheiten der Verarbeitung mehrflächiger Fließfiguren zu beachten. Die globale Iteration auf Systemebene sichert die Umlagerung des Residuums. Mit der Nachrechnung von Versuchsergebnissen soll das entwickelte Modell verifiziert und seine physikalische Leistungsfähigkeit eingeschätzt werden.
Numerische Approximation makroskopischer Verkehrsmodelle mit der Methode der Finiten Elemente
(2000)
Makroskopische Verkehrsmodelle sind ein wesentliches Hilfsmittel bei der Beurteilung und Steuerung von Verkehrsflüssen auf Hauptverkehrsadern. Für die notwendige Beeinflussung des Verkehrsablaufs werden Online-Messungen und prognostische numerische Simulationen benötigt. Für die Simulationen bieten sich makroskopische Verkehrsmodelle an, die den Verkehr als kontinuierliche Fahrzeugströmeabbilden. Aufgrund der Analogie zu den Modellen der Strömungsmechanik lassen sich die numerischen Verfahren aus diesem Bereich auch zur Lösung makroskopischer Verkehrsmodelle verwenden. Es wird eine Finite-Elemente-Approximation für die numerische Umsetzung makroskopischer Verkehrsmodelle vorgestellt. Exemplarisch wird sie am Verkehrsmodell von Kerner und Konhäuser erläutert. Dieses und andere makroskopische Verkehrsmodelle wurden bisher mit der Methode der Finiten Differenzen gelöst. Die vorgestellte Approximation entspricht einem Petrov-Galerkin-Verfahren, bei dem der Fehler eines Standard-Galerkin-Verfahrens mit Hilfe eines Upwinding-Koeffizienten minimiert wird. Die Wahl des Upwinding-Koeffizienten ist übertragbar und basiert ausschließlich auf dem Charakter der zugrundeliegenden Gleichungen. Die Ergebnisse zeigen typische Phänomene eines Verkehrsablaufs wie die Entstehung von Stop-and-Go-Wellen oder Staus. Die Finite-Elemente-Methode erweist sich für unter-schiedlichste Verkehrsmodelle als ausgesprochen stabil.
There was suggested a phenomenological modified quadratic condition of the beginning of plasticity for plastic and quasifragile orthotropic materials. Limiting surface in the shape of a paraboloid with an axis bend over hydrostatic axis corresponds to the condition. The equations of theory of current with the isotropic and anisotropic hardenings, associated with the suggested yield condition, modified into the version of determining equations of strain theory of plasticity are received. These defining equations formed the basis of highlyprecise non-classic continual (along thickness) theory of non-linear deformation of thick sandwich plates and sloping shells. In the approximations along the cross coordinate the specificity of flexural and non-flexural deformations is taken into account. The necessity of introducing the approximations of higher order, as well as accounting for the cross compression while decreasing of the relatively cross normal and shear layer rigidness is shown. The specifications, obtained in comparison with the known physically nonlinear specified model of the bending of plates with orthotropic layers are distinguished. An effective procedure of linearization of the solving equations and getting the solutions in frames of the discrete-continual scheme of the finite-element method is suggested. The approximations of higher order let to model the appearance of the cracs of layers being split by the introducing of slightly hard thin layers into the finite element, not violating the idea of continuality of theory. Calculation of a threelayer plate with rigid face diaphragms on the contour is considered
Dynamic testing for damage assessment as non-destructive method has attracted growing in-terest for systematic inspections and maintenance of civil engineering structures. In this con-text the paper presents the Stochastic Finite Element (SFE) Modeling of the static and dy-namic results of own four point bending experiments with R/C beams. The beams are dam-aged by an increasing load. Between the load levels the dynamic properties are determined. Calculated stiffness loss factors for the displacements and the natural frequencies show differ-ent histories. A FE Model for the beams is developed with a discrete crack formulation. Cor-related random fields are used for structural parameters stiffness and tension strength. The idea is to simulate different crack evolutions. The beams have the same design parameters, but because of the stochastic material properties their undamaged state isn't yet the same. As the structure is loaded a stochastic first crack occurs on the weakest place of the structure. The further crack evolution is also stochastic. These is a great advantage compared with de-terministic formulations. To reduce the computational effort of the Monte Carlo simulation of this nonlinear problem the Latin-Hypercube sampling technique is applied. From the results functions of mean value and standard deviation of displacements and frequencies are calcu-lated. Compared with the experimental results some qualitative phenomena are good de-scribed by the model. Differences occurs especially in the dynamic behavior of the higher load levels. Aim of the investigations is to assess the possibilities of dynamic testing under consideration of effects from stochastic material properties
Die Eisenbahnbrücken des Lehrter Bahnhofs in Berlin - Ein ganzheitliches FE-Berechnungskonzept
(2000)
Der Komplexität moderner Brückenbauwerke scheinen die verwendeten Berechungsmodelle oft nicht angemessen. Tragwerksberechnungen basieren in vielen Fällen noch auf der Vorgehensweise, das Brückenbauwerk in Einzelbauteile zu zerlegen und mit unterschiedlichen Teilmodellen zu behandeln. Das erscheint, auch vor dem Hintergrund ständig wachsender Rechnerleistung, nicht mehr zeitgemäß. Dies gilt zum Beispiel auch für die gängige Praxis, flächenhafte Brückenüberbauten mit Balkenmodellen zu berechnen. Der vorliegende Beitrag stellt ein ganzheitliches Berech-nungskonzept vor, welches auf der Basis eines einzigen FE-Modells die Berechnung des Gesamtbauwerks erlaubt. Damit wird für alle Bauteile neben der Zustandsgrößenberechnung auch die Bemessung von Stahl- und Spannbetonbauteilen bis hin zu Nachweisen wie zur Beschränkung der Rissbreite geführt. Die Anwendung dieses Berechnungskonzeptes wird am Beispiel der Eisenbahnüberführung des neuen Lehrter Bahn-hofs in Berlin gezeigt. Das verwendete FE-Modell umfasst Baugrund, Fundamente, Stahl- bzw. Gußstahlunterkonstruktion sowie den Stahl- bzw. Spannbetonüberbau. Besonderheiten sind unter anderem die Modellierung des plattenbalkenartigen Überbaus durch exzentrische, vorspannbare Schalenelemente und das getrennte Vorhalten von tragwerks- und lastbezogenen Eingabefiles. Damit gelingt die sequentielle Erfassung unterschiedlicher Bettungsmoduli zur Simulation statischer und dynamischer Beanspruchungen, die Berücksichtigung des Anspannens und der Interaktion zwischen vorgespannten Stahlverbänden zur Aufnahme von Horizontallasten sowie die Berücksichtigung unterschiedlicher statischer Systeme bei der Herstellung des Spannbetonüberbaus.
The steel structure design codes require to check up the member strength when evaluating plastic deformations. The model of perfectly plastic material is accepted. The strength criteria for simple cross-sections (I section, etc.) of steel members are given in design codes. The analytical strength criteria for steel cross-sections and numerical approaches based on stepwise procedure are investigated in many articles. Another way for checking the carrying capacity of cross-sections is the use of methods that are applied for defining strain-deformed state of elastic perfectly plastic systems. In this paper non-iterative methods are suggested for checking strength of cross-sections. Carrying capacity of cross section is verified according to extremum principle of plastic fail under monotonically loading and the strain-deformed state of cross-section is defined according to extremum energy principals of elastic potential of residual stresses and complementary work of residual displacements. The mathematical expressions of these principals for discrete cross-section are formulated as problems of convex mathematical programming. The cross-section of steel member using finite element method is divided into free form plane elements. The constant distribution of stresses along the finite element is accepted. The relationships of finite elements for static formulation of the problem are formed so, that kinematics formulation relationships could be obtained in a formal way using the theory of duality. Numerical examples of determination of cross-section strength, composition of interactive curves and composition of moment-curvature curves for different axial force levels are presented.