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.
Bei komplexen Gründungskonstruktionen sind Planungsfehler durch eine konsistente Modellierung vermeidbar. Manuelle Berechnungsmethoden ermöglichen im allgemeinen ein dreidimensionales Vorgehen nicht. Numerische Berechnungsmethoden, wie z.B. die Finite-Element-Methode, sind ein optimales Werkzeug zur ganzheitlichen Simulation des Problems. Die für die Finite-Element-Analyse notwendige Diskretisierung komplexer Bau- grundstrukturen ist manuell nicht zu bewältigen. Der vorliegende Beitrag zeigt wie ein Finite-Element-Modell automatisch aus einem geotechnischen Modell unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen der Baugrund-Tragwerk-Struktur und des Bauablaufes erzeugt werden kann. Hierbei wird die Berücksichtigung der geometrischen und der mechanischen Besonderheiten bei der Netzgenerierung dargestellt.
For modeling of singular fields of stresses and deformations in elasters with a crack is offered to use of three-dimesional a special finite element. Weak compessible of elasters is taken into account on the basis of threefold approximation of fields of displacements, deformations and function of volume change. At intensive cyclic loading of the elastomer constructions with a crack it is necessary to take into account warming and large deformations at the crack top. The stress-deformed state elasters with a crack is determined from the decision of a nonlinear problem by a modified method Newton-Kantorovich. Account stress intensity factors for a rectangular plate with a various arrangement of a through crack is executed. Process of development of a surface crack and dissipative warming in prismatic a element of shift is investigated.
Thin elastic plates are the basic constructional elements and are very often subjected to dynamic effects especially in the machine-building structures. Their saving design of resonance conditions of operation is an extremely complicated task which cannot be solved analytically. In the present report an efficient and sufficiently general method for optimal design of thin plates is worked out on the basis of energy resonance method of Wilder, the method of the finite elements for dynamic research and the methods of parameter optimization. By means of these methods various limitations and requirements put by the designer to the plates can be taken into account. A programme module for numerical investigation of the weight variation of the plate depending on the taken variable of the designed thickness at different supporting conditions is developed. The reasons for the considerable quantity and quality difference between the obtained optimal designs are also analysed.
In the abstract proposed is the Instrumental System of mechanics problems analysis of the deformed solid body. It supplies the researcher with the possibility to describe the input data on the object under analyses and the problem scheme based upon the variational principles within one task. The particular feature of System is possibility to describe the information concerning the object of any geometrical shape and the computation sheme according to the program defined for purpose. The Methods allow to compute the tasks with indefinite functional and indefinite geometry of the object (or the set of objects). The System provides the possibility to compute the tasks with indefinite sheme based upon the Finite Element Method (FEM). The restrictions of the System usage are therefore determined by the restrictions of the FEM itself. It contrast to other known programms using FEM (ANSYS, LS-DYNA and etc) described system possesses more universality in defining input data and choosing computational scheme. Builtin is an original Subsytem of Numerical Result Analuses. It possesses the possibility to visualise all numerical results, build the epures of the unknown variables, etc. The Subsystem is approved while solving two- and three-dimensional problems of Elasticiti and Plasticity, under the conditions of Geometrical Unlinearity. Discused are Contact Problems of Statics and Dynamics.
Parallele Netzgenerierung
(1997)
Bei der Berechnung von statischen oder dynamischen Problemen mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente ist eine Diskretisierung des zu berechnenden Gebietes notwendig. Bei einer sinnvollen Modellierung des Gebietes ist die Elementgröße meist nicht konstant, sondern ist an kritischen Stellen kleiner. Die Vorgaben hierfür können einerseits aus Erfahrungen des Anwenders, andererseits aus einer Fehlerabschätzung einer vorangegangenen FE-Berechnung resultieren [5]. Soll die FE-Berechnung auf einem Parallelrechner geschehen, ist eine Partitionierung des Gebietes, d.h. eine Zuordnung der Elemente zu den Prozessoren, notwendig. Bei dem hier beschriebenen Ansatz werden nun im Gegensatz zu den üblichen Verfahren erst die Eingangsdaten für den Netzgenerator umgewandelt und dann das Elementnetz direkt auf dem Parallelrecher gleichzeitig auf allen Prozessoren erzeugt. Eine Aufteilung der Elemente auf die Prozessoren entsteht als Nebenprodukt der Netzaufteilung. Die entstehenden Teilgebietsgrenzen werden geometrisch minimiert. Die Lastbalance der Netzaufteilung sowie der FE-Rechnung wird durch ein annähernd gleiche Anzahl der Elemente je Partition gewährleistet. Als Eingabedaten wird eine Beschreibung des Gebietes durch Polygonzüge, sowie einer Netzdichtefunktion, z.B. durch Punkte mit Angaben über die angestrebte Elementgröße, benötigt.
In der vorliegenden Arbeit werden dickwandige Schalentragwerke unter statischen Belastungen betrachtet. Die Schale besteht aus verschiedenen Zonen und in jeder Zone wird die Schalenmittelflaeche mittels eines eigenen Geometriegleichungssystems definiert. Das Verzerrungsfeld hat allen 6 unabhaengigen Komponenten unter der Annahme, dass die Querschnittsfasern, die normal zu der Mittelflaeche der unbelasteten Schale sind, geradelinig bleiben. Ein dreidimensionales isoparametrisches finites Element wird vorgeschlagen. Die Berechnung wird mit der Hilfe der Makroelemententechnik durchgefuehrt. In der Arbeit werden die wesentliche Parameter der Schalengeometrie, sowie auch entsprechendes Anteil von Klassen des konstruktiven Modells, definiert. Ein konstruktives Informationsmodell und ein FEM-Informationsmodell, werden entwickelt. Die Informationsverbindungen zwischen den beiden Modellen werden definiert. Diese objektorientierten Modelle werden in Programmiersprache Microsoft Visual C++ v.4.0 unter Windows 95 implementiert. Als numerisches Beispiel wird ein Bogenmauertragwerk betrachtet.
The dynamic behaviour of shells, which are widely used in construction and mechanical engineering as critical components of machinery and 3-D structures, under static and dynamic loadings is described by system of deep nonlinear differential equations. Solution of these equations can be received with assistance of technique basing on a modern numerical algorithms and computer modeling.. The system of nonlinear differential equations of vibration of the shells is proposed taking into account the inertia forces in the tangential and normal directions. Its solution is based on combination of parameter prolongation method, finite-difference method and the Newton-Kantorovich iterative algorithm that allows plotting the loading trajectories and determination of bifurcation points on them. Package of Applied Programs >SEVSOR< is a computation means to be used in research of deformation, stability and vibration in thin axically-symmetric shells of complicated shape Input data include information on shell geometry, physical and mechanical properties, bearing conditions, types of loadings and load application. Frame output of motion forms in real time or either in decelerated or accelerated time scales for creating cartoons or video films is used for analysis of the compound dynamic processes in shell-type structures.
Wirklichkeitsnahe Erfassung und Beschreibung des Trag- und Verformungsverhaltens von Strukturen baulicher Anlagen hat in den letzten Jahrzehnten ständig an Bedeutung gewonnen. Konstruktionen im Hoch- und Industriebau werden zunehmend multifunktional genutzt - die >Grenzen< zwischen Bauwerk und Tragwerk, zwischen Hüll- und Tragkonstruktion lösen sich auf. Werden raumabschließende Elemente (Wände, Decken, Dächer) gleichzeitig als Tragelemente und wärme- und schalldämmende Konstruktionen ausgeführt, so entstehen beispielsweise Sandwichplatten, deren Schichten sehr stark differierende Materialeigenschaften aufweisen. Beim Aufbau des FEM-Modells für vielschichtige Schalen können die Formänderungshypothesen für jede Schicht einzeln als auch für die Schale insgesamt gegeben werden. Im ersten Fall ist der Knotenfreiheitsgrad von der Schichtenzahl abhängig, im zweiten Fall nicht. Im weiteren wird eine Formänderungshypothese für das Schichtenpaket angenommen. Ausgegangen wird von den Gleichungen der 3D-Elastizitätstheorie. Die Berücksichtigung der Querkraftschubverformungen ergibt die Möglichkeit einer adäquaten Beschreibung der Verformungen sowohl dünner Schalen als auch von Schalen mittlerer Dicke; die Berechnung der Krümmungen und der LAMEschen Parameter der Bezugsfläche zu umgehen, was für komplizierte Schalenformen eine selbständige Aufgabe ist; eines natürlichen Übergangs von homogenen zu geschichteten Schalen. Das vielschichtige isoparametrische Schalen-FE wird vorgestellt, seine Implementierung in das in Entwicklung befindliche Programmsystem SLANG wird vorbereitet.
For the analysis of arbitrary, by Finite Elements discretized shell structures, an efficient numerical simulation strategy with quadratic convergence including geometrically and physically nonlinear effects will be presented. In the beginning, a Finite-Rotation shell theory allowing constant shear deformations across the shell thickness is given in an isoparametric formulation. The assumed-strain concept enables the derivation of a locking-free finite element. The Layered Approach will be applied to ensure a sufficiently precise prediction of the propagation of plastic zones even throughout the shell thickness. The Riks-Wempner-Wessels global iteration scheme will be enhanced by a Line-Search procedure to ensure the tracing of nonlinear deformation paths with rather great load steps even in the post-peak range. The elastic-plastic material model includes isotropic hardening. A new Operator-Split return algorithm ensures considerably exact solution of the initial-value problem even for greater load steps. The combination with consistently linearized constitutive equations ensures quadratic convergence in a close neighbourhood to the exact solution. Finally, several examples will demonstrate accuracy and numerical efficiency of the developed algorithm.
To fulfil safety requirements the changes in the static and/or dynamic behaviour of the structure must be analysed with great care. These changes are often caused by local reduction of the stiffness of the structure caused by the irregularities in the structure, as for example cracks. In simple structures such analysis can be performed directly, by solving equations of motion, but for more complex structures a different approach, usually numerical, must be applied. The problem of crack implementation into the structure behaviour has been studied by many authors who have usually modelled the crack as a massless rotational spring of suitable stiffness placed at the beam at the location where the crack occurs. Recently, the numerical procedure for the computation of the stiffness matrix for a beam element with a single transverse crack has been replaced with the element stiffness matrix written in fully symbolic form. A detailed comparison of the results obtained by using 200 2D finite elements with those obtained with a single cracked beam element has confirmed the usefulness of such element.