56.03 Methoden im Bauingenieurwesen
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Der vorliegende Text beschreibt die intensive Erforschung von Wabenplatten aus Papierwerkstoffen, die durch Faltprozesse neue räumliche Zustände einnehmen können und somit ihr ursprüngliches Anwendungsspektrum erweitern. Die gezeigten Lösungsansätze bewegen sich dabei im Spannungsfeld von Architektur und Ingenieurbau, denn die gefalteten Bauteile sind nicht nur äußerst tragfähig sondern besitzen auch eine ästhetische Form. Die entwickelten Verfahren und Konstruktionen werden auf einem hohen architektonischen Niveau präsentiert und mit einfachen ingenieurtechnischen Methoden verifiziert. Zur Lösungsfindung werden geometrische Verfahren ebenso angewendet wie konstruktive Faustformeln und Recherchen aus Architektur und Forschung.
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Untersuchung von Faltungen in Wabenplatten. Während der Auseinandersetzung mit der Thematik erschienen jedoch viele weitere Aspekte als sehr interessant und bearbeitungswürdig. Als theoretische Grundlage dieser Arbeit werden deshalb die geschichtliche Entwicklung und die gesellschaftliche Bedeutung von Papier und Papierwerkstoffen analysiert und deren Produktionsprozesse beleuchtet. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine Einordnung des Potentials und der Bedeutung des Werkstoffs Papier. Der Kontext der Arbeit wird dadurch gestärkt und führt zu interessanten zukünftigen Forschungsansätzen.
Intensive Untersuchungen widmen sich der geometrischen Bestimmung von Faltungen in Wabenplatten aus Papierwerkstoffen sowie deren Manifestation als konstruktive Bauteile. Auch die statischen Eigenschaften der Elemente und ihr Konstruktionspotential werden erforscht und aufbereitet. Wichtige Impulse aus Forschung und Technik fließen in die Recherche der Arbeit ein und erlauben die Verortung der Ergebnisse im architektonischen Kontext. Versuchsreihen und Materialstudien an Prototypen belegen die Ergebnisse virtueller und rechnerischer Studien. Konzepte zur parametrischen Berechnung und Visualisierung der Forschungsergebnisse werden präsentiert und zeigen zukunftsfähige Planungshilfen für die Industrie auf. Etliche Testreihen zu unterschiedlichsten Abdichtungskonzepten führen zur Realisierung eines sehenswerten Experimentalbaus. Er erlaubt die dauerhafte Untersuchung der entwickelten Bauteile unter realistischen Bedingungen und bestätigt deren Leistungsfähigkeit. Dadurch wird nicht nur ein dauerhaftes Monitoring und eine Evaluierung der Leistungsdaten möglich sondern es wird auch der sichtbare Beweis erbracht, dass mit Papierwerkstoffen effiziente und hochwertige Architekturen zu realisieren sind, welche das enorme gestalterische Potential von gefalteten Wabenplatten ausnutzen.
Building Information Modeling is a powerful tool for the design and for a consistent set of data in a virtual storage. For the application in the phases of realization and on site it needs further development. The paper describes main challenges and main features, which will help the development of software to better service the needs of construction site managers
The node moving and multistage node enrichment adaptive refinement procedures are extended in mixed discrete least squares meshless (MDLSM) method for efficient analysis of elasticity problems. In the formulation of MDLSM method, mixed formulation is accepted to avoid second-order differentiation of shape functions and to obtain displacements and stresses simultaneously. In the refinement procedures, a robust error estimator based on the value of the least square residuals functional of the governing differential equations and its boundaries at nodal points is used which is inherently available from the MDLSM formulation and can efficiently identify the zones with higher numerical errors. The results are compared with the refinement procedures in the irreducible formulation of discrete least squares meshless (DLSM) method and show the accuracy and efficiency of the proposed procedures. Also, the comparison of the error norms and convergence rate show the fidelity of the proposed adaptive refinement procedures in the MDLSM method.
Different types of data provide different type of information. The present research analyzes the error on prediction obtained under different data type availability for calibration. The contribution of different measurement types to model calibration and prognosis are evaluated. A coupled 2D hydro-mechanical model of a water retaining dam is taken as an example. Here, the mean effective stress in the porous skeleton is reduced due to an increase in pore water pressure under drawdown conditions. Relevant model parameters are identified by scaled sensitivities. Then, Particle Swarm Optimization is applied to determine the optimal parameter values and finally, the error in prognosis is determined. We compare the predictions of the optimized models with results from a forward run of the reference model to obtain the actual prediction errors. The analyses presented here were performed calibrating the hydro-mechanical model to 31 data sets of 100 observations of varying data types. The prognosis results improve when using diversified information for calibration. However, when using several types of information, the number of observations has to be increased to be able to cover a representative part of the model domain. For an analysis with constant number of observations, a compromise between data type availability and domain coverage proves to be the best solution. Which type of calibration information contributes to the best prognoses could not be determined in advance. The error in model prognosis does not depend on the error in calibration, but on the parameter error, which unfortunately cannot be determined in inverse problems since we do not know its real value. The best prognoses were obtained independent of calibration fit. However, excellent calibration fits led to an increase in prognosis error variation. In the case of excellent fits; parameters' values came near the limits of reasonable physical values more often. To improve the prognoses reliability, the expected value of the parameters should be considered as prior information on the optimization algorithm.
The fire resistance of concrete members is controlled by the temperature distribution of the considered cross section. The thermal analysis can be performed with the advanced temperature dependent physical properties provided by 5EN6 1992-1-2. But the recalculation of laboratory tests on columns from 5TU6 Braunschweig shows, that there are deviations between the calculated and measured temperatures. Therefore it can be assumed, that the mathematical formulation of these thermal properties could be improved. A sensitivity analysis is performed to identify the governing parameters of the temperature calculation and a nonlinear optimization method is used to enhance the formulation of the thermal properties. The proposed simplified properties are partly validated by the recalculation of measured temperatures of concrete columns. These first results show, that the scatter of the differences from the calculated to the measured temperatures can be reduced by the proposed simple model for the thermal analysis of concrete.
The aim of this paper is to present so-called discrete-continual boundary element method (DCBEM) of structural analysis. Its field of application comprises buildings constructions, structures and also parts and components for the residential, commercial and un-inhabitant structures with invariability of physical and geometrical parameters in some dimensions. We should mention here in particular such objects as beams, thin-walled bars, strip foundations, plates, shells, deep beams, high-rise buildings, extensional buildings, pipelines, rails, dams and others. DCBEM comes under group of semianalytical methods. Semianalytical formulations are contemporary mathematical models which currently becoming available for realization due to substantial speed-up of computer productivity. DCBEM is based on the theory of the pseudodifferential boundary equations. Corresponding pseudodifferential operators are discretely approximated using Fourier analysis or wavelet analysis. The main DCBEM advantages against the other methods of the numerical analysis is a double reduction in dimension of the problem (discrete numerical division applied not to the full region of the interest but only to the boundary of the region cross section, as a matter of fact one is solving an one-dimensional problem with the finite step on the boundary area of the region), one has opportunities to carrying out very detailed analysis of the specific chosen zones, simplified initial data preparation, simplistic and adaptive algorithms. There are two methods to define and conduct DCBEM analysis developed – indirect (IDCBEM) and direct (DDCBEM), thus indirect like in boundary element method (BEM) applied and used little bit more than direct.
The execution of project activities generally requires the use of (renewable) resources like machines, equipment or manpower. The resource allocation problem consists in assigning time intervals to the execution of the project activities while taking into account temporal constraints between activities emanating from technological or organizational requirements and costs incurred by the resource allocation. If the total procurement cost of the different renewable resources has to be minimized we speak of a resource investment problem. If the cost depends on the smoothness of the resource utilization over time the underlying problem is called a resource levelling problem. In this paper we consider a new tree-based enumeration method for solving resource investment and resource levelling problems exploiting some fundamental properties of spanning trees. The enumeration scheme is embedded in a branch-and-bound procedure using a workload-based lower bound and a depth first search. Preliminary computational results show that the proposed procedure is promising for instances with up to 30 activities.
We present an algebraically extended 2D image representation in this paper. In order to obtain more degrees of freedom, a 2D image is embedded into a certain geometric algebra. Combining methods of differential geometry, tensor algebra, monogenic signal and quadrature filter, the novel 2D image representation can be derived as the monogenic extension of a curvature tensor. The 2D spherical harmonics are employed as basis functions to construct the algebraically extended 2D image representation. From this representation, the monogenic signal and the monogenic curvature signal for modeling intrinsically one and two dimensional (i1D/i2D) structures are obtained as special cases. Local features of amplitude, phase and orientation can be extracted at the same time in this unique framework. Compared with the related work, our approach has the advantage of simultaneous estimation of local phase and orientation. The main contribution is the rotationally invariant phase estimation, which enables phase-based processing in many computer vision tasks.
Analysis of the reinforced concrete chimney geometry changes and their influence on the stresses in the chimney mantle was made. All the changes were introduced to a model chimney and compared. Relations between the stresses in the mantle of the chimney and the deformations determined by the change of the chimney's vertical axis geometry were investigated. The vertical axis of chimney was described by linear function (corresponding to the real rotation of the chimney together with the foundation), and by parabolic function (corresponding to the real dislocation of the chimney under the influence of the horizontal forces - wind). The positive stress pattern in the concrete as well as the negative stress pattern in the reinforcing steel have been presented. The two cases were compared. Analysis of the stress changes in the chimney mantle depending on the modification in the thickness of the mantle (the thickness of the chimney mantle was altered in the linear or the abrupt way) was carried out. The relation between the stresses and the chimney's diameter change from the bottom to the top of the chimney was investigated. All the analyses were conducted by means of a specially developed computer program created in Mathematica environment. The program makes it also possible to control calculations and to visualize the results of the calculations at every stage of the calculation process.
TOOL TO CHECK TOPOLOGY AND GEOMETRY FOR SPATIAL STRUCTURES ON BASIS OF THE EXTENDED MAXWELL'S RULE
(2006)
One of the simplest principle in the design of light-weight structures is to avoid bending. This can be achieved by dissolving girders into members acting purely in axial tension or compression. The employment of cables for the tensioned members leads to even lighter structures which are called cable-strut structures. They constitute a subclass of spatial structures. To give fast information about the general feasibility of an architectural concept employing cable-strut structures is a challenging task due to their sophisticated mechanical behavior. In this regard it is essential to control if the structure is stable and if pre-stress can be applied. This paper presents a tool using the spreadsheet software Microsoft (MS) Excel which can give such information. Therefore it is not necessary to purchase special software and the according time consuming training is much lower. The tool was developed on basis of the extended Maxwell's rule, which besides topology also considers the geometry of the structure. For this the rank of the node equilibrium matrix is crucial. Significance and determination of the rank and the implementation of the corresponding algorithms in MS Excel are described in the following. The presented tool is able to support the structural designer in an early stage of the project in finding a feasible architectural concept for cable-strut structures. As examples for the application of the software tool two special cable-strut structures, so called tensegrity structures, were examined for their mechanical behavior.
Subject of the paper is the realisation of a model based efficiency control system for PV generators using a simulation model. A standard 2-diodes model of PV generator is base of the ColSim model, which is implemented in ANSI C code for flexible code exporting. The algorithm is based on discretisized U-I characteristics, which allows the calculation of string topologies witch parallel and serial PV cells and modules. Shadowing effects can be modelled down to cell configuration using polar horizon definitions. The simulation model was ported to a real time environment, to calculate the efficiency of a PV system. Embedded System technology allows the networked operation and the integration of standard I/O devices. Futher work focus on the adaption of shadowing routine, which will be adapted to get the environment conditions from the real operation.
Die meisten Insolvenzen in Deutschland kommen aus der Bauindustrie. Die Gründe hierfür sind vielschichtig, jedoch kann mittels eines modern ausgerichteten M-I-S und Baustellen-Controllings frühzeitig erkannt werden, wie sich die Baustellenergebnisse entwickeln. Hierzu ist es notwendig, dass die Arbeitskalkulation ständig auf dem Laufenden gehalten wird. Nur wenn dies geschieht, sind monatliche Soll-/ Ist-Vergleiche und eine Betrachtung der cost-to-complete möglich und sinnvoll. Eine monatlich rollierende Prognose des Baustellenergebnisses zum Bauende ermöglicht, dass gravierende Veränderungen des Ergebnisses umgehend aufgedeckt werden. Nur in Kenntnis dieser Entwicklungen kann das Management frühzeitig (im Sinne eines Frühwarnsystems) agieren und Steuerungsmaßnahmen ergreifen. Die Ergebnisprognose zum Bauende ist allein als Steuerungsinstrument nicht ausreichend. Die Finanzsituation der Baustelle muß auch regelmäßig geprüft werden, d.h. der Leistungsstand mit der Rechnungsstellung an den Bauherren abgeglichen sowie die unbezahlten Rechnungen des Bauherren überprüft werden. Das beste Prognoseergebnis ist wertlos, wenn der Bauherr seine bezogenen Leistungen nicht vergütet. Die wirtschaftlichen Daten stehen den Verantwortlichen online im Baustellen-Informations-System (B-I-S) zur Verfügung. Ein Ampelsystem verdeutlicht die wirtschaftliche Lage der Baustelle.
Hinsichtlich der Integration einzelner Bauwerkslebensphasen und der verschiedenen Beteiligten, insbesondere innerhalb von Bauplanungs- und Revitalisierungsprozessen, bestehen aktuell entscheidende Defizite. Die generelle Zielstellung der in diesem Beitrag vorgestellten Forschungsarbeiten besteht in der Unterstützung und Verbesserung der Integration durch die disziplin- und lebensphasenübergreifende Bereitstellung sämtlicher bauwerksbezogener Informationen. Dies erfordert einerseits geeignete Ansätze zur Modellierung und Integration der vielfältigen disziplinspezifischen Daten, andererseits geeignete Lösungen, die einen globalen Zugriff, Navigation und Recherche im Gesamtdatenbestand ermöglichen. Die Modellierung und Verwaltung bauwerksbezogener Daten ist seit längerem Gegenstand diverser Forschungsarbeiten. Im Rahmen des SFB 524 wurde ein eigener Ansatz basierend auf einem laufzeitdynamischen Partialmodellverbund entwickelt. Dieser wird in den wesentlichen Grundzügen anderen Ansätzen gegenübergestellt. Den Schwerpunkt dieses Beitrags bildet jedoch die Entwicklung einer geeigneten flexiblen Navigations- und Rechercheschicht zu Realisierung projektglobaler Informationsrecherche. Aus der Sicht der Modellierung und Datenverwaltung wie auch aus der Sicht der Informationsrecherche und Informationspräsentation in Planungsprozessen ergeben sich verschiedene Anforderungen an derartige Recherchewerkzeuge, wobei der wesentlichste Grundsatz maximale Flexibilität hinsichtlich verfügbarer Darstellungstechniken und deren freie Kombination mit Techniken formaler Suchanfragen ist. Das entwickelte Systemkonzept basiert auf einem Framework, welches verschiedene Grundtypen von Recherchemodulen und deren Interaktionsprinzipien vorgibt. Einzelne Recherchemodule werden als Ausprägungen dieser Modultypen realisiert und können je nach Bedarf laufzeitdynamisch in die Navigationsschicht integriert werden. Die technische Realisierung des Systems erfolgt im Umfeld vorhandener Prototypen aus vorangegangenen Forschungsaktivitäten. Dieses technische Umfeld gibt verschiedene Rahmenbedingungen vor, welche im Vorfeld prototypischer Implementierungen verschiedene Adaptionen des generellen Systemkonzepts notwendig machen. Der vorliegende Beitrag stellt den aktuellen Entwicklungsstand der Systemlösung aus konzeptioneller und technischer Sicht sowie erste prototypische Realisierungen von Recherchemodulen vor.
The design of safety-critical structures, exposed to cyclic excitations demands for non-degrading or limited-degrading behavior during extreme events. Among others, the structural behavior is mainly determined by the amount of plastic cycles, completed during the excitation. Existing simplified methods often ignore this dependency, or assume/request sufficient cyclic capacity. The paper introduces a new performance based design method that considers explicitly a predefined number of re-plastifications. Hereby approaches from the shakedown theory and signal processing methods are utilized. The paper introduces the theoretical background, explains the steps of the design procedure and demonstrates the applicability with help of an example. This project was supported by German Science Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG)
The reduction of oscillation amplitudes of structural elements is necessary not only for maintenance of their durability and longevity but also for elimination of a harmful effect of oscillations on people and technology operations. The dampers are widely applied for this purpose. One of the most widespread models of structural friction forces having piecewise linear relation to displacement was analysed. T The author suggests the application of phase trajectories mapping in plane "acceleration – displacement". Unlike the trajectories mapping in a plane "velocity – displacement", they don't require large number of geometrical constructions for identification of the characteristics of dynamic systems. It promotes improving the accuracy. The analytical assumptions had been verified by numerical modeling. The results show good enough coincide between numerical and analytical estimation of dissipative characteristic.
The paper is devoted to the investigation of dynamical behavior of a cable under influence of various types of excitations. Such element has a low rigidity and is sensitive to dynamic effect. The structural scheme is a cable which ends are located at different level. The analysis of dynamical behavior of the cable under effect of kinematical excitation which is represented by the oscillations of the upper part of tower is given. The scheme of cable is accepted such, that lower end of an inclined cable is motionless. The motion of the upper end is assumed only in horizontal direction. The fourth-order Runge-Kutta method was realized in software. The fast Fourier transform was used for spectral analysis. Standard graphical software was adopted for presenting results of investigations. The mathematical model of oscillations of a cable was developed by the account of the viscous damping. The analysis of dynamical characteristics of a cable for various parameters of damping and kinematical excitation was carried out. The time series, spectral characteristics and amplitude-frequencies characteristics was obtained. The resonance amplitude for different oscillating regimes was estimated. It is noted that increasing of the coefficient of the viscous damping and decreasing of the amplitude of tower's oscillations reduces the value of the critical frequency and the resonant amplitudes.
The extended finite element method (XFEM) offers an elegant tool to model material discontinuities and cracks within a regular mesh, so that the element edges do not necessarily coincide with the discontinuities. This allows the modeling of propagating cracks without the requirement to adapt the mesh incrementally. Using a regular mesh offers the advantage, that simple refinement strategies based on the quadtree data structure can be used to refine the mesh in regions, that require a high mesh density. An additional benefit of the XFEM is, that the transmission of cohesive forces through a crack can be modeled in a straightforward way without introducing additional interface elements. Finally different criteria for the determination of the crack propagation angle are investigated and applied to numerical tests of cracked concrete specimens, which are compared with experimental results.
The paper contains a description of dynamic effects in the silo wall during the outflow of a stored material. The work allows for determining the danger of construction damage due to resonant vibrations and is of practical importance by determining the influence of cyclic pressures and vibro–creeping during prolonged use of a silo. The paper was devised as a result of tests on silo walls in semi-technical scale. The model is generally applicable and allows for identification of parameters in real- size silos as well.
The paper proposes a new method for general 3D measurement and 3D point reconstruction. Looking at its features, the method explicitly aims at practical applications. These features especially cover low technical expenses and minimal user interaction, a clear problem separation into steps that are solved by simple mathematical methods (direct, stable and optimal with respect to least error squares), and scalability. The method expects the internal and radial distortion parameters of the used camera(s) as inputs, and a plane quadrangle with known geometry within the scene. At first, for each single picture the 3D position of the reference quadrangle (with respect to each camera coordinate frame) is calculated. These 3D reconstructions of the reference quadrangle are then used to yield the relative external parameters of each camera regarding the first one. With known external parameters, triangulation is finally possible. The differences from other known procedures are outlined, paying attention to the stable mathematical methods (no usage of nonlinear optimization) and the low user interaction with good results at the same time.