56.03 Methoden im Bauingenieurwesen
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In der heutigen Informationsgesellschaft sind alle Geschäftsprozesse in einem Unternehmen geprägt durch die Verwendung der vorhandenen Informations- und Kommunikationstechnologien. Diese haben zur Folge, dass Unternehmen mit einer wahren Flut an Informationen konfrontiert werden, die von extern und intern in das Unternehmen eingetragen wurden. Die erfolgreiche Beherrschung dieser Informationsflut bildet die Basis für das effektive Arbeiten im Unternehmen. Grundvoraussetzung hierfür ist vor allem ein harmonisches Zusammenspiel zwischen Mensch ↔ Organisation ↔ Technik. Dokumentenmanagementsysteme haben sich zur Aufgabe gemacht, den Anwender bei der technologischen Bewältigung dieser Aufgabenstellung zu unterstützen. Der hier vorgestellte Artikel zeigt die Probleme auf, die während der Umsetzung eines Dokumentenmanagementsystems auftreten können und konzentriert sich dabei besonders auf Kleinen und Mittleren Unternehmen (KMU) im Bauwesen. Charakteristisch für diese ist die Schwäche die eigenen Unternehmensstrukturen betriebswirtschaftlich aufzubereiten, woraus später bei einer technologischen Umsetzung schwerwiegende Probleme resultieren. Genau an diesem Punkt setzt der vorgestellte Artikel an und versucht den Zusammenhang zwischen Organisation und Technik herauszuarbeiten, um darauf aufsetzend einen allgemeingültigen Ansatz für die Umsetzung eines Dokumentenmanagementsystems zu liefern.
In this paper a meshless component is presented, which internally uses the common meshless interpolation technique >Moving Least Squares<. In contrast to usual meshless integration schemes like the cell quadrature and the nodal integration in this study integration zones with triangular geometry spanned by three nodes are used for 2D analysis. The boundary of the structure is defined by boundary nodes, which are similar to finite element nodes. By using the neighborhood relations of the integration zones an efficient search algorithm to detected the nodes in the influence of the integration points was developed. The components are directly coupled with finite elements by using a penalty method. An widely accepted model to describe the fracture behavior of concrete is the >Fictitious Crack Model< which is applied in this study, which differentiates between micro cracks and macro cracks, with and without force transmission over the crack surface, respectively. In this study the crack surface is discretized by node pairs in form of a polygon, which is part of the boundary. To apply the >Fictitious Crack Model< finite interface elements are included between the crack surface nodes. The determination of the maximum principal strain at the crack tip is done by introducing an influence area around the singularity. On a practical example it is shown that the included elements improve the model by the transmission of the surface forces during monotonic loading and by the representation of the contact forces of closed cracks during reverse loading.
Die Bauwerksüberwachung gewinnt aus sicherheitstechnischen sowie aus wirtschaftlichen Gründen zunehmend an Bedeutung. Nicht nur die Bauwerkssicherheit kann durch leistungsfähige Monitoring-Systeme angemessen beurteilt, auch die Nutzungsdauer bestehender Bauwerke kann durch die gewonnenen Informationen deutlich verlängert werden. Das vorliegende Papier beschreibt die Entwicklung eines webbasierten Talsperren-Monitoring-Systems, das die automatisierte Erfassung von Daten vor Ort sowie die computergestützte Aufbereitung und Analyse der gesammelten Messdaten ermöglicht. Das Monitoring-System ist durch seinen modularen Aufbau nicht auf die Talsperren-Überwachung beschränkt, sondern kann ohne großen Aufwand an andere Überwachungsaufgaben angepasst werden. Das System besteht aus drei wesentlichen Modulen: (i) einer erweiterbaren Klassenbibliothek, die die Steuerung der im Bauwerk installierten Messelektronik ermöglicht, (ii) einem webbasierten Datenerfassungsmodul, das neben der automatischen Datenerfassung eine Fernsteuerung der Messelektronik erlaubt und Funktionen zur Verwaltung der Überwachungsaufgaben bereitstellt, sowie (iii) einem webbasierten Visualisierungs- und Auswertungsmodul zur Aufbereitung und Analyse der gesammelten Daten. Alle an der Überwachung beteiligten Mitarbeiter können mit einem üblichen Web-Browser über das Internet auf das entwickelte System zugreifen; ein Zugriff mittels Mobiltelefon ist alternativ möglich. Das implementierte Talsperren-Monitoring-System begleitet die beteiligten Fachleute von der Erfassung der Daten vor Ort bis hin zur Aufbereitung und Analyse der Messdaten an zentraler Stelle: Die Mitarbeiter werden durch einen einfachen Zugriff auf die installierte Messelektronik, automatisierte Messungen und umfangreiche Analysefunktionalitäten bei ihren spezifischen Aufgaben unterstützt. Der bisherige manuelle Arbeitsaufwand für Datenerfassung, -transfer und Analyse wird somit deutlich reduziert.
Die Methode der Finiten Elemente ist ein numerisches Verfahren zur Interpolation vorgegebener Werte und zur numerischen Approximation von Lösungen stationärer oder instationärer partieller Differentialgleichungen bzw. Systemen partieller Differentialgleichungen. Grundlage dieser Verfahren ist die Formulierung geeigneter Finiter Elemente und Finiter Element Zerlegungen. Finite Elemente besitzen in der Regel eine geometrische Basis bestehend aus Strecken im eindimensionalen, Drei- oder Vierecken im zweidimensionalen und Tetra- oder Hexaedern im dreidimensionalen euklidischen Raum, eine Menge von Freiheitsgraden und eine Basis von Funktionen. Die geometrische Basis eines Finiten Elements wird verallgemeinert als geometrische Zelle formuliert. Diese geschlossene geometrische Formulierung führt zu einer geometrieunabhängigen Definition der Basisfunktionen eines Finiten Elements in den Zellkoordinaten der geometrischen Zelle. Finite Elemente auf der Basis geometrischer Zellen werden als Bestandteile Finiter Element Zerlegungen in Finiten Element Interpolationen und Finiten Element Approximationen verwendet. Die Finiten Element Approximationen werden am Beispiel der 2-dimensionalen Diffusionsgleichung über das Standard-Galerkin-Verfahren ermittelt.
Hydro- und morphodynamischen Prozesse in Binnengewässern und im Küstennahbereich erzeugen hochkomplexe Phänomene. Zur Beurteilung der Entwicklung von Küstenzohnen, von Flussbetten sowie von Eingriffen des Menschen in Form von Schutzbauwerken sind geeignete numerische Modellwerkzeuge notwendig. Es wird ein holistischer Modellansatz zur Approximation gekoppelter Seegangs-, Strömungs- und Morphodynamischer Prozesse auf der Basis stabilisierter Finiter Elemente vorgestellt. Der Großteil der Modellgleichungen der Hydro- und Morphodynamik sind Transportgleichungen. Dem Transportcharakter dieser Gleichungen entsprechend wird ein stabilisiertes Finites Element Verfahren auf Dreiecken vorgestellt. Die vorgestellte Approximation entspricht einem streamline upwinding Petrov-Galerkin-Verfahrens für vektorwertige mehrdimensionale Probleme, bei dem der Fehler eines Standard-Galerkin-Verfahrens mit Hilfe eines Upwinding-Koeffizienten minimiert wird. Die Wahl des Upwinding-Koeffizienten ist übertragbar auf andere Problemklassen und basiert ausschließlich auf dem Charakter der zugrundeliegene Das Modell wurde für Seegangs- und Strömungs-Untersuchungen im Jade-Weser-Ästuar an der deutschen Nordseeküste eingesetzt.
Die Verfügbarkeit und die sichere Beherrschung moderner und kostengünstiger Informations- und Kommunikationstechnologien gestattet es auch kleinen unternehmerischen Einheiten im Bauwesen sich in betriebsübergreifenden Netzwerken zu organisieren und sich besser in die Wertschöpfungskette am Bau zu integrieren. In sogenannten >Virtuellen Organisationen< (VO) können diese für die Volkswirtschaft wichtigen Unternehmen ihre Wettbewerbsvorteile wie höhere Flexibilität, schnelle Reaktion auf Kundenwünsche und Marktnähe nutzen und somit ihr langfristiges Bestehen in einem liberalen Wettbewerb auf einem erweiterten EU-Markt sichern und ausbauen. Die derzeit existierenden Hindernisse im Informationsfluss zwischen Baustelle und Büro können durch den Einsatz mobiler, funkvernetzter Endgeräte, wie beispielsweise >Smart-Phones<, und einer neu zu gestaltenden Infrastruktur zum Wissensmanagement und zur kontextsensitiven Informationsdarstellung abgebaut werden. Im Rahmen dieser Veröffentlichung werden konzeptionelle Ansätze eines integrierten Informationsmanagements zur Unterstützung von VO, die im Rahmen des BMBF-Projektes >IuK-System Bau< derzeit entwickelt werden, vorgestellt.
In der vorliegenden Arbeit geht es um die Anwendung von biorthogonalen Waveletsystemen in der Parameteridentifikation. Es sollen Grundlagen geschaffen werden, um bei der Auswertung dynamischer Experimente derartige Wavelets und damit die schnelle Wavelet-Transformation (FWT) systematisch und effektiv zu nutzen. Zu diesem Zweck wird von den Waveletfiltern ein System von Verbindungskoeffizienten abgeleitet. Mit deren Hilfe erfolgen die Projektionen von Operatoren, insbesondere die von Differentiations- und Integrationsoperatoren, in die entsprechenden Wavelet-Räume. Sämtliche Verbindungskoeffizienten können rekursiv und in endlich vielen Schritten exakt berechnet werden. Ausgehend von den dynamischen Krafteinwirkungen und den gemessenen Reaktionsbeschleunigungen oder Reaktionsgeschwindigkeiten bezüglich der einzelnen Freiheitsgrade können dann unbekannte Steifigkeiten und Dämpfungen identifiziert werden. Dazu erfolgt nach entsprechenden Wavelet-Zerlegungen aller relevanten Zeitsignale ein Abgleich auf den einzelnen Frequenzbändern. Dieser führt insbesondere zu einem System von linearen Matrizengleichungen zur Bestimmung der unbekannten Parameter. Vorgeschlagen wird im Falle einer größeren Zahl von Freiheitsgraden und Parametern, ein mehrstufiges Optimierungsverfahren anzuwenden. Gegenüber Identifikationsverfahren im Zeitbereich werden aufwendige numerische Quadraturverfahren und die daraus resultierenden Fehlerquellen und Stabilitätsprobleme vermieden. Gegenüber Verfahren im Frequenzbereich, die ausschließlich mit Hilfe der FFT formuliert werden, sind Störungen in den Randspektren besser beherrschbar und eliminierbar. Außerdem werden mit einem FWT-Verfahren einfachere Denoising-Algorithmen anwendbar. Letztendlich wird im Vergleich zu einem FFT-Verfahren ein späterer Übergang zur Identifikation nichtlinearer MDOF-Systeme methodisch erleichtert.
Plausibilität im Planungsprozess - Digitale Planungshilfen für die Bebaubarkeit von Grundstücken
(2003)
Die digitale Unterstützung der Planungsprozesse ist ein aktueller Forschungs- und Arbeitsschwerpunkt der Professur Informatik in der Architektur (InfAR) und der Juniorprofessur Architekturinformatik der Fakultät Architektur an der Bauhaus-Universität Weimar. Verankert in dem DFG Sonderforschungsbereich 524 >Werkzeuge und Konstruktionen für die Revitalisierung von Bauwerken< werden Konzepte und Prototypen für eine fachlich orientierte Planungsunterstützung entwickelt. Die Vielfalt der unterschiedlichen Faktoren, die Einfluss auf den Planungsprozess nehmen können, sowie deren Abhängigkeiten voneinander werden von heutigen Planungssystemen in nur unzureichender Weise aufbereitet und verwaltet. Diese Faktoren bedingen Planungstools, deren Aufgabe die Beschaffung, Verarbeitung, Integration und Verwaltung von Informationen sowie die Veranschaulichung der komplexen Informationszusammenhänge ist. Die Entwicklung solcher Systeme ist technisch möglich. Die Schwierigkeit liegt in der Beschaffung und Strukturierung der für den Planungsprozess relevanten Informationen sowie in ihrer Aufbereitung und Integration in eine digitale Planungsumgebung. Das Bestreben des Forschungsprojektes ist es, Grundlagen für digitale Werkzeuge zu entwickeln die zu plausiblen Lösungen im Planungsprozess und somit zu erhöhter Planungssicherheit für die am Bau beteiligten Auftragnehmer und Auftraggeber führen. Es wird angestrebt Programm-Module zu entwickeln, die den Planer bei der Ermittlung von Lösungswegen zu einer Fachfrage inhaltlich unterstützen und die Nachvollziehbarkeit und Richtigkeit einer Planungsentscheidung gewährleisten und plausibel darlegen. Mit Hilfe der Module sollen Entscheidungsfindungen katalysiert werden. Die Bauvorhaben der Zukunft werden zu einem großen Teil im Bestand liegen. Dieses Faktum erfordert planerische Maßnahmen, für die vollends Werkzeuge und Hilfsmittel fehlen, die zu plausiblen und sicheren Planungsentscheidungen führen. Die Entwicklung solcher Hilfsmittel ist Ziel dieser Forschung. Der Beitrag stellt prototypische Software-Module vor, die sich mit der Problematik der potenziellen Bebaubarkeit einer Grundstücksfläche auseinander setzen. Die Module verarbeiten Regeln, die den einschlägigen Normen und Verordnungen entnommen sind, die bei der Erarbeitung einer Planungslösung eingehalten werden müssen.
The failure mechanisms of textile reinforced concrete (TRC), which is a composite of bundles of long fibers and fine concrete, are complex. Most important for the ductility is the successive debonding of the fibers from the surrounding matrix when the brittle matrix is cracking. Therefore, one of the main issues is the simulation of the bond behavior between the reinforcement and the matrix. By introducing a hierarchical material model for TRC the mechanical behavior is simulated by means of representative volume elements modelled on the meso scale. Finite element analysis is used to determine the effective properties of TRC within a periodic homogenization framework. Further, a multiscale finite element technique is suggested, where constitutive equation are formulated only on the meso level.
Bei der Gründung von schweren Bauwerken (z.B. Hochhäusern auf Gründungsplatten und pfählen) wird der Lastabtrag in den Baugrund durch eine starke Interaktion zwischen Bauwerk und Baugrund bestimmt. Der Baugrund kann phänomenologisch als Mehrphasenkontinuum beschrieben werden, bei dem die Phasen Feststoff, Flüssigkeit und Gas in mechanische Wechselwirkung treten. Die Wechselwirkung zwischen der Deformation des Feststoffes und der Strömung des Porenwassers spielt unter der Lasteinwirkung des Bauwerks und unter dynamischer Erregung eine zentrale Rolle. Bei komplexen Gründungsverhältnissen können die Deformations- und Spannungszustände realitätsnah nur durch dreidimensionale Modelle erfasst werden. Je nach Baufortschritt stellen sich die Probleme dabei unterschiedlich dar. Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit der für die mit der Simulation mit der Methode der finiten Elemente notwendigen Modellierung und der rechnergestützten Netzgenerierung für die Baugrund-Tragwerk-Strukturen. Bei komplexen dreidimensionalen Gründungskonstruktionen ist eine solche rechnergestützte Diskretisierung mit finiten Elementen zweckmäßig, die das geotechnische System und dessen Randbedingungen und Lasten umfassend beschreiben und verwalten kann. Dafür werden geeignete Software-Werkzeuge vorgestellt, mit denen sich dreidimensionale, zeitabhängige Systeme modellieren und diskretisieren lassen. Die Kontaktproblematik zwischen Baugrund und Tragwerk und die Besonderheiten des Mehrphasenkontinuums stellen besondere Ansprüche an die Diskretisierung. Zudem werden Methoden vorgestellt, die das akkumulierte Gründungsmodell, das sich über den Bauablauf ergibt, verwalten und die verschiedenen Bauzustände in einem dynamischen Modell bereitstellen.