56.03 Methoden im Bauingenieurwesen
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Die heutige Situation in der Tragwerksplanung ist durch das kooperative Zusammenwirken einer größeren Anzahl von Fachleuten verschiedener Disziplinen (Architektur, Tragwerksplanung, etc.) in zeitlich befristeten Projektgemeinschaften gekennzeichnet. Bei der Abstimmung der hierdurch bedingten komplexen, dynamischen und vernetzten Planungsprozesse kommt es dabei häufig zu Planungsmängeln und Qualitätseinbußen. Dieser Artikel zeigt auf, wie mit Hilfe der Agententechnologie Lösungsansätze zur Verbesserung der Planungssituation erreicht werden können. Hierzu wird ein Agentenmodell für die vernetzt-kooperative Tragwerksplanung vorgestellt und anhand der Planung einer Fußgängerbogenbrücke anschaulich demonstriert. Das Agentenmodell erfasst (1) die beteiligten Fachplaner und Organisationen, (2) die tragwerksspezifischen Planungsprozesse, (3) die zugehörigen (Teil-)Produktmodelle und (4) die genutzte (Ingenieur-)Software. Hieraus leiten sich die drei Teilmodelle (1) agentenbasiertes Kooperationsmodell, (2) agentenbasierte Produktmodellintegration und (3) Modell zur agentenbasierten Software-Integration ab. Der Fokus des Artikels liegt auf der Darstellung des agentenbasierten Kooperationsmodells.
Objects for civil engineering applications can be identified with their reference in memory, their alpha-numeric name or their geometric location. Particularly in graphic user interfaces, it is common to identify objects geometrically by selection with the mouse. As the number of geometric objects in a graphic user interface grows, it becomes increasingly more important to treat the basic operations add, search and remove for geometric objects with great efficiency. Guttmann has proposed the Region-Tree (R-tree) for geometric identification in an environment which uses pages on disc as data structure. Minimal bounding rectangles are used to structure the data in such a way that neighborhood relations can be described effectively. The literature shows that the parameters which influence the efficiency of the R-trees have been studied extensively, but without conclusive results. The goal of the research which is reported in this paper is to determine reliably the parameters which significantly influence the efficiency of R-trees for geometric identification in technical drawings. In order to make this investigation conclusive, it must be performed with the best available software technology. Therefore an object-oriented software for the method is developed. This implementation is tested with technical drawings containing many thousands of geometric objects. These drawings are created automatically by a stochastic generator which is incorporated into a test bed consisting of an editor and a visualisor. This test bed is used to obtain statistics for the main factors which affect the efficiency of R-trees. The investigation shows that the following main factors which affect the efficiency can be identified reliably : number of geometric objects on the drawing the minimum und maximum number of children of a node of the tree the maximum width and height of the minimal bounding rectangles of the geometric objects relative to the size of the drawing.
Seit mehr als fünfzig Jahren werden zur Untersuchung der Tragwerkssicherheit auch Methoden der Wahrscheinlichkeitsrechnung herangezogen. Ungeachtet der inzwischen erreichten Fortschritte und der offensichtlichen Vorzüge, konnte dieses Vorgehen in der Praxis bis jetzt noch nicht ausreichend Fuß fassen. Im Beitrag wird das Problem der Tragwerkssicherheit mit einem neuartigen Verfahren behandelt. Im Unterschied zu den üblichen probabilistischen Methoden geht es nicht von Verteilungsfunktionen aus. Vielmehr werden die maßgebenden Zufallsgrößen in den Mittelpunkt gestellt und direkt in die Rechenvorschrift eingeführt. Als mathematisches Hilfsmittel dienen die WIENERschen Chaos-Polynome. Sie stellen im Raum der Zufallsgrößen mit beschränkter Varianz eine Basis dar, mit der sich eine beliebige Zufallsgröße nach orthogonalen Polynomen GAUSSscher Zufallsgrößen entwickeln läßt. So entsteht ein effektiver Formalismus, der sich eng an die herkömmliche Deformationsmethode anlehnt und als deren probabilistische Verallgemeinerung angesprochen werden darf. Die Methode liefert die Grenzzustandsbedingung als Funktion der auf das Tragwerk wirkenden Zufallsgrößen. Die Versagenswahrscheinlichkeit kann daher durch Monte-Carlo-Simulation bestimmt werden. Die mit der Auswertung des Wahrscheinlichkeitsintegrals der First Order Reliability Method (FORM) verbundenen Schwierigkeiten werden vermieden. An einem Beispieltragwerk wird dargestellt, wie sich Veränderungen gewisser Konstruktionsparameter auf die Versagenswahrscheinlichkeit auswirken.
Die Versagenswahrscheinlichkeit nach einem Grenzzustand wird gewöhnlich mit dem Integral I der Basisvariablen-Verteilungsdichte über den Versagensbereich bestimmt. Dabei ist eine geschlossene Lösung nur im Spezialfall normalverteilter Basisvariablen bei Linearität der Grenzzustandsgleichung möglich. In anderen Fällen sind verschiedene Näherungsverfahren gebräuchlich, die auf den Momenten der Basisvariablen und geeignet gewählten Indizes als Sicherheitskenngrößen beruhen. Eine größere Genauigkeit bieten die Zuverlässigkeitstheorien erster bzw. zweiter Ordnung, die ebenfalls von I ausgehen. Im Beitrag wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, dessen Ausgangspunkt nicht I, sondern das Kraftgrößenverfahren als einem Standardalgorithmus des konstruktiven Ingenieurbaus ist. Die Einbeziehung der maßgebenden Zufallsgrößen in die Matrix der Vorzahlen und die Belastungszahlen führt zur Verallgemeinerung des Systems der Elastizitätsgleichungen zum zufälligen System der Elastizitätsgleichungen. Dessen Lösung, die durch den Übergang zu einem deterministischen Ersatzsystem gewonnen wird, liefert die statisch Unbestimmten als Funktionen der im System wirkenden Zufallsgrößen (z.B. E-Modul der Stäbe und Belastung). Da dieser Zusammenhang analytisch vorliegt, kann die Wirkung einzelner Zufallseinflüsse auf die statisch Unbestimmten und die daraus folgenden sicherheitsrelevanten Zustandsgrößen beurteilt werden. Die Dichtefunktion der Grenzzustandsgleichung kann berechnet oder durch Simulation ermittelt werden. Daraus folgt . Nicht normalverteilte Zufallsgrößen werden durch Entwicklung in orthogonale Polynome Gaußscher Zufallsgrößen berücksichtigt.
Die Informatik im Bauwesen oder kurz Bauinformatik hat sich in den vergangenen Jahren in Deutschland kontinuierlich entwickelt und sie hat einen festen Platz in den Fakultäten im Bauingenieurwesen an den deutschen Universitäten erhalten. Diese Entwicklung war anfänglich sehr stark fixiert auf die Berechnungen des physikalischen Verhaltens von Bauwerken. In den letzten Jahren kamen weitere Gebiete hinzu. Hier ist vor allem die Zeichnungserstellung (CAD) hervorzuheben. Diese Entwicklungen haben einen großen Reifegrad erlangt und sie haben einen festen Platz in Lehre und Forschung in der Bauinformatik. Die Rolle der Bauinformatik allgemein hat in den letzten Jahren eine stürmische Entwicklung genommen. Die Breite der Anwendungen hat ständig zugenommen und die Forderung nach einer durchgängigen Nutzbarkeit aller Informationen, die in diesem Zusammenhang bearbeitet werden, wird immer stärker gestellt. Besonders zwei Problemstellungen stehen im Mittelpunkt vieler Entwicklungen in der Bauindustrie und in den entsprechenden Softwarehäusern. Dies sind die Entwicklung und Nutzung technischer Modelle zur Unterstützung des Bauprozesses und die Unterstützung betriebswirtschaftlicher Anforderungen in der Bauindustrie. Vor allem die zweite Anforderung war bisher kaum Gegenstand der Bauinformatik. Aktuelle Bestrebungen vor allem aus der Praxis wirken darauf hin, diesen Zustand zu ändern. Die Fakultät Bauingenieurwesen an der Bauhaus-Universität beginnt diesen Anforderungen dadurch Rechnung zu tragen, daß kontinuierlich die notwendigen Voraussetzungen geschaffen werden, um diese Thematik in Lehre und Forschung kompetent aufnehmen zu können. Externe Referenten, die an der Spitze entsprechender Entwicklungen sind, werden in die Lehre mit eingebunden. Dies soll eine kontinuierliche Weiterentwicklung einleiten, die helfen soll, eine zeitgemäße Ausbildung der zukünftigen Bauingenieure sicherzustellen.
Models in the context of engineering can be classified in process based and data based models. Whereas the process based model describes the problem by an explicit formulation, the data based model is often used, where no such mapping can be found due to the high complexity of the problem. Artificial Neuronal Networks (ANN) is a data based model, which is able to “learn“ a mapping from a set of training patterns. This paper deals with the application of ANN in time dependent bathymetric models. A bathymetric model is a geometric representation of the sea bed. Typically, a bathymetry is been measured and afterwards described by a finite set of measured data. Measuring at different time steps leads to a time dependent bathymetric model. To obtain a continuous surface, the measured data has to be interpolated by some interpolation method. Unlike the explicitly given interpolation methods, the presented time dependent bathymetric model using an ANN trains the approximated surface in space and time in an implicit way. The ANN is trained by topographic measured data, which consists of the location (x,y) and time t. In other words the ANN is trained to reproduce the mapping h = f(x,y,t) and afterwards it is able to approximate the topographic height for a given location and date. In a further step, this model is extended to take meteorological parameters into account. This leads to a model of more predictive character.
A realistic and reliable model is an important precondition for the simulation of revitalization tasks and the estimation of system properties of existing buildings. Thereby, the main focus lies on the parameter identification, the optimization strategies and the preparation of experiments. As usual structures are modeled by the finite element method. This as well as other techniques are based on idealizations and empiric material properties. Within one theory the parameters of the model should be approximated by gradually performed experiments and their analysis. This approximation method is performed by solving an optimization problem, which is usually non-convex, of high dimension and possesses a non-differentiable objective function. Therefore we use an optimization procedure based on genetic algorithms which was implemented by using the program package SLang...
Maxwell's equations can be rewritten in terms of a Dirac operator D+a. The advantage is that in this setting Maxwell's equations are treated as a system of first order differential equations. To ensure the uniqueness of a non-homogeneous differential equation in the whole space additional conditions are needed.
For the management or reorganisation of existing buildings, data concerning dimensions and construction are necessary. Often these data are given exclusively by paper-based drawings and no digital data such as a computer based product model or even a CAD-model are available. In order to perform mass calculation, damage mapping or a recalculation of the structure these drawings of the building under consideration have to be analysed manually by the engineer. This is a very time-consuming job. In order to close this gap between drawings of an existing building and a digital product model an approach is presented in this paper to digitise a drawing, to build up geometric and topologic models and to recognise construction parts of the building. Finally all recognised parts are transformed into a three-dimensional geometric model which provides all necessary geometric information for the product model. During this import process the semantics of a ground floor plan has to be converted into a 3D-model.
Detailuntersuchungen an Tragwerken führen bei FE-Berechnungen immer wieder auf das Problem einer geeigneten Netzgestaltung. Während in weiten Bereichen ein grobes Netz ausreicht, muß an kritischen Stellen ein sehr feines Netz gewählt werden, um gerade dort hinreichend genaue Ergebnisse zu erhalten. Bei der Realisierung lokaler Netzverdichtungen stellt die Gestaltung des Übergangs vom groben zum feinen Netz das Hauptproblem dar. Im Beitrag wird hierzu eine Familie von FE-Übergangselementen vorgestellt, mit denen sich eine voll-kompatible Kopplung von wenigen großen Elementen mit vielen kleinen Elementen bereits über nur eine Stufe erzielen läßt. Diese neu entwickelten sogenannten pNh-Elemente ermöglichen an einer oder mehreren Seiten den Anschluß von N kleineren Elementen (Elementseiten für h-Verfeinerung). Das wird durch N stückweise definierte Ansatzfunktionen an den entsprechenden Seiten erreicht, wobei die Teilung nicht äquidistant sein braucht. Darüber hinaus ist es möglich, Elemente unterschiedlichen Polynomgrades p an den Standardseiten und den Verfeinerungsseiten anzuschließen. Der praktische Einsatz der Übergangselemente setzt geeignete automatische oder halbautomatische Netzgeneratoren voraus, die diese Elemente einbeziehen. Im Rahmen einer substrukturorientierten Modellierung läßt sich dies besonders günstig realisieren. Im Beitrag wird gezeigt, wie durch Zerlegung des Gesamtmodells in Bereiche mit grobem Netz, mit Übergangsnetz und mit feinem Netz, eine effektive Generierung der Netzverdichtungen zu erreichen ist. An einem praktischen Beispiel aus dem Bauingenieurwesen werden die Vorteile des vorgestellten Übergangselementkonzeptes umfassend demonstriert.