Internationales Kolloquium über Anwendungen der Informatik und Mathematik in Architektur und Bauwesen, IKM, Weimar, 14. 1997
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Ideally, multiple computational building evaluation routines (particularly simulation tools) should be coupled in real-time to the representational design model to provide timely performance feed-back to the system user. In this paper we demonstrate how this can be achieved effectively and conveniently via homology-based mapping. We consider two models as homologous if they entail isomorphic topological information. If the general design representation (i.e., a shared object model) is generated in a manner so as to include both the topological building information and pointers to the semantic information base, it can be used to directly derive the domain representations (>enriched< object models with detailed configurational information and filtered semantic data) needed for evaluation purposes. As a proof of concept, we demonstrate a computational design environment that dynamically links an object-oriented space-based design model, with structurally homologous object models of various simulation routines.
Former achievements for integrated information management have concentrated on interoperability of applications like e.g. CAD, structural analysis or facility management, based on product models introducing additional application independent model layers (core models). In the last years it has become clear, that besides interoperability of autonomous applications, the concurrent processes of model instantiation and evolution have to be modeled, including the relationship to available project resources, persons, legal requirements and communication infrastructure. This paper discusses some basic concepts for an emerging methodology relating the fields of product modeling, project management and workflow systems by elaborating the concept of a process model, which gives a decomposition of the project goals into executable activities. Integrated information management systems should be related to process models to detect pending activities, deadlocks and alternatives of execution. According to the heterogeneous nature of project communication processes, a method for dynamic classification of ad-hoc activities is suggested, that complements predefined highlevel process definitions. In a brief outline of the system architecture, we show how sophisticated information management systems can be broadly made available by using conventional Internet technologies.
The general motivation of this research is to develop software to support the handling of the increased complexity of architectural design. In this paper we describe a system providing general support during the whole process. Instead of only developing design tools we are also addressing the problem of the operating environment of these tools. We conclude that design tools have to be integrated in an open, modular, distributed, user friendly and efficient environment. Two major fields have to be addressed - the development of design tools and the realisation of an integrated system as their operation environment. We will briefly focus on the latter by discussing known technologies in the field of information technology and other design disciplines that can be used to realise such an environment. Regarding the first subject we have to state the need of a detailed tool specification. As a solution we suggest a strategy where the tool functions are specified on the basis of a transformation, where a hierarchical process model is mapped into specifications of different design tools realising appropriate support for all sub-processes of architectural design. Using this strategy the main steps to develop such a support system are: implementation of a framework as basis for the integrated design system decision whether the tool specification are already implemented in available tools in this case these tools can be integrated using known methods for tool coupling otherwise new design tools have to be developed according to the framework
Bei der Tragwerksplanung sowohl für Massivkonstruktionen als auch für Stahlkonstruktionen werden zukünftig nichtlineare Berechnungsverfahren in größerem Umfang Anwendung finden, als das in der Vergangenheit üblich bzw. möglich war. Wichtige Impulse gehen dabei von der europäischen Normung aus. Bei der Anwendung von Berechnungsverfahren, die die Nichtlinearität des Materialverhaltens berücksichtigen und bei der Ermittlung der Tragsicherheit planmäßig ausnutzen, ist es notwendig, die Entwicklung plastischer Deformationen zu verfolgen und bei der Beurteilung des Grenzzustandes der Tragfähigkeit als Kriterium mit heranzuziehen. Im vorliegenden Beitrag werden mathematische Modelle für folgende Berechnungsaufgaben vorgestellt: Ermittlung der Schnittgrößen und Formänderungen in ebenen Stabtragwerken nach Theorie II. Ordnung unter Berücksichtigung der physikalischen Nichtlinearität und Ermittlung von Grenzlasten, die durch Spannungs- und Verformungskriterien definiert sind. Dabei zeigt sich, daß mathematische Modelle auf der Grundlage von Extremalprinzipien und unter Einbeziehung der mathematischen Optimierung effektiv und hinreichend universell formuliert werden können. Wie Beispielrechnungen zeigen, ist die Beurteilung der Tragfähigkeit unter Berücksichtigung von Deformationsbegrenzungen von entscheidender Bedeutung, um Fehleinschätzungen der Tragsicherheit zu vermeiden.
Moderne Bemessungskonzepte für seismisch beanspruchte Hochbauten, wie die Methode der Kapazitäts-bemessung, planen inelastisches Verhalten einzelner Bereiche der Konstruktion beim Entwurf bewußt ein, um so einen Teil der durch das Beben eingetragenen Energie als inelastische Formänderungsarbeit zu absorbieren. Wird bei Akzeptanz inelastischen Verhaltens eine bestimmte Belastungsintensität, die als adaptive Grenzlast oder Einspiellast bezeichnet wird, überschritten, kann es infolge zyklischer Einwirkungen zu einer unbe-grenzten Akkumulation inelastischer Deformationen kommen. Die adaptive Grenzlast stellt damit für zyklische Einwirkungen eine geeignete Kenngröße zur Bewertung der Tragwerksqualität dar, bei der neben der Sicherung des Gleichgewichts ein bestimmtes Schädigungsniveau nicht überschritten wird. Im vorliegenden Beitrag werden die Grundzüge eines Bemessungs- und Nachweiskonzeptes für seismisch beanspruchte Stahlbetontragwerke, das unter Einbeziehung der Grundprinzipe der Kapazitätsbemessung von einem einheitlichen Kriterium zur Beschreibung des Grenzzustandes der Tragfähigkeit auf der Basis der adaptive Grenzlast ausgeht, vorgestellt. Dabei ist die Abschätzung der Verformungen notwendiger Bestandteil des Nachweis- bzw. Bemessungskonzeptes. Bei Druckgliedern ist die Berücksichtigung des Einflusses der Verformungen notwendiger Bestandteil des Bemessungskonzeptes. Entsprechende Erweiterungen der Berechnungsmodelle zur Berücksichtigung des Einflusses geometrisch nichtlinearer Effekte im Sinne einer Theorie II. Ordnung werden vorgestellt.
Bei der Berechnung von Stahlbeton- bzw. Spannbetonkonstruktionen müssen die Zusatzverformungen infolge Kriechen und Schwinden des Betons unter anderem dann berücksichtigt werden, wenn durch sie der Schnittgrößenzustand des Gesamttragwerks bzw. einzelner Tragwerksteile ungünstig verändert wird. Das trifft vor allem auf schlanke Druckglieder zu. Die Ermittlung der Kriechausmitte erfolgt im allgemeinen unter Zugrundelegung einer Kriechzahl, die vom Beanspruchungsniveau des Betons unabhängig ist. Diese Annahme ist unzulässig, wenn die Betonspannungen oberhalb des Gebrauchslastniveaus (>30..50% der Druckfestigkeit) liegen, da in diesem Bereich die Kriechdehnungen überproportional zu den kriecherzeugenden Spannungen anwachsen (nichtlineares Kriechen). Theoretische Untersuchungen zum Tragverhalten hochbeanspruchter Stahlbetonstützen unter Berücksichtigung des nichtlinearen Kriechens sind aufgrund der Komplexität des Problems und dem damit verbundenen Berechnungsaufwand gegenwärtig in nur geringem Umfang vorhanden. Im vorliegenden Beitrag wird ein Algorithmus vorgestellt, bei dem die Ermittlung der Schnittgrößen und Deformationen auf die sukzessive Lösung quadratischer Optimierungsaufgaben für im voraus festgelegte Betrachtungszeitpunkte zurückgeführt wird, wobei die Ergebnisse der vorangegangenen Zeitpunkte Eingangswerte für die Berechnung darstellen. Die Berücksichtigung der Nichtlinearität des Kriechens unter hoher Spannung sowie geometrisch nichtlinearer Effekte erfolgt iterativ innerhalb jedes Betrachtungszeitpunkts. Mit der Einführung von Spannungsbegrenzungen als zusätzliche Nebenbedingungen können in jeder Iteration Materialplastizierungen, Rißbildungen des Betons bzw. >tension stiffening<-Effekte ohne prinzipielle Veränderung des mathematischen Modells berücksichtigt werden. Durch Nachrechnung von Langzeitversuchen an Stahlbetonstützen erfolgt die Verifikation des Berechnungsmodells
Zur Berechnung der Böeneinwirkungen auf ein Brückenbauwerk wird ein stochastisches Modell vorgestellt. Die Windkraft aus der Böenbelastung wird dabei als systemunabhängige Luftkraft betrachtet welche in mathematischer Hinsicht dadurch gekennzeichnet ist, daß die aeroelastischen Bewegungsdifferentialgleichungen inhomogener Natur sind und der Bewegungsablauf den Charakter einer erzwungenen abklingenden Schwingung hat. Ausgehend von den nicht linearen partiellen Differentialgleichungen für Verschiebung und Torsion wird mittels der Galerkin Prozedur ein System von totalen Differentialgleichungen abgeleitet. Die äußeren Luftkräfte werden als gefilterter Poissonprozess von Dirac Impulsen dargestellt. Zur Berechnung der statistischen Momente des Differentialgleichungssystem wird die Itô'sche Differentialformel erweitert und in ein System von algebraischen nicht linearen Gleichungen transformiert. Diese dienen zur Berechnung des Momentenverlaufs für den stationären Anteil des stochastischen Prozesses. Der Abschluß des so erhaltenen nicht linearen Gleichungssystems erfolgt über die Methode der Kumulantenabschlußtechnik.
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.
The paper describes a development of the analytical finite strip method (FSM) in displacements for linear elastic static analysis of simply supported at their transverse ends complex orthotropic prismatic shell structures with arbitrary open or closed deformable contour of the cross-section under general external loads. A number of bridge top structures, some roof structures and others are related to the studied class. By longitudinal sections the prismatic thin-walled structure is discretized to a limited number of plane straight strips which are connected continuously at their longitudinal ends to linear joints. As basic unknowns are assumed the three displacements of points from the joint lines and the rotation to these lines. In longitudinal direction of the strips the unknown quantities and external loads are presented by single Fourier series. In transverse direction of each strips the unknown values are expressed by hyperbolic functions presenting an exact solution of the corresponding differential equations of the plane straight strip. The basic equations and relations for the membrane state, for the bending state and for the total state of the finite strip are obtained. The rigidity matrix of the strip in the local and global co-ordinate systems is derived. The basic relations of the structure are given and the general stages of the analytical FSM are traced. For long structures FSM is more efficient than the classic finite element method (FEM), since the problem dimension is reduced by one and the number of unknowns decreases. In comparison with the semi-analytical FSM, the analytical FSM leads to a practically precise solution, especially for wider strips, and provides compatibility of the displacements and internal forces along the longitudinal linear joints.
In the superelliptic shell joined to a circular cylinder bending stresses are absent when it is subjected to uniform pressure.Some geometrical characteristics have been found. Expressions for determining stresses in the shell crest(in the singular point of plane type) are suggested. The problem of a theoretical critical buckling load of an elongated shell supported by frames is studied. A critical buckling load for two shells with different specifications was found experimentally.
Es wird gezeigt, daß zur Aufstellung eines korrekten Momentengleichgewichts nach Theorie zweiter Ordnung für Querkräfte die Hebelarme des unverformten Systems und für Normalkräfte Hebelarme des verformten Systems zu benutzen sind. Im Allgemeinen ist es aber nicht möglich, die Knotenverformungen eines Rahmens in relevante und nicht relevante Anteile zu zerlegen, so daß ein Momentengleichgewicht bei Berechnungen nach Theorie zweiter Ordnung im Allgemeinen nicht sinnvoll ist.
Aufgrund der steigenden quantitativen und qualitativen Anforderungen an den Bauplanungsprozeß wird in den letzten Jahren nach neuen Lösungsansätzen gesucht, mit deren Hilfe der Bauplanungsprozeß den gestiegenen Anforderungen angepaßt werden kann. Ein Lösungsansatz hierzu stellt die durchgängig computergestützte, dreidimensionale und zeitabhängige Modellierung und Verwaltung des Bauplanungsprozesses beginnend bei der Vorplanung bis hin zum Recycling des Bauobjektes am Ende seiner Lebensdauer dar. Der vorliegende Beitrag zeigt auf, daß gerade der zeitliche Verlauf innerhalb einer geotechnischen Aufgabenstellung einen nicht unerheblichen Einfluß auf die verwendeten Modelle bzw. die Durchführung von Sicherheitsnachweisen ausübt. Für die Entwicklung geotechnischer Softwaresysteme ergibt sich daraus schon innerhalb der Analysephase die Anforderung, die zeitkritischen Abhängigkeiten zu modellieren und entsprechend im Entwurf zu berücksichtigen. Hierfür hat sich die objektorientierte Methode in Form des Objektmodells und des dynamischen Modells nach Rumbaugh als ein geeignetes Werkzeug herausgestellt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse und Ergebnisse können bereits sehr früh in die Konzeption des Gesamtsystems mit einbezogen werden. Am Beispiel des Geotechnischen Informationssystems (GTIS) führte dies zu einer raum- und zeitabhängigen Verwaltung des Boden- und Konstruktionsmodells und zu einer Bauablaufsteuerung, innerhalb derer die einzelnen Bauzustände verwaltet und mit den entsprechenden Ausprägungen innerhalb des dreidimensionalen Boden- und Konstruktionsmodells verknüpft werden können.
Die Aufgaben des Bauingenieurwesens sind dadurch geprägt, daß sowohl die Planung als auch die Ausführung von Bauwerken häufigen Änderungen unterliegen. Beschreibt man das Verhalten der Bauwerke und den Bauprozeß im Computer mit Modellen, so ändern sich Umfang und Struktur der Modelle als Folge der Änderung in Planung und Ausführung. Diesen Vorgang nennt man Dynamisierung des Modells. Die Dynamisierung führt zu Veränderungen und Inkonsistenzen in den Modellen der Anwendungen. Die Aktualisierung und Abstimmung von Beziehungen innerhalb eines Modells sowie die Sicherung der Konsistenz der Modelle untereinander sind daher von zentraler Bedeutung für die Lösung von Bauingenieuraufgaben. Seit den letzten 10 Jahren wird die objektorientierte Methode in der Modellierung für Anwendungen im Bauingenieurwesen intensiv entwickelt und eingesetzt. Es hat sich gezeigt, daß die Anwendung dieser Methode in wichtigen Bereichen der Modellierung zu Verbesserungen führt. Gleichzeitig hat sich aber auch herausgestellt, daß die für das Bauingenieurwesen wichtigen Aspekte der Aktualisierung und der Konsistenz nicht zweckmäßig beschreibbar sind. In diesem Beitrag wird eine einfache Modelliermethode in ihrem Konzept und ihrer Realisierung gezeigt, mit der sich die Aktualisierung von Objekten und Modellen sowie die Sicherstellung der Konsistenz in Systemen des Bauingenieurwesens bearbeiten lassen.
Die technische Entwicklung, insbesondere auf dem Gebiet der Digitaltechnik eröffnet heute neue und sehr weitreichende Möglichkeiten für die Automatisierung in Zweck- und Wohnbauten. Die zur Verfügung stehenden technischen Komponenten (intelligente Sensoren und Aktoren sowie ein hausinternes Netz für die Datenübertragung -Feldbus-) unterscheiden sich für diese Einsatzfälle kaum. Die Zielstellungen sind jedoch gänzlich andere. Intelligenz im Wohnbau bedeutet vor allem intelligente Alltagsbewältigung (z.B. Zeiteinsparung), Komfort und Wohlbefinden. Daß im Heimbereich nichtfunktionale Faktoren (Human Interface, Ästhetik, Preis, Attraktivität) eine große Rolle spielen, ist in das Problembewußtsein der Gerätehersteller und Käufer getreten. Im Bereich der Heimautomatisierung werden zunehmend moderne, die Möglichkeiten der konventioellen Steuerungs- und Regelungstechnik ergänzende Technologien wie Fuzzy- Steuerungen zur Optimierung der internen Arbeitsweise von Geräten eingesetzt. Die informatorische Vernetzung im Wohnbau unterstützt darüberhinaus wichtige Anliegen des Gebäudemanagements (energetische, ergonomische und ökologische Betrachtungen der Gebäudenutzung unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten).
Bewertung der Grenzlast von elastisch-plastischen Tragwerken mit Hilfe stochastischer Methoden
(1997)
Für die Analyse von Tragwerken sowohl des Stahlbaus als auch des Massivbaus eröffnet die nationale und internationale Normengebung in zunehmendem Maße die Anwendung physikalisch nichtlinearer Berechnungsmodelle. Es ist zu erwarten, daß neben dem traditionellen elastischen Berechnungsmodell das linearelastisch-idealplastische Materialmodell in die Tragwerksanalyse Eingang finden wird. Während bei den traditionellen Berechnungsverfahren auf der Grundlage der Elastizitätstheorie hinreichende Erfahrungen durch die Planungspraxis bestehen und umfangreiche Untersuchungen zur dabei erreichten Sicherheit vorliegen, stellen die nichtlinearen Berechnungsmethoden sowohl in mechanischer als auch in sicherheitstheoretischer Hinsicht ein neues Erfahrungsfeld dar. Im vorliegenden Beitrag werden aus der Vielzahl der anstehenden Probleme folgende Teilprobleme behandelt: Bestimmung der Versagenswahrscheinlichkeit elasto-plastischer Tragsysteme nach dem Kriterium der plastischen Grenzlast Ermittlung stochastischer Eigenschaften des plastischen Grenzlastparameters elasto-plastischer Tragsysteme. Die Lösung des mechanischen Problems geschieht über eine lineare Optimierungsaufgabe, die nach dem statischen Theorem der plastischen Grenzlast formuliert ist. Als stochastische Methode wird die Simulation angewandt, die zum einen auf einer zufälligen Erzeugung der Realisierungen (stochastische Simulation) und zum anderen auf einer planmäßigen Erzeugung der Realisierungen (konstruktive Simulation) beruhen kann. Für jedes der Teilprobleme wird ein Beispiel vorgestellt.
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.
In dem vorliegenden Beitrag sind die Einsatzmöglichkeiten nichtlinearer Berechnungsverfahren aufgezeigt. Hierbei zeichnen sich mehrdimensionale Modelle auf Grundlage der Methode der Finiten Elemente durch die erzielbare Realitätsnähe aus. Für den Nachweis ausreichender Sicherheit in den Grenzzuständen der Trag- und Gebrauchstauglichkeit ist die Verbindung mit zuverlässigkeitstheoretischen Algorithmen dargestellt Hierbei wird die Grenzzustandsgleichung durch Ansatz eines als offene Schnittstelle konzipierten Algorithmus approximiert. Bei der Verknüpfung von nichtlinearen mechanischen Modellen und Zuverlässigkeitsanalysen wird das rechnerische Sicherheitsniveau wesentlich durch die statistischen Parameter der betrachteten Basisvariablen geprägt. Der Beitrag enthält Angaben für Verteilungsarten und -parameter für Nachweise im Stahlbetonbau