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In this research work, an energy approach is employed for assessing quality in dynamic soil-structure interaction (SSI) models, and energy measures are introduced and investigated as general indicators of structural response. Dynamic SSI models with various abstraction levels are then investigated according to different coupling scenarios for soil and structure models. The hypothesis of increasing model uncertainty with decreasing complexity is investigated and a mathematical framework is provided for the treatment of model uncertainty. This framework is applied to a case study involving alternative models for incorporating dynamic SSI effects. In the evaluation process, energy measures are used within the framework of the \textit{adjustment factor} approach in order to quantitatively assess the uncertainty associated with SSI models. Two primary types of uncertainty are considered, namely the uncertainty in the model framework and the uncertainty in the model input parameters. Investigations on model framework uncertainty show that the more complex three-dimensional FE model has the best quality of the models investigated, whereas the Wolf SSI model produces the lowest model uncertainty of the simpler models. The fixed-base model produces the highest estimated uncertainty and accordingly the worst quality of all models investigated. These results confirm the hypothesis of increasing model uncertainty with decreasing complexity only when the assessment is based on the ratio of structural hysteretic energy to input energy as a response indicator.

System identification is often associated with the evaluation of damage for existing structures. Usually, dynamic test data are utilized to estimate the parameter values for a given structural model. This requires the solution of an inverse problem. Unfortunately, inverse problems in general are ill-conditioned, particularly with a large number of parameter to be determined. This means that the accuracy of the estimated parameter values is not sufficiently high in order to enable a damage identification. The goal of this study was to develop an experimental procedure which allows to identify the system parameters in substructures with high reliability. For this purpose, the method of selective sensitivity was employed to define special dynamic excitations, namely selectively sensitive excitation. Two different approaches have been introduced, which are the quasi-static approach and the iteratively experimental procedure. The former approach is appropriate for statically determinate structures and excitation frequencies below the structure's fundamental frequency. The latter method, which uses a-priori information about the parameters to be identified to set up an iterative experiment, can be applied to statically indeterminate structures. The viability of the proposed iterative procedure in detection of small changes of structure's stiffness was demonstrated by a simple laboratory experiment. The applicability of the strategy, however, depends largely on experimental capacity. It was also experienced that such a test is associate with expensive cost of equipments and time-consuming work.

Die Arbeit gliedert sich in einen Textteil und einen Softwareteil. Die ersten Kapitel des Textteils zeigen den theoretischen Hintergrund der Messtechnik und der verwendeten Programmiersprache LabVIEW. Danach schließt sich eine Erläuterung des in LabVIEW erstellten Programmsystems an. Im siebten Kapitel wird auf die durchgeführten Kalibrierungsmessungen eingegangen. Das achte Kapitel gibt eine kurze Zusammenfassung der gewonnenen Erfahrungen. Im Anhang finden sich zwei Beispielprotokolle der Aufnehmerkalibrierung, erstellt mit dem LabVIEW-Programmsystem sowie das Blockdiagramm des Aufnehmerkorrektur-VIs. Das eigentliche Softwaresystem steht inklusive aller Hilfsprogramme als LabVIEW-Projekt, ausführbare Exe-Datei und als Setup-Version auf der beilegten CD zur Verfügung. Für die Ausführung wird die LabVIEW-Runtime 8.0.1 benötigt. Der Datenträger enthält außerdem die vorliegende Arbeit im PDF und Latex-Format, Protokolle der Aufnehmerkalibrierungen die Messprogramm-Hilfe und die benötigten Steuerdateien für Aufnehmer und Messprogramm.

Die Finite-Elemente-Methode entwickelte sich in den letzten beiden Jahrzehnten zu einem wichtigen und mächtigen Werkzeug für Berechnungen im Ingenieurwesen. Waren zu Beginn dieser Entwicklung nur kleine Probleme lösbar, sind mit der heutigen Rechentechnik Systeme mit vielen Tausend Freiheitsgraden berechenbar. Durch diese Entwicklung werden Berechnungen von sehr komplizierten Strukturen möglich. Besonders in der Automobilindustrie kann mit einem solchen Verfahren die Konstruktion von Strukturen verbessert und optimiert werden. Um gute Ergebnisse bei den Berechnungen erzielen zu können müssen Programme entwickelt werden, die entsprechende mathematische Methoden enthalten. Besonders im Maschinenbau, aber auch in anderen Ingenieurbereichen wie dem Bauwesen, werden häufig gekrümmte dünne Schalenstrukturen untersucht. Eine effiziente und logische Konsequenz daraus ist die Nutzung von Schalenelementen innerhalb der FE-Berechnungen. Wird nun noch Wert auf eine realitätsnahe Modellierung gelegt, dann lässt es sich oft nicht vermeiden von der im Bauwesen üblichen Theorie erster Ordnung in eine nichtlineare Berechnungstheorie zu wechseln. Hierfür sind Methoden notwendig, die es vermögen diese Theorie abzubilden. Sollen Schalenstrukturen mit großen Verschiebungen betrachtet werden, ist es notwendig, die linearen Elementformulierungen um die nichtlinearen Ansätze der Strukturmechanik zu erweitern. Die Grundlage dieser Formulierung stellt oft die Lagrange'sche Betrachtungsweise dar, die Berechnungen an Strukturen mit großen Verformungen zulässt. Die Inhalte dieser Formulierung werden in Abschnitt 1.5 dieser Arbeit betrachtet. Räumlich veränderlichen Strukturen, also solche mit großen Verformungen, sind im Allgemeinen mit großen Rotationen verknüpft. Diese Rotationen werden bei Volumenelementen durch die unterschiedliche Verschiebung zweier benachbarter Elementknoten realisiert. Bei der Formulierung von dünnen Schalenelementen wird hingegen die Struktur als gekrümmte Raumfläche betrachtet. Da in Dickenrichtung nur ein Elementknoten zur Verfügung steht, muss die Rotation über eine andere Formulierung in die Berechnung einfließen. Ansätze zu allgemeinen großen Rotationen werden im Kapitel 2 betrachtet und für den Einsatz in einer Elementformulierung vorbereitet. Für die beschriebenen Schalenstrukturen werden häufig vierknotige Elemente genutzt, da mit ihnen Strukturen in einfacher Weise abgebildet werden können. Ein weiterer Vorteil besteht in der sich ergebenden geringen Bandbreite der Elementmatrizen. Diese Elementgruppe besitzt jedoch bei der klassischen isoparametrischen Formulierung einen großen Nachteil, der in der Erzeugung von parasitären Steifigkeitsanteilen besteht. Um dieses Sperrverhalten, was auch als 'Locking' bekannt ist, zu minimieren wurden in der Vergangenheit verschiedene Ansätze entwickelt. Ein sehr effizienter Ansatz zur Minimierung des Transversalschublockings bei bilinearen Schalenelementen stellt das Verfahren der veränderten Verzerrungsverläufe auf Elementebene dar. Dieses Verfahren wird vielfach in der Literatur aufgegriffen und als 'Assumed-Natural-Strain'-Ansatz oder als 'Mixed Interpolation of Tensorial Components' bezeichnet. Dieses Verfahren wird im Abschnitt 1.6 vorgestellt. Das Programmsystem SLang ermöglicht eine Berechnung von Strukturen mittels der Finite-Elemente-Methode. Um mit diesem Programm auch nichtlineare Probleme an Schalentragwerken berechnen zu können, wird im Rahmen dieser Diplomarbeit ein vierknotiges nichtlineares Schalenelement implementiert, das die genannten Ansätze für große Verformungen und finite Rotationen enthält. Für die Vermeidung von Transversalschublocking wird ein ANS-Ansatz in die Formulierung integriert. Das Kapitel 3 beschreibt die Formulierung dieses SHELL4N-Elementes. Dort werden die Elementmatrizen und deren Aufbau ausführlich dargestellt. Einige numerische Berechnungsbeispiele mit diesem neuen Element werden zur Evaluierung im Kapitel 4 dieser Arbeit dargestellt.

The complex failure process of concrete structures can not be described in detail by standard engineering design formulas. The numerical analysis of crack development in concrete is essential for several problems. In the last decades a large number of research groups have dealt with this topic and several models and algorithms were developed. However, most of these methods show some difficulties and are limited to special cases. The goal of this study was to develop an automatic algorithm for the efficient simulation of multiple cracking in plain and reinforced concrete structures of medium size. For this purpose meshless methods were used to describe the growth of crack surfaces. Two meshless interpolation schemes were improved for a simple application. The cracking process of concrete has been modeled using a stable criterion for crack growth in combination with an improved cohesive crack model which can represent the failure process under combined crack opening and crack sliding very well. This crack growth algorithm was extended in order to represent the fluctuations of the concrete properties by enlarging the single-parameter random field concept for multiple correlated material parameters.