620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die Einführung von neuen Informations- und Kommunikationstechniken in Klein- und Mittelständische Unternehmen (hier: kleine und mittlere Planungsbüros im Bauwesen) ist mit speziellen Problemen behaftet. Erfahrungswerte liegen nur in größeren und zumeist fachfremden Firmen vor. Neben den eigentlichen Sicherheitsrisiken (Thematik Internet), Verständnisschwierigkeiten und daraus resultierenden Akzeptanzproblemen fehlt beim Einsatz dieser neuen Techniken die Verbindung zum Ablauf in projektbasiert arbeitenden Unternehmen. Der Begeisterung und Euphorie durch den Einsatz neuer Technik stehen Änderungen des eigenen Arbeitsstiles und ein anfänglicher Mehraufwand entgegen. Ein Schwerpunktthema der eigenen Forschungsarbeiten sind die Ermittlung und Validierung von Kriterien für die Einführung neuer IuK-Techniken speziell in kleineren und mittleren Planungsbüros. In einer fortschreitenden Reihe von Arbeiten am Fachbereich wurden und werden nacheinander die genannten Problematiken und Aspekte in Angriff genommen. Dabei werden neben der Kategorisierung von Anwendungsszenarien und Vorstellung der einzelnen, empfehlenswerten Techniken einzelne Konzepte am Fachbereich und in Zusammenarbeit mit Ingenieurbüros überprüft. Der Beitrag möchte in Ergänzung zu bereits gelaufenen Arbeiten als Empfehlung oder Leitfaden für Planungsbüros auf die Machbarkeit neuer Techniken und einige nötige Randbedingungen eingehen.
DETERMINATION OF THE DYNAMIC STRESS INTENSITY FACTOR USING ADVANCED ENERGY RELEASE EVALUATION
(2000)
In this study a simple effective procedure practically based upon the FEM for determination of the dynamic stress intensity factor (DSIF) depending on the input frequency and using an advanced strain energy release evaluation by the simultaneous release of a set of fictitious nodal spring links near the crack tip is developed and applied. The DSIF is expressed in terms of the released energy per unit crack length. The formulations of the linear fracture mechanics are accepted. This technique is theoretically based upon the eigenvalue problem for assessment of the spring stiffnesses and on the modal decomposition of the crack shape. The inertial effects are included into the released energy. A linear elastic material, time-dependent loading of sine type and steady state response of the structure are assumed. The procedure allows the opening, sliding and mixed modes of the structure fracture to be studied. This rational and powerful technique requires a mesh refinement near the crack tip. A numerical test example of a square notched steel plate under tension is given. Opening mode of fracture is studied only. The DSIF is calculated using a coarse mesh and a single node release for the released energy computation as well a fine mesh and simultaneous release of four links for more accurate values. The results are analyzed. Comparisons with the known exact results from a static loading are presented. Conclusions are derived. The values of the DSIF are significantly larger than the values of the corresponding static SIF. Significant peaks of the DSIF are observed near the natural frequences. This approach is general, practicable, reliable and versatile.
Petri-Netze und deren Erweiterungen stellen ein leistungsfähiges Instrument zur Model-lierung, Simulation und Animation von Systemen bzw. Prozessen dar. Mathematische Methoden die sowohl analytisch beschreibbar als auch graphisch darstellbar sind, wie z. B. Warteschlangenprobleme, Netzpläne, Suche optimaler Wege in Netzen bzw. Dynamische Optimierung, können mit Hilfe von Petri-Netzen modelliert werden. Werden Petri-Netze zur graphischen Darstellung gewählt, so können die Stellen (passive Knoten) mit Markenverweilzeiten sowie die Transitionen (aktive Knoten) mit Schaltzeiten belegt werden. Für die Zeiten sind deterministische bzw. stochastische Größen einsetzbar. Wird dem Gesamtnetz eine zentrale Uhr und den einzelnen zeitbehafteten Knoten jeweils eine lokale Uhr zugeordnet, so lassen sich die Prozeßabläufe mittels Animation sichtbar machen. Ein an der Professur Computergestützte Techniken entwickeltes Programmsystem dient zur Demonstration der einzelnen Probleme. In anschaulicher Weise kann damit das Ver-ständnis für die genannten Methoden sowie die mit ihrer Hilfe dargestellten Prozesse erleichtert werden.
Für planende Ingenieure und Architekten besteht seit jeher im Rekonstruktionsbereich die Aufgabe, vorhandene Gebäude in ihrer Geometrie und Struktur zu erfassen und daraus Rekonstruktionspläne und -technologien zu erarbeiten. Diese Erfassungsmaßnahmen sind sehr umfangreich und kostenintensiv. Ziel der hier vorzustellenden Ansatzes war es deshalb, ein kostengünstiges Verfahren zu entwickeln, das ein berührungsloses Aufmaß eben begrenzter Räume (polyedrischer Räume) mit einer den Erfordernissen entsprechenden Genauigkeit gewährleistet. Es werden im wesentlichen zwei Problemkreise behandelt. Der erste beinhaltet den Nachweis einer für die geplanten Anwendungen hinreichend genauen, maßstäblichen Rekonstruierbarkeit von ebenen Objekten (Wänden) aus monokularen Fotoaufnahmen. Anstelle des in der Photogrammetrie üblichen Weges über Kamerakalibrierung mittels exakt eingemessener Paßpunkte wurde ein Ansatz verfolgt, bei dem eine mittels Laserspotprojektoren auf dem Aufnahmeobjekt erzeugte parameterabhängige Maßfigur in Verbindung mit a priori bekannten Bildinhalten Grundlage für die maßstabsgerechte Rekonstruktion des Objektes ist. Der zweite Problemkreis behandelt die Zusammensetzung von eben begrenzten Räumen aus Einzelebenen (Wänden) die als Ergebnis des ersten Schrittes projektiv entzerrt, d.h. als orthogonale Draufsicht, allerdings verfahrensbedingt fehlerbehaftet vorliegen. Ziel ist hier, durch Nutzung von a-priori-Kenntnissen über die Raumstruktur mit Hilfe von Methoden der mathematischen Optimierung einen Genauigkeitsgewinn zu erzielen.
Im Vortrag wird der Frage nachgegangen, inwieweit zwischen den strukturellen Parametern Dispersion eines Verkehrsnetzes bzw. der Kennziffer der Unterentwicklung eines Verkehrsnetzes und den mittleren Fahrzeiten bzgl. unterschiedlicher Verkehrsbedarfsmatrizen ein Zusammenhang besteht. An Hand von 10 verschiedenen Ring-Radius-Strukturen für den MIV (Motorisierter Individual-Verkehr) und 3 verschiedenen Ring-Radius-Strukturen für den Busverkehr wird bei 5 unterschiedlichen O-D-Bedarfsmatrizen der Nachweiß eines solchen Zusammenhanges geführt. Die Ergebnisse erlauben es, auf Grund struktureller Analysen Aussagen über funktionelle Bewertungen des Verkehrsnetzes zu treffen. Da strukturelle Bewertungen mit wesentlich geringerem Aufwand an Input-Daten und an Rechenzeit als funktionelle Bewertungen bestimmbar sind, bringt dies deutliche Einsparungen in der Planungsphase von Verkehrsnetzen mit sich.
Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 524 “Konstruktionen und Werkstoffe für die Revitalisierung von Bauwerken“1 ist das primäre Anliegen des Teilprojektes D2 „Bauplanungsrelevantes digitales Gebäudeaufnahme- und Informationssystem“ die Entwicklung von Methoden und Techniken zur Aufnahme von Bestandsdaten vor Ort oder durch Auswertung vorhandener Dokumentationen und deren direkte Integration in ein Bauwerksmodell [11]. Das Vorhaben erarbeitet Grundlagen zu Aspekten der fachplanerischen Nutzung und der wissenschaftlichen Auswertungen arbeitsmethodischer Vorgehensweisen in der Bestandsaufnahme unter Einbeziehung softwaretechnischer Methoden. Dabei finden Sachverhalte der Strukturierung, die Herausarbeitung von Systematiken der wesentlichen Informations-/Datenmengen, die Ableitung von Methoden zur zerstörungsfreien Erfassung und die Darstellung planungsrelevanter Gebäudeinformationen in digitalen Systemen Berücksichtigung. In diesem Artikel werden ausgehend von Anforderungen der planungsrelevanten architektonischen Bauaufnahme eine Konzeption und die prototypische Realisierung zur flexiblen geometrischen Erfassung – dem Bauaufmaß – vorgestellt. Planungsrelevante Bauaufnahme Die Bauaufnahme dient der Modellbildung durch Erfassung und Wiedergabe eines real existenten Bauwerkes in seinem zum Zeitpunkt der Aufnahme angetroffenen Zustand. Die quasi vollständige Aufnahme ist aufgrund der großen zu ermittelnden Datenmengen und den hierdurch entstehenden Aufwendungen und Kosten nicht möglich [8]. Vielmehr muß eine Auswahl und Abstrahierung der aufzunehmenden Daten, ihrer Repräsentation und die Wahl ihrer Genauigkeit nach den Erfordernissen des jeweiligen Verwendungszweckes der Bauaufnahme erfolgen. So vielfältig die Erfordernisse einer Bauaufnahme ausfallen, so vielfältig sind auch die jeweiligen Forderungen und Auswahlen der aufzunehmenden Daten. In der überwiegenden Mehrheit aller Fälle ist auch die Wiedergabe der vorgefundenen geometrischen Ausprägung des Bauwerkes gewünscht oder erforderlich. Dabei werden unterschiedliche Genauigkeitsanforderungen an verschiedene Bereiche des Bauwerkes gestellt [9] [10]. So reicht vielleicht im Einzelfall eine skizzenhafte Wiedergabe des Umfeldes eines geplanten Ladenbereiches, während die umzunutzenden Bereiche in Ausführungsgenauigkeit zu erfassen sind. Die exakte geometrische Ausprägung eingebauter Bauelemente ist oft nur teilweise bekannt. In der Bauaufnahme muß ein enger Zusammenhang zwischen Geometrie und bauteilorientierter Konstruktion, sowie den verwendeten Ordnungssystemen bestehen. Um diesen Ansprüchen genüge zu tragen, werden entsprechende Aufnahmetechniken, rechnerinterne Abbildungen und Funktionalität zur Interaktion Nutzer - Modell gesucht.
Numerische Approximation makroskopischer Verkehrsmodelle mit der Methode der Finiten Elemente
(2000)
Makroskopische Verkehrsmodelle sind ein wesentliches Hilfsmittel bei der Beurteilung und Steuerung von Verkehrsflüssen auf Hauptverkehrsadern. Für die notwendige Beeinflussung des Verkehrsablaufs werden Online-Messungen und prognostische numerische Simulationen benötigt. Für die Simulationen bieten sich makroskopische Verkehrsmodelle an, die den Verkehr als kontinuierliche Fahrzeugströmeabbilden. Aufgrund der Analogie zu den Modellen der Strömungsmechanik lassen sich die numerischen Verfahren aus diesem Bereich auch zur Lösung makroskopischer Verkehrsmodelle verwenden. Es wird eine Finite-Elemente-Approximation für die numerische Umsetzung makroskopischer Verkehrsmodelle vorgestellt. Exemplarisch wird sie am Verkehrsmodell von Kerner und Konhäuser erläutert. Dieses und andere makroskopische Verkehrsmodelle wurden bisher mit der Methode der Finiten Differenzen gelöst. Die vorgestellte Approximation entspricht einem Petrov-Galerkin-Verfahren, bei dem der Fehler eines Standard-Galerkin-Verfahrens mit Hilfe eines Upwinding-Koeffizienten minimiert wird. Die Wahl des Upwinding-Koeffizienten ist übertragbar und basiert ausschließlich auf dem Charakter der zugrundeliegenden Gleichungen. Die Ergebnisse zeigen typische Phänomene eines Verkehrsablaufs wie die Entstehung von Stop-and-Go-Wellen oder Staus. Die Finite-Elemente-Methode erweist sich für unter-schiedlichste Verkehrsmodelle als ausgesprochen stabil.
Das Ziel der Arbeit besteht in der Entwicklung eines Bemessungskonzeptes auf der Basis nichtlinearer Schnittgrößen für statisch und dynamisch beanspruchte Stahlbetontragwer-ke. Das Konzept geht dabei von einheitlichen Kriterien zur Analyse der Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit auf der Grundlage deformationsbasierter Grenzzustandsbetrach-tungen aus. Der deformationsbasierte Grenzzustand ist dadurch charakterisiert, daß ne-ben der statischen und kinematischen Zulässigkeit eines Tragwerkszustandes auch die Einhaltung von definierten Verzerrungs- bzw. Verformungsgrenzwerten gewährleistet ist. Aus Betrachtungen im Kontinuum werden diskrete Modelle zur Lösung von physikalisch und geometrisch nichtlinearen Grenzwiderstandsaufgaben mit und ohne Berücksichtigung von Lastfolgeeffekten abgeleitet. Die numerische Untersetzung basiert auf Methoden der nichtlinearen Optimierung. Auf der Grundlage dieser Berechnungsmodelle wird eine Be-messungskonzeption entwickelt.
Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Ausbruchverhaltens von unbewehrten Porenbetonplatten bei konzentrierter Lasteintragung in Randnähe. In der Praxis tritt diese Problematik bei Befestigungen oder Verankerungen auf, die eine punktuelle Beanspruchung bewirken. Hauptziel der durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen war das Erkennen von Gesetzmäßigkeiten für Versagenserscheinungen und für Bruchlasten in Abhängigkeit von variierenden Geometrie- und Materialparametern. Dabei waren Größe und Lage der Lasteinleitungsstelle sowie die Materialfestigkeit die wichtigsten Einflussfaktoren. Von besonderem Interesse war auch das spröde Verhalten des Porenbetonmaterials auf das Ausbruchverhalten. Die Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile: die Experimente mit anschließend weiterführenden numerischen Untersuchungen, sowie Bemessungskonzepten mit Ausbruchgleichungen. Ein weiteres Kapitel behandelt die Zugfestigkeit von Porenbeton. Die Experimente wurde an für Wand- oder Deckenplatten originaldicken Versuchskörpern durchgeführt. Dabei waren die Lagerbedingungen so festgelegt, dass sich möglichst ein ungestörter Ausbruchkörper ausbilden konnte. Numerische Spannungsuntersuchungen über eine räumliche Idealisierung der Versuchskörper mit dem Finite- Element- Programmsystem ANSYS gaben Aufschlüsse über Ort und Größe von bruchverursachenden Spannungen. Des weiteren wurden über die Versuchsergebnisse hinaus Berechnungen über den Einfluss von Variationen bei der Plattengeometrie durchgeführt. Es wurden Betrachtungen über die Zugfestigkeit als einen maßgebenden Faktor für das Ausbruchverhalten geführt. Numerische Risssimulationen gaben Aufschluss über den Spannungszustand und den Ablauf der Rissentwicklung.