620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Dieser Beitrag zeigt einen Ansatz, verschiedene numerische Simulationsaufgaben auf ein gemeinsames und durchgängig dreidimensionales Geometriemodell zu gründen. Hinsichtlich der physikalischen Modelle reicht die Bandbreite der hier vorgestellten Anwendungen von einer ganzheitlichen Betrachtung der Gebäudestruktur in der Strukturmechanik über die raumbezogene, hochauflösende Modellierung konvektiver Raumluftströmungen bis hin zur Simulation des thermischen Verhaltens eines ganzen Gebäudes. Das jeweils zugrunde liegende numerische Verfahren setzt dabei auf einem stets gleichen Zwischenmodell der realen Geometrie der Struktur auf, ohne dabei vereinfachende dimensionsreduzierte Modelle anzuwenden. Nachfolgende Werkzeuge werden derzeit im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte an dieses Geometriemodell angeschlossen: Die p-Version der FEM für die Strukturanalyse, ein sog. Mehrzonenmodell für die thermische Gebäudesimulation sowie ein auf dem sog. hybriden thermischen Gitter-Boltzmann-Verfahren (hTLBE) basierender Strömungssimulationscode. Der Import geometrischer wie semantischer Daten eines Bauwerks in das Simulations-Framework erfolgt nach dem Produktmodell der Industry Foundation Classes (IFC), das sich als Quasi-Standard für den Datenaustausch im Bauwesen etabliert hat. Das IFC-Schema dient dabei nicht als Modell zur internen Speicherung von Daten, sondern wird hier als Schnittstelle zur Anbindung unterschiedlicher Programme wie CAD-Anwendungen für Architekten oder anderen Modellierungstools verwendet. Die Implementierung dieser Schnittstelle erfolgt unter Verwendung einer sog. Toolbox, die das Objektschema der IFC auf ein Klassenmodell einer objektorientierten Programmiersprache abbildet und Werkzeuge für den effizienten Objektzugriff zur Verfügung stellt. Damit werden Grenzen zwischen spezialisierten Softwarepaketen, die maßgeschneidert auf spezielle Erfordernisse ausgerichtet sind, aufgebrochen und der Datenaustausch über die Anwendungsgrenzen hinaus unterstützt. Dies ist eine Konsequenz aus einer dem Wunsch nach vernetzt-kooperativen Planung von Bauwerken....
Im Stahlbeton- und Spannbetonbau kommen in zunehmendem Maße Verbundkonstruktionen aus Betonfertigteilen und Ortbetonergänzungen zum Einsatz. Die Fertigteile werden je nach Spannweite, Belastung und speziellen Anforderungen mit schlaffer oder vorgespannter Be-wehrung ausgeführt. Aufgrund der im Allgemeinen unterschiedlichen Betone der einzelnen Querschnittsanteile sowie bedingt durch den zeitlichen Versatz in der Herstellung der Fertig-teile und der Ortbetonergänzungen ergeben sich Unterschiede im Langzeitverhalten, die bei der Bemessung und Nachweisführung zu berücksichtigen sind. Das Kriechen und Schwinden der Betone als Folge des zeitabhängigen Materialverhaltens und die Spezifik des Verbund-querschnitts können für die Gebrauchstauglichkeit relevant sein, insbesondere wenn die Fer-tigteile vorgespannt sind. Eine hinreichend wirklichkeitsnahe Beschreibung des Langzeitverhaltens von Beton gestattet die Theorie des elastisch-kriechenden Körpers, wobei sich im Allgemeinen keine geschlosse-ne Lösung für bewehrte Betonverbundquerschnitte angeben lässt. Eine Alternative hierzu ergibt sich, wenn für die einzelnen Kriechintervalle ein vereinfachter Ansatz für den Verlauf der Kriechfunktion entsprechend der Theorie des Alterns getroffen wird. Dabei werden die im Zeitintervall (tj-1,tj) umgelagerten Schnittgrößen als neue Belastung der einzelnen Querschnittsanteile im Zeitintervall (tj,tj+1) mit der Kriech-funktion f(tj+1,tj) berücksichtigt. Bei hinreichend kleinen Zeitschritten können die Nachteile der getroffenen Vereinfachung vernachlässigt werden.
Variantenuntersuchung für eine dauerhafte Bahndammsanierung unter zu Hilfenahme numerischer Methoden
(2004)
Das Ziel der Arbeit war es, die Standsicherheit eines Bahndammes im Vergleich der in Deutschland gültigen Vorschriften (DIN 1054 und Eurocode 7) zu untersuchen. Sollte sich dabei herausstellen, dass der Bahndamm in der gegebenen Situation die Standsicherheitsanforderungen nicht erfüllt sollten verschiedene Sanierungsvarianten vorgeschlagen und für eine Vorzugsvariante die wichtigsten Nachweise durchgeführt werden. Zunächst wurden die Allgemeinen Grundlagen der zur Zeit in Deutschland gültigen Vorschriften erläutert und anschließend auf das konkrete Projekt bezogen gegenübergestellt. Es stellte sich heraus, dass die Anforderungen an die Standsicherheit bei Berechnung nach beiden Vorschriften nicht erfüllt werden konnten. Somit war es notwendig für die gegebene Situation mögliche Sanierungsvorschläge zu entwickeln. Diese wurden anschließend kurz vorgestellt und erläutert. Schließlich wurden für die Vorzugsvariante die wichtigsten Nachweise im Vergleich der Vorschriften (DIN 1054 und Eurocode 7) durchgeführt und verglichen.
Physikalisch nichtlineare Analyse von Aussteifungssystemen unter Einbeziehung von Lastfolgeeffekten
(2003)
Die physikalisch nichtlineare Analyse von Stahlbetontragwerken unter Berücksichtigung des Einspielverhaltens (adaptives Tragverhalten) mit Methoden der mathematischen Optimierung ist seit Jahren Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten am Lehrstuhl Massivbau I der Bauhaus-Universität Weimar. Die dabei entwickelten Modelle und Algorithmen werden im folgenden Beitrag exemplarisch auf die Untersuchung von Aussteifungssystemen in Großtafelbauweise angewendet. Da bei diesen Gebäuden die aussteifende Konstruktion aus zusammengesetzten großformatigen Betonfertigteilen besteht, wird das Gesamttragverhalten maßgebend durch das Fugentragverhalten bestimmt. Die physikalische Nichtlinearität wird durch das Aufreißen der unbewehrten Horizontalfugen und den verschieblichen Verbund in den Vertikalfugen charakterisiert und entsprechend im Berechnungsmodell berücksichtigt. Beispielrechnungen belegen, dass für die beschriebenen Aussteifungssysteme signifikante Spannungsumlagerungen infolge des nichtlinearen Fugentragverhaltens auftreten. Weiterhin können Lastfolgeeffekte rechnerisch nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu seismisch beanspruchten Systemen, die in kürzester Zeit wiederholt extrem beansprucht werden, ist die Eintrittswahrscheinlichkeit bemessungsrelevanter Windlasten gering.
In this paper we consider modelling of composite material with inclusions where the elastic material properties of both matrix and inclusions are uncertain and vary within prescribed bounds. Such mechanical systems, involving interval uncertainties and modelled by finite element method, can be described by parameter dependent systems of linear interval equations and process variables depending on the system solution. A newly developed hybrid interval approach for solving parametric interval linear systems is applied to the considered model and the results are compared to other interval methods. The hybrid approach provides very sharp bounds for the process variables - element strains and stresses. The sources for overestimation when dealing with interval computations are demonstrated. Based on the element strains and stresses, we introduce a definition for the values of nodal strains and stresses by using a set-theoretic approach.
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< entstehen Konzepte und Prototypen für eine fachlich orientierte Planungsunterstützung. In dem Beitrag wird ein Konzept und prototypische Realisierung für die durchgängige Unterstützung des gesamten Bauaufnahmeprozesses für Altbausubstanz vorgestellt und diskutiert. Der Fokus liegt auf der frühe Phase in der Bauaufnahme als ein Baustein in einer gesamtheitlichen IT-gestützen Planungsumgebung eingegangen. Durch gezielte Aufnahme planungsrelevanter Parameter und Auswertung hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Wiederverwendbarkeit bzw. der Variantenüberprüfung von Nutungskonzepten, werden gerade in dieser Phase wesentliche Entscheidungen für eine kostengünstige Planung getroffen werden. In der Veröffentlichung wird der Fokus auf folgende Punkte gesetzt: - Strukturierung und Aufnahme der Informationen während der Erstbegehung - Skizzenhafte Abbildung als Basis für die Formulierung erster Entwurfsintensionen/ Variantenuntersuchungen - Navigations- und Informationsumgebung - gezielte Auswertungsmöglichkeiten (bspw. Wirtschaftlichkeitsberechnung, Wiederverwendung von Bauteilen, Kalkulation von Abrissmengen)
Most of the existing seismic resistant design codes are based on the response spectrum theory. The influence of inelastic deformations can be evaluated by considering inelastic type of resisting force and then the inelastic spectrum is considerably different from the elastic one. Also, the influence of stiffness degradation and strength deterioration can be accounted for by including more precise models from material point of view. In some recent papers the corresponding changes in response spectra due to the P- Ä effect are discussed. The experience accumulated from the recent earthquakes indicates that structural pounding may considerably influence the response of structures and should be taken into account in design procedures. The most convenient way to do that is to predict the influence of the pounding on the response spectra for accelerations, velocities and displacements. Generally speaking the contact problems such as pounding are characterized by large extent of nonlinearity and slow convergence of the computational procedures. Thus obtaining spectra where the contact problem is accounted for seems very attractive from engineering point of view because could easy be implemented into the design procedures. However it is worth nothing that there is not rigorous mathematical proof that the original system can be decomposed into single equations related to single degree of freedom systems. It is the porpose of the paper to study the influence of the pounding on the response spectra and to evaluate the amplification due to the impact. For this purpose two adjacent SDOF systems are considered that are able to interact during the vibration process. This problem is solved versus the elastic stiffness ratio, which appears to be very important for such assemblage. The contact between masses is numerically simulated using opening gap elements as links. Comparisons between calculated response spectra and linear response spectra are made in order to derive analytical relationships to simply obtain the contribution of pounding. The results are graphically illustrated in response spectra format and the influence of the stiffness ratio is clarified.
Im Hinblick auf einen effizienten Austausch von Planungsinformationen bei mittleren und größeren Bauprojekten werden in den letzten Jahren vermehrt internetbasierte Projektkommunikationssysteme (PKS) eingesetzt, welche neben einer netzwerkweiten Bereitstellung von Dateien auch klassische Aufgaben des Planmanagements hinsichtlich der Bereitstellung von Dokumenten-Verteiler und der Abbildung der Planungshistorie übernehmen. Aufgrund von leicht zu nutzenden Mechanismen zur Bereitstellung von Planungsinformationen durch die Fachplaner und die zentrale Speicherung aller anfallenden Dokumente entstehen dabei leicht erhebliche Datenmengen, bei denen effiziente Verwaltungsmechanismen unabdingbar sind. Die lediglich auf Baumstrukturen basierenden Organisationsstrukturen, welche vor allem eine chronologische Sortierung erlauben, reichen deshalb bei weitem nicht aus. Weiterhin ist eine effiziente Gestaltung der Projektdurchführung mit diesem rein dokumentenbasierten Ansätzen allein nicht möglich, da zwischen den bereitgestellten Informationen nur unzureichend Verknüpfungen erstellt werden können. Fachliche Beziehungen somit nicht abgebildet werden können, so dass insbesondere bei durchgeführten Änderungen die zugrunde liegenden Planungsinformationen nicht konsistent gehalten und Auswirkungen von Planungsänderungen auf andere Gewerke nur schwer ermittelt werden können....
Der Versuch, alle vorhandenen Arten von Bauobjekten in einem Schema zu beschreiben, wird zu einem übermäßig großen Schema führen. Im internationalen Zentrum für Bauinformatik hat der Autor die Besonderheiten des Bauwesens formuliert und gefolgert, dass es genügt, in den Klassen topologische, geometrische und graphische Aspekte der Bauobjekte, sowie einige Hilfsbegriffe zu beschreiben. Ein Hauptziel bei der Entwicklung einer Sprache ist die Einfachheit des Schemas. Insgesamt werden etwa nur 50 Klassen für CAD-Systeme vorgeschlagen. In Modellen von Bauobjekten, die von CAD-Systemen erzeugt werden, betrifft der größte Anteil der Daten die geometrische Form der Elemente und ihre Raumlage. Zur Beschreibung der Bauobjekte werden nur 7 Hauptklassen verwendet: Entity, System, Clone, Context, Annotation, Figure und Process. Von besonderer Bedeutung ist die Klasse >Clone<. Sie erlaubt in kompakter Form die Beschreibung einer Menge ähnlicher Objekte, die sich in wenigen Parametern (zum Beispiel, der Lage im Raum) unterscheiden. Das vorgestellte Konzept führt zu einer starken Verringerung der Dateigröße und erleichtert das Erkennen der Objekte bei der Übergabe der Daten. Die Strukturdiagramme der Klassen wurden mit Hilfe der UML-Sprache erzeugt. Die Klassen sind auch im XML-Format beschreiben und können auf Homepage >http://www.mtu-net.ru/pavlov/bodXML< gelesen werden. Zur Prüfung der Anwendbarkeit des Schemas wurden Beispiele der Beschreibung verschiedener Bauobjekte entwickelt. Diese Beispiele sind auf o.g. Homepage angegeben
Das Aufwindkraftwerk ist eine thermo- hydrodynamische Maschine zur Elektroenergiegewinnung, bestehend aus einem Treibhaus, einem Kamin und einer oder mehreren Turbinen. In dieser Studie wurden numerische Ergebnisse zum thermischen Strömungsverhalten in einem Aufwindkraftwerk unter der Berücksichtigung der Teilmodelle Erdboden, Kollektor, Atmosphäre, Umlenkung, Kamin und Turbine erhaltenden. Hierzu wurden die stationären Grundgleichungen der Thermofluiddynamik auf strukturierten, körperangepassten und rotationssymmetrischen Gittern unter Beachtung aller Rand- und Kopplungsbedingungen numerisch mit dem finite Volumenverfahren gelöst. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Kalibrierung des Modells im Ruhezustand, auf die numerische Simulation, auf den Einfluss der Strahlung, auf die Betrachtung der Turbine, auf das Dichtemodell sowie auf den turbulenten Strömungszustand gelegt. Die erhaltenen Ergebnisse werden durch Approximationen 2. Ordnung, Gitterunabhängigkeit und durch einen sehr geringen Abbruchfehler charakterisiert. Für 4 verschiedene Einstrahlungen wurden die Verläufe von Temperatur und Geschwindigkeit im Aufwindkraftwerk erhalten. Zusätzlich sind für Vergleichszwecke der Massenstrom, der Temperaturhub, die Leistung an der Turbine und der Wirkungsgrad der Anlage bestimmt wurden. Aufbauend auf den Berechnungen in dieser Arbeit und den numerischen und analytischen Berechnungen in [1] können nun erweiterte Parameterstudien und instationäre Simulationen zum Aufwindkraftwerk durchgeführt werden.