620 Ingenieurwissenschaften
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Identification of modal parameters of a space frame structure is a complex assignment due to a large number of degrees of freedom, close natural frequencies, and different vibrating mechanisms. Research has been carried out on the modal identification of rather simple truss structures. So far, less attention has been given to complex three-dimensional truss structures. This work develops a vibration-based methodology for determining modal information of three-dimensional space truss structures. The method uses a relatively complex space truss structure for its verification. Numerical modelling of the system gives modal information about the expected vibration behaviour. The identification process involves closely spaced modes that are characterised by local and global vibration mechanisms. To distinguish between local and global vibrations of the system, modal strain energies are used as an indicator. The experimental validation, which incorporated a modal analysis employing the stochastic subspace identification method, has confirmed that considering relatively high model orders is required to identify specific mode shapes. Especially in the case of the determination of local deformation modes of space truss members, higher model orders have to be taken into account than in the modal identification of most other types of structures.
The characteristic values of climatic actions in current structural design codes are based on a specified probability of exceedance during the design working life of a structure. These values are traditionally determined from the past observation data under a stationary climate assumption. However, this assumption becomes invalid in the context of climate change, where the frequency and intensity of climatic extremes varies with respect to time. This paper presents a methodology to calculate the non-stationary characteristic values using state of the art climate model projections. The non-stationary characteristic values are calculated in compliance with the requirements of structural design codes by forming quasi-stationary windows of the entire bias-corrected climate model data. Three approaches for the calculation of non-stationary characteristic values considering the design working life of a structure are compared and their consequences on exceedance probability are discussed.
As an optimization that starts from a randomly selected structure generally does not guarantee reasonable optimality, the use of a systemic approach, named the ground structure, is widely accepted in steel-made truss and frame structural design. However, in the case of reinforced concrete (RC) structural optimization, because of the orthogonal orientation of structural members, randomly chosen or architect-sketched framing is used. Such a one-time fixed layout trend, in addition to its lack of a systemic approach, does not necessarily guarantee optimality. In this study, an approach for generating a candidate ground structure to be used for cost or weight minimization of 3D RC building structures with included slabs is developed. A multiobjective function at the floor optimization stage and a single objective function at the frame optimization stage are considered. A particle swarm optimization (PSO) method is employed for selecting the optimal ground structure. This method enables generating a simple, yet potential, real-world representation of topologically preoptimized ground structure while both structural and main architectural requirements are considered. This is supported by a case study for different floor domain sizes.
We present a physics-informed deep learning model for the transient heat transfer analysis of three-dimensional functionally graded materials (FGMs) employing a Runge–Kutta discrete time scheme. Firstly, the governing equation, associated boundary conditions and the initial condition for transient heat transfer analysis of FGMs with exponential material variations are presented. Then, the deep collocation method with the Runge–Kutta integration scheme for transient analysis is introduced. The prior physics that helps to generalize the physics-informed deep learning model is introduced by constraining the temperature variable with discrete time schemes and initial/boundary conditions. Further the fitted activation functions suitable for dynamic analysis are presented. Finally, we validate our approach through several numerical examples on FGMs with irregular shapes and a variety of boundary conditions. From numerical experiments, the predicted results with PIDL demonstrate well agreement with analytical solutions and other numerical methods in predicting of both temperature and flux distributions and can be adaptive to transient analysis of FGMs with different shapes, which can be the promising surrogate model in transient dynamic analysis.
Nonlocal theories concern the interaction of objects, which are separated in space. Classical examples are Coulomb’s law or Newton’s law of universal gravitation. They had signficiant impact in physics and engineering. One classical application in mechanics is the failure of quasi-brittle materials. While local models lead to an ill-posed boundary value problem and associated mesh dependent results, nonlocal models guarantee the well-posedness and are furthermore relatively easy to implement into commercial computational software.
Die fortschreitende Digitalisierung lässt innovative bauprojekt- und unternehmensinterne Workflows sowie Organisationssysteme entstehen. In diesem Zusammenhang ist die digitale Fortentwicklung durch Building Information Modeling [BIM] als Veränderungsprozess zu definieren, der Organisationsstrukturen nachhaltig umformen wird. BIM ist die führende digitale Arbeitsmethodik im Bauwesen, die entwurfs-, ausführungs- und bauprojektbezogenen Belangen gerecht werden kann. Die deutsche Bauwirtschaft ist im Vergleich zu anderen Branchen jedoch als digital rückständig zu betrachten. Sie ist durch einen Markt gekennzeichnet, an dem kleine und mittelständische Unternehmen [KMU] in hoher Zahl vertreten sind. Aufgrund von Anwendungsunkenntnis der kleinen und mittelständischen Unternehmen fehlt der flächendeckende und durchgängige BIM-Einsatz in Projekten. Mit dem Fokus auf dem Bauprojekt als temporärer Organisation adressiert der vorliegende Forschungsschwerpunkt die Schaffung eines realistischen Abbilds erprobter BIM-Anwendungsfälle in Modellprojekten. Herausgearbeitet werden derzeit bestehende BIM-Herausforderungen für Erstanwender, die die durchgängige BIM-Anwendung in Deutschland bisher hemmen.
Die Forschungsarbeit fokussiert sich auf die Evaluation erfolgskritischer Faktoren [ekF] in BIM-Anwendungsfällen [AWF] im Rahmen einer qualitativen Inhaltsanalyse. Die digitale Transformation birgt strukturrelevante Veränderungsdeterminanten für Organisationen durch die BIM-Anwendung und außerdem Herausforderungen, die in der Anwendungsfallforschung betrachtet werden.
Die Zielstellung ist dreiteilig. Ein entwickeltes BIM-Strukturmodell erfasst die aktuelle Richtlinienarbeit sowie Standardisierung und stellt dadurch den Rahmen notwendiger BIM-Strukturen im Bauprojekt auf. Aus dem Strukturmodell ist ein Modell zur Prüfung von Anwendungsfallrisiken abgeleitet worden. Dieses wird auf gezielt recherchierte BIM-Modellprojekte in Deutschland angewendet, um aus den erfolgskritischen Faktoren der darin praktizierten BIM-Anwendungsfälle eine ekF-Risikomatrix abzuleiten. Daraus geht ein unterstützendes BIM-Anwendungsinstrument in Form von BPMN-Abläufen für KMU hervor. Resultierend aus der Verbindung des BIM-Strukturmodels und der Anwendungsfallanalyse wird in den einzelnen Ablaufübersichten eine Risikoverortung je Anwendungsfall kenntlich gemacht. Unternehmen ohne BIM-Anwendungsexpertise in Bauprojektorganisationen erhalten auf diese Weise einen instrumentellen und niederschwelligen Zugang zu BIM, um die kollaborativen und wirtschaftlichen Vorteile der digitalen Arbeitsmethodik nutzen zu können.
Modell bedarfsorientierter Leistungserbringung im FM auf Grundlage von Sensortechnologien und BIM
(2023)
Während der Digitalisierung im Bauwesen insbesondere im Bereich der Planungs- und Errichtungsphase von Bauwerken immer größere Aufmerksamkeit zuteilwird, ist das digitale Potenzial im Facility Management weit weniger ausgeschöpft, als dies möglich wäre. Vor dem Hintergrund, dass die Bewirtschaftung von Gebäuden jedoch einen wesentlichen Kostenanteil im Lebenszyklus darstellt, ist eine Fokussierung auf digitale Prozesse im Gebäudebetrieb erforderlich. Im Facility Management werden Dienstleistungen häufig verrichtungsorientiert, d. h. nach statischen Intervallen, oder bedarfsorientiert erbracht. Beide Arten der Leistungserbringung weisen Defizite auf, beispielweise weil Tätigkeiten auf Basis definierter Intervalle erbracht werden, ohne dass eine Notwendigkeit besteht oder weil bestehende Bedarfe mangels Möglichkeiten der Bedarfsermittlung nicht identifiziert werden. Speziell die Definition und Ermittlung eines Bedarfs zur Leistungserbringung ist häufig subjektiv geprägt. Auch sind Dienstleister oft nicht in frühen Phasen der Gebäudeplanung involviert und erhalten für ihre Dienstleistungen notwendige Daten und Informationen erst kurz vor Inbetriebnahme des zu betreibenden Gebäudes.
Aktuelle Ansätze des Building Information Modeling (BIM) und die zunehmende Verfügbarkeit von Sensortechnologien in Gebäuden bieten Chancen, die o. g. Defizite zu beheben.
In der vorliegenden Arbeit werden deshalb Datenmodelle und Methoden entwickelt, die mithilfe von BIM-basierten Datenbankstrukturen sowie Auswertungs- und Entscheidungsmethodiken Dienstleistungen der Gebäudebewirtschaftung objektiviert und automatisiert auslösen können. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf dem Facility Service der Reinigungs- und Pflegedienste des infrastrukturellen Facility Managements.
Eine umfangreiche Recherche etablierter Normen und Standards sowie öffentlich zugänglicher Leistungsausschreibungen bilden die Grundlage der Definition erforderlicher Informationen zur Leistungserbringung. Die identifizierten statischen Gebäude- und Prozessinformationen werden in einem relationalen Datenbankmodell strukturiert, das nach einer Darstellung von Messgrößen und der Beschreibung des Vorgehens zur Auswahl geeigneter Sensoren für die Erfassung von Bedarfen, um Sensorinformationen erweitert wird. Um Messwerte verschiedener und bereits in Gebäuden existenten Sensoren für die Leistungsauslösung verwenden zu können, erfolgt die Implementierung einer Normierungsmethodik in das Datenbankmodell. Auf diese Weise kann der Bedarf zur Leistungserbringung ausgehend von Grenzwerten ermitteln werden. Auch sind Verknüpfungsmethoden zur Kombination verschiedener Anwendungen in dem Datenbankmodell integriert. Zusätzlich zur direkten Auslösung erforderlicher Aktivitäten ermöglicht das entwickelte Modell eine opportune Auslösung von Leistungen, d. h. eine Leistungserbringung vor dem eigentlich bestehenden Bedarf. Auf diese Weise können tätigkeitsähnliche oder räumlich nah beieinander liegende Tätigkeiten sinnvoll vorzeitig erbracht werden, um für den Dienstleister eine Wegstreckeneinsparung zu ermöglichen. Die Arbeit beschreibt zudem die für die Auswertung, Entscheidungsfindung und Auftragsüberwachung benötigen Algorithmen.
Die Validierung des entwickelten Modells bedarfsorientierter Leistungserbringung erfolgt in einer relationalen Datenbank und zeigt simulativ für unterschiedliche Szenarien des Gebäudebetriebs, dass Bedarfsermittlungen auf Grundlage von Sensortechnologien erfolgen und Leistungen opportun ausgelöst, beauftragt und dokumentiert werden können.
The present article aims to provide an overview of the consequences of dynamic soil-structure interaction (SSI) on building structures and the available modelling techniques to resolve SSI problems. The role of SSI has been traditionally considered beneficial to the response of structures. However, contemporary studies and evidence from past earthquakes showed detrimental effects of SSI in certain conditions. An overview of the related investigations and findings is presented and discussed in this article. Additionally, the main approaches to evaluate seismic soil-structure interaction problems with the commonly used modelling techniques and computational methods are highlighted. The strength, limitations, and application cases of each model are also discussed and compared. Moreover, the role of SSI in various design codes and global guidelines is summarized. Finally, the advancements and recent findings on the SSI effects on the seismic response of buildings with different structural systems and foundation types are presented. In addition, with the aim of helping new researchers to improve previous findings, the research gaps and future research tendencies in the SSI field are pointed out.
Plastic structural analysis may be applied without any difficulty and with little effort for structural member verifications with regard to lateral torsional buckling of doubly symmetric rolled I sections. Suchlike analyses can be performed based on the plastic zone theory, specifically using finite beam elements with seven degrees of freedom and 2nd order theory considering material nonlinearity. The existing Eurocode enables these approaches and the coming-up generation will provide corresponding regulations in EN 1993-1-14. The investigations allow the determination of computationally accurate limit loads, which are determined in the present paper for selected structural systems with different sets of parameters, such as length, steel grade and cross section types. The results are compared to approximations gained by more sophisticated FEM analyses (commercial software Ansys Workbench applying solid elements) for reasons of verification/validation. In this course, differences in the results of the numerical models are addressed and discussed. In addition, results are compared to resistances obtained by common design regulations based on reduction factors χlt including regulations of EN 1993-1-1 (including German National Annex) as well as prEN 1993-1-1: 2020-08 (proposed new Eurocode generation). Concluding, correlations of results and their advantages as well as disadvantages are discussed.
Encapsulation-based self-healing concrete (SHC) is the most promising technique for providing a self-healing mechanism to concrete. This is due to its capacity to heal fractures effectively without human interventions, extending the operational life and lowering maintenance costs. The healing mechanism is created by embedding capsules containing the healing agent inside the concrete. The healing agent will be released once the capsules are fractured and the healing occurs in the vicinity of the damaged part. The healing efficiency of the SHC is still not clear and depends on several factors; in the case of microcapsules SHC the fracture of microcapsules is the most important aspect to release the healing agents and hence heal the cracks. This study contributes to verifying the healing efficiency of SHC and the fracture mechanism of the microcapsules. Extended finite element method (XFEM) is a flexible, and powerful discrete crack method that allows crack propagation without the requirement for re-meshing and has been shown high accuracy for modeling fracture in concrete. In this thesis, a computational fracture modeling approach of Encapsulation-based SHC is proposed based on the XFEM and cohesive surface technique (CS) to study the healing efficiency and the potential of fracture and debonding of the microcapsules or the solidified healing agents from the concrete matrix as well. The concrete matrix and a microcapsule shell both are modeled by the XFEM and combined together by CS. The effects of the healed-crack length, the interfacial fracture properties, and microcapsule size on the load carrying capability and fracture pattern of the SHC have been studied. The obtained results are compared to those obtained from the zero thickness cohesive element approach to demonstrate the significant accuracy and the validity of the proposed simulation. The present fracture simulation is developed to study the influence of the capsular clustering on the fracture mechanism by varying the contact surface area of the CS between the microcapsule shell and the concrete matrix. The proposed fracture simulation is expanded to 3D simulations to validate the 2D computational simulations and to estimate the accuracy difference ratio between 2D and 3D simulations. In addition, a proposed design method is developed to design the size of the microcapsules consideration of a sufficient volume of healing agent to heal the expected crack width. This method is based on the configuration of the unit cell (UC), Representative Volume Element (RVE), Periodic Boundary Conditions (PBC), and associated them to the volume fraction (Vf) and the crack width as variables. The proposed microcapsule design is verified through computational fracture simulations.