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In this paper a meshless component is presented, which internally uses the common meshless interpolation technique >Moving Least Squares<. In contrast to usual meshless integration schemes like the cell quadrature and the nodal integration in this study integration zones with triangular geometry spanned by three nodes are used for 2D analysis. The boundary of the structure is defined by boundary nodes, which are similar to finite element nodes. By using the neighborhood relations of the integration zones an efficient search algorithm to detected the nodes in the influence of the integration points was developed. The components are directly coupled with finite elements by using a penalty method. An widely accepted model to describe the fracture behavior of concrete is the >Fictitious Crack Model< which is applied in this study, which differentiates between micro cracks and macro cracks, with and without force transmission over the crack surface, respectively. In this study the crack surface is discretized by node pairs in form of a polygon, which is part of the boundary. To apply the >Fictitious Crack Model< finite interface elements are included between the crack surface nodes. The determination of the maximum principal strain at the crack tip is done by introducing an influence area around the singularity. On a practical example it is shown that the included elements improve the model by the transmission of the surface forces during monotonic loading and by the representation of the contact forces of closed cracks during reverse loading.
Plausibilität im Planungsprozess - Digitale Planungshilfen für die Bebaubarkeit von Grundstücken
(2003)
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< werden Konzepte und Prototypen für eine fachlich orientierte Planungsunterstützung entwickelt. Die Vielfalt der unterschiedlichen Faktoren, die Einfluss auf den Planungsprozess nehmen können, sowie deren Abhängigkeiten voneinander werden von heutigen Planungssystemen in nur unzureichender Weise aufbereitet und verwaltet. Diese Faktoren bedingen Planungstools, deren Aufgabe die Beschaffung, Verarbeitung, Integration und Verwaltung von Informationen sowie die Veranschaulichung der komplexen Informationszusammenhänge ist. Die Entwicklung solcher Systeme ist technisch möglich. Die Schwierigkeit liegt in der Beschaffung und Strukturierung der für den Planungsprozess relevanten Informationen sowie in ihrer Aufbereitung und Integration in eine digitale Planungsumgebung. Das Bestreben des Forschungsprojektes ist es, Grundlagen für digitale Werkzeuge zu entwickeln die zu plausiblen Lösungen im Planungsprozess und somit zu erhöhter Planungssicherheit für die am Bau beteiligten Auftragnehmer und Auftraggeber führen. Es wird angestrebt Programm-Module zu entwickeln, die den Planer bei der Ermittlung von Lösungswegen zu einer Fachfrage inhaltlich unterstützen und die Nachvollziehbarkeit und Richtigkeit einer Planungsentscheidung gewährleisten und plausibel darlegen. Mit Hilfe der Module sollen Entscheidungsfindungen katalysiert werden. Die Bauvorhaben der Zukunft werden zu einem großen Teil im Bestand liegen. Dieses Faktum erfordert planerische Maßnahmen, für die vollends Werkzeuge und Hilfsmittel fehlen, die zu plausiblen und sicheren Planungsentscheidungen führen. Die Entwicklung solcher Hilfsmittel ist Ziel dieser Forschung. Der Beitrag stellt prototypische Software-Module vor, die sich mit der Problematik der potenziellen Bebaubarkeit einer Grundstücksfläche auseinander setzen. Die Module verarbeiten Regeln, die den einschlägigen Normen und Verordnungen entnommen sind, die bei der Erarbeitung einer Planungslösung eingehalten werden müssen.
The failure mechanisms of textile reinforced concrete (TRC), which is a composite of bundles of long fibers and fine concrete, are complex. Most important for the ductility is the successive debonding of the fibers from the surrounding matrix when the brittle matrix is cracking. Therefore, one of the main issues is the simulation of the bond behavior between the reinforcement and the matrix. By introducing a hierarchical material model for TRC the mechanical behavior is simulated by means of representative volume elements modelled on the meso scale. Finite element analysis is used to determine the effective properties of TRC within a periodic homogenization framework. Further, a multiscale finite element technique is suggested, where constitutive equation are formulated only on the meso level.
Bei der Gründung von schweren Bauwerken (z.B. Hochhäusern auf Gründungsplatten und pfählen) wird der Lastabtrag in den Baugrund durch eine starke Interaktion zwischen Bauwerk und Baugrund bestimmt. Der Baugrund kann phänomenologisch als Mehrphasenkontinuum beschrieben werden, bei dem die Phasen Feststoff, Flüssigkeit und Gas in mechanische Wechselwirkung treten. Die Wechselwirkung zwischen der Deformation des Feststoffes und der Strömung des Porenwassers spielt unter der Lasteinwirkung des Bauwerks und unter dynamischer Erregung eine zentrale Rolle. Bei komplexen Gründungsverhältnissen können die Deformations- und Spannungszustände realitätsnah nur durch dreidimensionale Modelle erfasst werden. Je nach Baufortschritt stellen sich die Probleme dabei unterschiedlich dar. Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit der für die mit der Simulation mit der Methode der finiten Elemente notwendigen Modellierung und der rechnergestützten Netzgenerierung für die Baugrund-Tragwerk-Strukturen. Bei komplexen dreidimensionalen Gründungskonstruktionen ist eine solche rechnergestützte Diskretisierung mit finiten Elementen zweckmäßig, die das geotechnische System und dessen Randbedingungen und Lasten umfassend beschreiben und verwalten kann. Dafür werden geeignete Software-Werkzeuge vorgestellt, mit denen sich dreidimensionale, zeitabhängige Systeme modellieren und diskretisieren lassen. Die Kontaktproblematik zwischen Baugrund und Tragwerk und die Besonderheiten des Mehrphasenkontinuums stellen besondere Ansprüche an die Diskretisierung. Zudem werden Methoden vorgestellt, die das akkumulierte Gründungsmodell, das sich über den Bauablauf ergibt, verwalten und die verschiedenen Bauzustände in einem dynamischen Modell bereitstellen.
Ein simultanes Lösungsverfahren für Fluid-Struktur-Wechselwirkungen aus dem Bereich des Bauingenieurwesens wird vorgestellt. Die Modellierung der Tragwerksdynamik erfolgt mit der geometrisch nichtlinearen Elastizitätstheorie in total Lagrangescher Formulierung. Die Strömung wird mit den inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben. Wenn Turbulenzeffekte massgeblich sind, kommen die Reynolds-Gleichungen in Verbindung mit dem k-omega-Turbulenzmodell von Wilcox zum Einsatz. Zur Beschreibung von komplexen freien Oberflächen wird die Level-Set-Methode eingesetzt. Die einheitliche Diskretisierung von Fluid und Struktur mit der Raum-Zeit-Finite-Element-Methode führt zu einem konsistenten Berechnungsmodell für das gekoppelte System. Da die isoparametrischen Raum-Zeit-Elemente ihre Geometrie in Zeitrichtung ändern können, erlaubt die Methode eine natürliche Beschreibung des infolge der Strukturbewegung zeitveränderlichen Strömungsgebiets. Die gewichtete Integralformulierung der Kopplungsbedingungen mit globalen Freiwerten für die Interface-Spannungen sichert eine konservative Kopplung von Fluid und Struktur. Ausgewählte Anwendungsbeispiele zeigen die Leistungsfähigkeit der entwickelten Methodik und belegen die guten Konvergenzeigenschaften des simultanen Lösungsverfahrens.
Prädiktive Wärmeflussregelung solaroptimierter Wohngebäude - Thermische Simulation komplexer Gebäude
(2003)
Moderne Wohngebäude heute, besonders aber die der Zukunft, werden sich zu einem großen Teil selbst mit Wärme versorgen. Hierbei spielen Entwicklungen im Bereich der Fassadenkonstruktionen eine zentrale Rolle. Zum erhöhten solaren Wärmeeintrag kommen die Eigenschaften der Wärmespeicherung und verzögerten Wärmeabgabe hinzu. Aufgrund dieser Eigenschaften definiert sich das Gebäudeverhalten neu und komplexer. Im Rahmen der Entwicklungen von Wärmeflussregelungen in solarthermisch beheizten Wohngebäuden mit neuartigen Fassaden wird in diesem Beitrag auf die Modellentwicklung moderner Fassadenkonstruktionen hinsichtlich Transparenter Wärmedämmung und Phasenwechselmaterialien im Wandverbund, kombiniert mit der regelungstechnisch interessanten Neuentwicklung von Verschattungseinrichtungen über schaltbare Schichten am Fenster, eingegangen. Der Beitrag beschreibt den Entwurf eines Regelungskonzeptes für die thermische Raumklimaregelung. Diese Untersuchungen basieren auf komplexen Simulationsmodellen, wobei bei der Modellentwicklung der neuartigen Fassadenelemente auf reale Messwerte zurückgegriffen werden konnte.
Bei der Untersuchung hybrider Strukturen kann eine Kopplung von Modellen unterschiedlicher Modellebenen vorteilhaft sein. Durch selektive Kopplung von Tragwerks- und Querschnittsmodellen in ausgewählten Bereichen der Konstruktion kann z.B. eine Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit erzielt werden. Dadurch werden erweiterte Aussagen über das Querschnittstragverhalten in extrem beanspruchten Teilen des Tragwerks bei optionaler Skalierbarkeit des Modellumfangs möglich. Im Beitrag werden ausgewählte Varianten der Modellbildung gegenübergestellt und bewertet. Hierbei werden Aspekte der physikalischen Nichtlinearität von hybriden Konstruktionen insbesondere von Stahlbetonkonstruktionen berücksichtigt. Die Einbeziehung von Verfahren der mathematischen Optimierung in die Berechnungsstrategie ermöglicht die Lösung der zugrunde liegenden nichtlinearen Problemstellungen unter Vorgabe von Bemessungszielen und unter Beachtung von Grenzzustandsbedingungen.
Poland is not situated in any seismic region of the earth, however there are still areas were underground mining is being conducted. In these areas, so-called 'paraseismic tremors', are very frequent phenomena. In the situation when a building examination is realized in order to define its safety, it is necessary to make a complete analysis, in which an influence of tremors should be included. To decide if a building is able to carry out any dynamic loads or not, it is necessary to compute its dynamic characteristics, i.e. natural frequencies. It is not possible using any standard techniques. After diagnosis a building in situ by an expert, computer techniques together with specialized software for dynamic, static, and strength analyses become a suitable tool. In this paper a special attention was paid to a typical twelve-store WGP (Wroclaw Great Plate) prefabricated building, concerning special type of joints. During dynamic actions these joints have a decisive influence on building's behavior. Paraseismic tremors are especially dangerous for these buildings and can be the reason of pre-failure states. It can be difficult and very expensive to prepare laboratory investigations of the part of a building or of a separate joint; therefore the computer modeling suitable to investigate behavior of such elements and whole buildings under different kinds of loads was used.
The vibration control of complicated mechanical structures is impossible without proper mathematical models that allow to have a true apprehension of events occurring in structural member before the starting of the experiment and correct the diagnostic experiment in case of need. An approach that implies using of a discrete model reflecting all required features of a prototype system and permitting of an effective analytical and numerical investigation is proposed in the work. At first a discrete model of a bladed disk with flaw is considered. Taking into account the symmetry of the structure by utilization of mathematical tools of group presentation theory the number of degrees of freedom of the system is diminished. Small damage of the disk is regarded as perturbation of structure symmetry. The distinction of vibration characteristics such as natural frequencies and mode shapes of damaged and undamaged systems is determined theoretically with the help of perturbation theory and can be used as an effective diagnostic criterion of a small-scale damage of the structure. In the second part of the work a non-linear two-mass model of an acoustic emission in a damaged structure is proposed. On basis of the numerical integration of the nonlinear differential equations and expansion of the derived solution into a Fourier series free and forced vibrations of the model are investigated. It is shown that proposed model reflects all characteristic properties of vibrations of damaged structures: reduction of natural frequency, sub- and super-resonances, acoustic effects.
We present a model derived to describe tunnel fires. The model originates in a compressible description of the air in the tunnel. It takes into account the strong buoyancy forces and at the same time the small Mach-number of the airflow. We comment on the derivation, on analytical results and on numerical simulations of the model. The model has been validated using data from real tunnel fire experiments. It shows good agreement with the real situation.