Volumenorientierte Modellierung als Grundlage einer vernetzt-kooperativen Planung im konstruktiven Ingenieurbau
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Transferprojekt stellt die vierte, praxisorientierte Projektphase des Projekts Volumenorientierte Modellierung als Grundlage einer vernetzt-kooperativen Planung im konstruktiven Ingenieurbau dar. Angestrebt wurde eine Umsetzung der in den ersten drei Phasen erarbeiteten Ergebnisse auf das Szenario ’Plötzlich veränderte Gegebenheiten beim Tunnelbau’. Von besonderer Bedeutung sind hierbei der aus den Vorgängerprojekten bereits vorhandene Softwarerahmen zur Verwaltung eines zentralen Datenmodells mit der Möglichkeit der Verknüpfung von Objekten und Bauphasen sowie die Software zur Berechnung kontinuumsmechanischer dreidimensionaler Problemstellungen. Als Grundlage für die strukturmechanische Simulation wurde die p-Version der Methode der Finiten Elemente verwendet. Die Berücksichtigung von Bauphasen, die sich beim Tunnelbau nahezu stetig als sich wiederkehrende Ausbruchs- und Ausbauphasen darstellen, sind für das gewählte Szenario von noch größerer Bedeutung als für die vorher betrachtete Prozesse im Hochbau. Als geeignet erwies sich dafür ein zyklisches Prozessmodell, das in jedem Zyklus ein neues Strukturmodell zu berücksichtigen hat. Dieses ist einerseits durch den Fortschritt der Tunnelkonstruktion, andererseits durch neue, unmittelbar beim Vortrieb gewonnene Erkenntnisse bzgl. der Bodenkennwerte gekennzeichnet. Hinsichtlich der multidisziplinären Zusammenarbeit am Prozessmodell und der gewünschten strukturmechanischen Analyse der Gesamtstruktur (Tunnel-Erdreich) stellten sich aufgrund der Berücksichtigung der einzelnen Bauphasen im Sinne einer 4DSimulation folgende Modellierungen als geeignet dar: • Für den schichtweisen Aushub des Erdreichs, für den bisher keinerlei Klassen im Produktdatenmodell definiert waren, wurden in Referenz zum Zeitpunkt des Aushubs analog zur bisherigen Vorgehensweise im zentralen Datenmodell Verknüpfungen zwischen Elementgruppen mit nun frei definierbarer Geometrie und Prozessen definiert. Dasselbe Prinzip gilt für die in unterschiedlichen Bauphasen hergestellte Tunnelwandung. Es wurde somit in Erweiterung zu vorherigen Annahmen zusätzlich zur hierarchischen eine zeitliche Gliederung des Bauvorhabens vorgenommen sowie der vorgegebene Softwarerahmen dementsprechend erweitert. • Für die materielle Beschreibung des umgebenden Erdreichs wurde aufgrund der Annahme der Möglichkeit einer geometrisch nicht klar definierten plötzlichen Veränderung gegenüber zuvor gemachten Prognosen eine nicht objektbezogene Darstellung gewählt. Dies bedeutet: 1. Der Boden wird nicht über eigene (Bauteil-)Klassen beschrieben, sondern existiert ausschließlich als Volumen im Rahmen eines FEModells, und 2. Der Schichtenverlauf wird unabhängig von diesem Volumenmodell über eine Voxel-Datenstruktur beschrieben. Diese Darstellung erwies sich durch die bisher nur marginal vorhandenen Standardisierungsansätze im Tunnelbau als notwendig. Sie ermöglicht des Weiteren die angestrebte schnelle Unterstützung durch eine strukturmechanische Analyse ohne eine in der Regel aufwändige Neuvernetzung. Die Unabhängigkeit der Materialbeschreibung von der Elementvernetzung erwies sich dabei als die große Stärke der p-Version der Finiten Elemente. • Die Kommunikation zwischen Baustelle und Planungsbüro wird durch die zentral verwaltete Datenbasis unterstützt, deren Datenmodell um die bereits beschriebene zeitliche Gliederungsmöglichkeit des Modells, die Voxelmatrix-Datenstruktur, das geometrische Modell mit gekrümmten Oberflächen (nicht mit bisher angenommenen hochbautypischen Extrusionsgeometrien) sowie die maßgeblichen, berechneten Spannungsgrößen erweitert wurde. Die Datenbasis stellt wie in den vorherigen Projektphasen den Kern der multidisziplinären Kommunikationsplattform dar. Die dargestellte Vorgehensweise folgt somit dem bisher verfolgten Prinzip der Erhaltung der geometrischen sowie mechanischen Konsistenz des Gesamtmodells, auf das in den Vorgängerprojekten besonderer Wert gelegt wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Tragwerksanalyse am volumenorientierten Gesamtmodell. Dissertation
Andreas Niggl
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A framework for embedded structural simulation: benefits in building design. ICCCBE, XIth Int. Conf. on Comp. in Civil and Buildg. Eng., Montreal, Canada 2006
A. Niggl, E. Rank, R.-P. Mundani, H.-J. Bungartz
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Finite cell method – h- and p-extension for embedded domain problems in solid mechanics. Computational Mechanics, 41 (2007), 121-133
J. Parvizian, A. Düster, Rank, E.
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Hierarchic Topological Organization of FE-Models using Octrees. 2nd GACM Colloquium on Computational Mechanics, München 2007
Z. Wassouf, A. Niggl, A. Düster, E. Rank
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Settlement predictions and surveillance during the enlargement of the metrostation Marienplatz in Munich. ECCOMAS Thematic Conference on Computational Methods in Tunnelling (EURO:TUN 2007), Wien, 2007
C. Hofstetter, M. Scholz, H. Heidkamp
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The finite cell method for three-dimensional problems of solid mechanics. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 197 (2008), 3768-3782
A. Düster, J. Parvizian, Z. Yang, E. Rank
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AdhoC-Technical Manual Lehrstuhl für Computation in Engineering November 2009
Ziad Wassouf
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AdhoC-User Manual Lehrstuhl für Computation in Engineering November 2009
Ziad Wassouf
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Generation of curved high-order hexahedral finite element meshes for thin-walled structures. 11th ISGG Conference on Grid Generation, Montreal, Canada, 2009
C. Sorger, A. Düster, E. Rank
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High-order tetrahedral finite elements for problems of structural mechanics. Berlin hp-Workshop on Implementation Aspects, Institut für Mathematik, Humboldt Universität, Berlin, 2009
Z. Wassouf, A. Düster, E. Rank
