Universität der Bundeswehr München: AtheneForschung
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Untersuchungen zur Mikrostruktur und zum Setzungsverhalten von Lössböden
Get PDFForschungstätigkeiten auf dem Gebiet der Sackungsanfälligkeit von Lössböden waren insbesondere zwischen den 30er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts von nationaler Individualität gekennzeichnet. Erst seit Anfang der 80er Jahre, mit Aufstellung der Arbeitsgruppe “Geotechnical Properties of Loess” der International Union for Quarternary Research (INQUA), ist eine international referenzierende Forschung auf dem Gebiet der Erfassung bodenmechanischer Eigenschaften von Lössböden zu verzeichnen. Der Schwerpunkt bisheriger Forschungarbeiten lag auf der Erarbeitung sogenannter Kollapskriterien zur qualitativen Abschätzung des Sackungspotentials bei einem Anstieg des Wassergehalts. Bisher durchgeführten geochemischen Untersuchungen von Lössböden beschreiben zwar die mineralische Zusammensetzung, geben jedoch nur eingeschränkt Aufschluss über die Löslichkeit dieser Bestandteile in Wasser oder deren Einfluss auf das Sackungsverhalten. Sämtliche bis dato veranlassten Untersuchungen zum Kollapsverhalten der metastabilen Bodenstruktur von Lössböden wurden für den statischen Lastfall angestellt. Das Verformungsverhalten von Lössböden unter zyklischer Lasteinwirkung hingegen bedarf einer intensiveren wissenschaftlichen Betrachtung. In der vorliegenden Arbeit wird erstmals der Anteil leicht wasserlöslicher mineralischer Bestandteile eines afghanischen Lössbodens ermittelt und anhand von Parameterstudien der Einfluss des Ton- und Kalkgehalts auf das Hydrokonsolidationsverhalten untersucht. Betrachtungen der makro- und mikroskopischen Bodenstruktur ermöglichen belastbare Aussagen über das Verhalten und die Bedeutung des Porenraumes beim Übergang einer metastabilen Bodenstruktur in eine dichtere und somit stabilere Lagerung. Die aus den eigenen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse dienen als Grundlage für die Formulierung einer neuen, empirisch-deduktiven Prognosemethode zur qualitativen Abschätzung der infolge Hydrokonsolidation zu erwartenden kollapsartigen Verformung (Kollapsverformung). Neben der Vorstellung der Prognosemethode für den statischen Lastfall wurden dynamische Triaxialversuche zur vergleichenden Untersuchung der dynamischen Stabilität metastabiler und idealverdichteter Lössböden angestellt. Sämtliche bodenmechanischen und bodenphysikalischen sowie physiko- und geochemischen Untersuchungen erfolgten an geologisch rezent gebildeten, alluvial und fluvial abgelagerten afghanischen Lössböden der Regionen BALKH und KUNDUZ
Experimental and Theoretical Investigation of the Crack Behavior of RC-slabs Subjected to Biaxial Bending
Get PDFThis thesis presented a comprehensive study on the influence of transverse reinforcement on the cracking patterns of RC slabs, including both slab-strips under uniaxial bending and also slabs subjected to biaxial bending
Interaction of Blast Waves with Flexible Structures
Get PDFDie vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse von Interaktionseffekten explosionsinduzierter Luftdruckwellen mit flexiblen und leichten Strukturen. Dazu wird ein analytisches Einfreiheitsgradschwinger-Modell für lineare und nichtlineare Strukturen entwickelt, das mit gekoppelten Euler-Lagrange-Simulationen verifiziert wird. Es wird sowohl der Einfluss der aerodynamischen Dämpfung als auch die Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) analysiert. Je leichter und je flexibler eine Struktur ist, desto stärker reduzieren aerodynamische Dämpfungs- und FSI-Effekte die Verformungen und damit die Kräfte im System. Infolge der großen Verformungen führt die Berücksichtigung der Fluid-Struktur-Interaktion zu einer Veränderung des reflektierten Druck-Zeit-Verlaufs und zu einer teilweise beträchtlichen Reduktion des reflektierten Impulses. Als Anwendungsbeispiel für ein flexibles und relativ leichtes, explosionshemmendes System wird eine vertikal vorgespannte Seilnetzfassade untersucht. Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Berechnungen werden mit den Ergebnissen des äquivalenten, analytischen FSI-Modells verglichen und bewertet. Schließlich werden das Prinzip der gezielten Energiedissipation auf Seilnetzfassaden angewendet und Vorschläge für energiedissipierende Seilendverankerungen entwickelt. Diese Seilendverankerungen verhalten sich elastisch und relativ steif bis eine definierte Auslösekraft überschritten wird. Danach reagieren sie plastisch. Die Seilendverankerungen müssen über eine ausreichende Duktilität verfügen, während der Rest des Systems über eine ausreichende Festigkeit verfügt und sich möglichst nur im elastischen Bereich verformt.This work analyses coupling effects between blast waves and flexible, light structures. A new analytical coupling model is developed taking account of aerodynamic damping and fluid-structure-interaction (FSI) effects. This model contributes to a better understanding of the physical coupling phenomena and can be used for the verification of more complex numerical models. Especially mass and stiffness determine the effects of aerodynamic damping and FSI. While the coupling effects are negligible for stiff or heavy systems, e.g. reinforced concrete structures, they significantly influence the structural response of flexible and light systems, e.g. glazing facades. The results of the analytical single degree of freedom model are compared with coupled Eulerian-Langrangian finite element simulations. The lighter and the more flexible the structure is, the larger is the reduction of the deformations due to the coupling effects. A pre-stressed cable net facade is a typical example of a flexible, light, protective system. A numerical model of a cable net facade is developed, and the results are compared with the developed analytical approach. Furthermore, energy dissipating cable end supports are presented. These supports are elastic under normal wind loads. However, under blast loads, the system is triggered and behaves plastically in order to absorb energy. The cable end support must have a sufficient deformation capacity in the plastic region while the rest of the cable net facade reacts elastically
3D Least Squares Based Surface Reconstruction
Get PDFDiese Arbeit präsentiert einen vollständig dreidimensionalen (3D) Algorithmus zur Oberflächenrekonstruktion aus Bildfolgen mit großer Basis. Die rekonstruierten Oberflächen werden durch Dreiecksgitter beschrieben, was eine einfache Integration von Bild- und Geometrie-basierten Bedingungen ermöglicht. Die vorgestellte Arbeit erweitert den erfolgreichen Ansatz von Heipke (1990) zur 2,5D Rekonstruktion zur vollständigen 3D Rekonstruktion. Verdeckung und nicht-Lambertsche Spiegelung werden durch robuste kleinste Quadrate Ausgleichung zur Schätzung des Modells berücksichtigt. Ausgangsdaten sind Bilder von verschiedenen Positionen, abgeleitete genaue Orientierungen der Bilder und eine begrenzte Zahl von 3D Punkten (Bartelsen and Mayer 2010). Die erste Neuerung des vorgestellten Ansatzes besteht in der Art und Weise, wie zusätzliche Punkte (Unbekannte) in dem Dreiecksgitter aus den vorgegebenen 3D Punkten positioniert werden. Dank den genauen Positionen dieser zusätzlichen Punkte werden präzisere und genauere rekonstruierte Oberflächen bezüglich Form und Anpassung der Bildtextur erhalten. Die zweite Neuerung besteht darin, dass individuelle Bias-Parameter für verschiedene Bilder und angepasste Gewichtungen für unterschiedliche Bildbeobachtungen verwendet werden, um damit unterschiedliche Intensitäten verschiedener Bilder als auch Ausreißer zu berücksichtigen. Die dritte Neuerung sind die verwendete Faktorisierung der Design-Matrix und die Art und Weise, wie die Gitter in Ebenen zerlegt werden, um die Laufzeit zu reduzieren. Das wesentliche Element des vorgestellten Modells besteht in der Varianz der Intensitätswerte der Bildbeobachtungen innerhalb eines Dreiecks. Mit dem vorgestellten Ansatz können genaue 3D Oberflächen für unterschiedliche Arten von Szenen rekonstruiert werden. Ergebnisse werden als VRML (Virtual Reality Modeling Language) Modelle ausgegeben, welche sowohl das Potential als auch die derzeitigen Grenzen des Ansatzes aufzeigen.This thesis presents a fully three dimensional (3D) surface reconstruction algorithm from wide-baseline image sequences. Triangle meshes represent the reconstructed surfaces allowing for an easy integration of image- and geometry-based constraints. We extend the successful approach for 2.5D reconstruction of Heipke (1990) to full 3D. To take into account occlusion and non-Lambertian reflection, we apply robust least squares adjustment to estimate the model. The input for our approach are images taken from different positions and derived accurate image orientations as well as sparse 3D points (Bartelsen and Mayer 2010). The first novelty of our approach is the way we position additional 3D points (unknowns) in the triangle meshes constructed from given 3D points. Owing to the precise positions of these additional 3D points, we obtain more precise and accurate reconstructed surfaces in terms of shape and fit of texture. The second novelty is to apply individual bias parameters for different images and adapted weights for different image observations to account for differences in the intensity values for different images as well as to consider outliers in the estimation. The third novelty is the way we factorize the design matrix and divide the meshes into layers to reduce the run time. The essential element for our model is the variance of the intensity values of image observations inside a triangle. Applying the approach, we can reconstruct accurate 3D surfaces for different types of scenes. Results are presented in the form of VRML (Virtual Reality Modeling Language) models, demonstrating the potential of the approach as well as its current shortcomings
Echtzeitbeobachtung schneller Reaktionskinetiken in lebenden Zellen nach Ionenmikrobestrahlung
Get PDFDiese Arbeit beschreibt den Aufbau einer Lebendzellmikroskopieumgebung am Rasterionenmikroskop SNAKE, welches am Münchner 14 MV Tandembeschleuniger installiert ist. An dessen Zellbestrahlungsplatz können lebende Zellen mit Protonen und Schwerionen unter Lebendbedingungen mit einer Genauigkeit von ca. 0,5 µm und mit genau definierter Dosis bestrahlt werden. Die nach der Bestrahlung im Zellkern ablaufenden Reparaturvorgänge können durch eine mikroskopische Betrachtung der an der Reparatur beteiligten Proteine analysiert werden. Hierfür ist die Markierung dieser Proteine mittels Fluoreszenzfarbstoffen nötig. Dazu werden die Zellen auf gentechnischem Wege so verändert, dass an Proteine, die an der Reparatur der ioneninduzierten Schäden beteiligt sind, Fluoreszenzproteine (z. B. GFP, green fluorescent protein) angehängt werden. Mikroskopische Proteinanlagerungen an die Schadensorte, sogenannte Foci, können mit dem im Rahmen dieser Arbeit realisierten Aufbau unmittelbar nach und sogar während der Bestrahlung "online“ analysiert werden. Ein kommerziell erhältliches Fluoreszenzmikroskop (Zeiss Axiovert 200M) wurde hierzu am Bestrahlungsplatz angebracht. An dessen Probentisch befinden sich die Zellen während der Bestrahlung und der nachfolgenden Mikroskopie unter optimalen Umgebungsbedingungen in neu entwickelten Zellkulturgefäßen.
Erste Experimente an dem neuen Aufbau dienten der Untersuchung von Kinetiken (= zeitlicher Ablauf der Focibildung) der Proteine Mdc1, 53BP1 und Rad52. Nach Applizierung einer mittleren Dosis von 4,4 Gy mit 55 MeV Kohlenstoffionen mit einem linearen Energietransfer LET = 310 keV/µm beginnt Mdc1 nach T0 = 17 ± 2 s mit der Anlagerung an die Schadensorte. Dies geschieht mit einer Zeitkonstante t = 98 ± 11 s. Wird dieselbe Dosis mit 20 MeV Protonen appliziert (LET = 2,65 keV/µm), läuft die Focibildung langsamer ab (T0 = 73 ± 16 s, t = 1050 ± 270 s). Eine höhere Bestrahlungsdosis durch Erhöhung der pro Punkt applizierten Protonen beschleunigt die Kinetik. Die Zeitkonstanten des Proteins 53BP1 weisen keine solch ausgeprägte Abhängigkeit von der Bestrahlungsart auf. Für alle Bestrahlungsbedingungen liegt hier T0 in der Größenordnung von 100 s und t in der Größenordnung von 300 s. Das nur qualitativ betrachtete Reparaturprotein Rad52 zeigt eine deutlich langsamere Kinetik, die allerdings wieder stark von der Dosis und vom LET der Strahlung abhängt. Während bereits ca. zehn Minuten nach Bestrahlung mit 4,7 Gy mit 55 MeV Kohlenstoffionen erste Foci sichtbar werden, dauert deren Erscheinen nach Applizierung von 5,7 Gy durch 20 MeV Protonen (117 Protonen pro Punkt) ca. drei Stunden. Eine Erhöhung der pro Punkt applizierten Protonenzahl auf 256 (und somit der Dosis auf 12 Gy) verkürzt diese Zeit auf ca. eine Stunde. Eine weitere Verdopplung von Protonenzahl und Dosis führt zu einem Sichtbarwerden der Foci nach weniger als zehn Minuten
Systemarchitektur zur Ein- und Ausbruchserkennung in verschlüsselten Umgebungen
Get PDFDas Internet hat sich mit einer beispiellosen Geschwindigkeit in den Lebensalltag integriert. Umfangreiche Dienste ermöglichen es, Bestellungen, finanzielle Transaktionen, etc. über das Netz durchzuführen. Auch traditionelle Dienste migrieren mehr und mehr in das Internet, wie bspw. Telefonie oder Fernsehen. Die finanziellen Werte, die hierbei umgesetzt werden, haben eine hohe Anziehungskraft auf Kriminelle: Angriffe im Internet sind aus einer sicheren Entfernung heraus möglich, unterschiedliches IT-Recht der verschiedenen Länder erschwert die grenzüberschreitende Strafverfolgung zusätzlich. Entsprechend hat sich in den letzten Jahren ein milliardenschwerer Untergrundmarkt im Internet etabliert. Um Systeme und Netze vor Angriffen zu schützen, befinden sich seit über 30 Jahren Verfahren zur Einbruchsdetektion in der Erforschung. Zahlreiche Systeme sind auf dem Markt verfügbar und gehören heute zu den Sicherheitsmechanismen jedes größeren Netzes. Trotz dieser Anstrengungen nimmt die Zahl von Sicherheitsvorfällen nicht ab, sondern steigt weiterhin an. Heutige Systeme sind nicht in der Lage, mit Herausforderungen wie zielgerichteten Angriffen, verschlüsselten Datenleitungen oder Innentätern umzugehen. Der Beitrag der vorliegenden Dissertation ist die Entwicklung einer Architektur zur Ein- und Ausbruchserkennung in verschlüsselten Umgebungen. Diese beinhaltet sowohl Komponenten zur Erkennung von extern durchgeführten Angriffen, als auch zur Identifikation von Innentätern. Hierbei werden statistische Methoden auf Basis einer verhaltensbasierten Detektion genutzt, so dass keine Entschlüsselung des Datenverkehrs erforderlich ist. Im Gegensatz zu bisherigen Methoden benötigt das System hierbei keine Lernphasen. Ausgehend von einem Szenario der IT-Struktur heutiger Unternehmen werden die Anforderungen an ein System zur Ein- und Ausbruchserkennung definiert. Da eine Detektion die Kenntnis entsprechender, messbarer Ansatzpunkte benötigt, erfolgt eine detaillierte Analyse einer Angriffsdurchführung. Auf dieser Basis sowie den Ergebnissen der Untersuchung des State-of-the-Art im Bereich der Ein- und Ausbruchserkennung wird identifiziert, warum heutige Systeme nicht in der Lage sind, ausgefeilte Angriffe zur erkennen. Anhand einer Betrachtung, welche Parameter bei verschlüsselten Verbindungen für eine Evaluation noch zur Verfügung stehen, werden Möglichkeiten zur Detektion von bösartigem Verhalten entwickelt. Hierauf basierend wird eine neue Architektur mit mehreren Teilmodulen zur Ein- und Ausbruchserkennung in verschlüsselten Umgebungen vorgestellt. Eine anschließende Evaluation zeigt die Funktionsfähigkeit der vorgestellten Architektur.The evolution of the Internet took place with a matchless speed over the past decades. Today, the Internet is established in numerous areas of everyday life. Purchase orders or money transfers are only two examples. The financial values which are moved over the Internet are alluring criminals. Attacks with the aid of the Internet can be executed from a safe distance, different IT laws of the countries hamper the transboundary criminal prosecution. Therefore, an underground market worth billions has been established over the past years. For the protection of systems and networks, procedures for intrusion detection are under development for more than 30 years. Numerous systems are available and are integral security components in every bigger network today. However, even with these strong efforts, the number of security incidents is steadily increasing. Todays systems are not able to cope with challenges like targeted attacks, encrypted communication and connections or the insider threat. The contribution of this thesis is the design and development of an architecture for intrusion and extrusion detection in encrypted environments. The architecture consists of components for the detection of external attacks as well as the identification of insiders. Statistical methods and behavior-based techniques are used, therefore there is no need for a deciphering of the data traffic. In contrast to existing approaches, the proposed architecture does not need a learning phase. Based on a scenario of the IT infrastructure of a company, the requirements for a system for intrusion and extrusion detection are defined. Because measuring points must be located for being able to carry out a detection, an in-depth analysis of the execution of an attack is done. Afterwards, reasons for the failure of the detection of sophisticated attacks by current systems are identified based on an evaluation of the State-of-the-Art of in- and extrusion detection. An examination of encrypted network connections is used to deduce parameters which are still available after an encryption and which can be used for a detection of malicious behavior. The identified starting points are used for the development of a new architecture consisting of multiple modules for intrusion as well as extrusion detection in encrypted environments. A subsequent evaluation verifies the efficiency of the proposed architecture
Acceptable Risk Criteria Catalogue for Technical Risk Management
Get PDFTechnical Risk Management plays a vital role for risks mitigation process. During the recent past, huge efforts have been made to perform Technical Risk Management during components development for different complex series products. Therefore a large database is available describing risk of failure scenarios combined with the estimations of technical as well as monetary impacts, time losses and risk probabilities for different major components of the complex machinery. The notion that there exists some level of risk acceptable to everyone is a difficult idea to reconcile and yet, without such a baseline, how can it ever be possible to set guideline values and standards, given that life can never be risk free? Therefore, there is a great need for a methodology, describing criteria for the risk acceptance. This thesis makes an attempt to contribute to the Technical Risk Management by answering the question, “What are acceptable risk criteria?” and provides a methodology for deriving an Acceptable Risk Criteria Catalogue (ARCC). This will help the decision makers to decide for an optimized mitigation budget in order to bring a product faster in the market
Lebensdauervorhersage für geschweißte Bauteile unter Betriebsbelastung am Beispiel einer Aluminiumlegierung
Get PDFPräsentiert wird ein Modell zur Lebensdauervorhersage zyklisch belasteter Bauteile. Als Nachweis wurden einstufige und mehrstufige Ermüdungsexperimente an drei Probenvarianten unterschiedlicher Kerbgeometrie durchgeführt. An ausgewählten Prüflingen kam im Ermüdungsversuch die Potentialsonde zum Einsatz, um die mit der Ermüdung verbundene Schädigungsgröße „Riss“ in-situ verfolgen zu können. Es konnte gezeigt werden, dass sich diese Schädigungsgröße nur im Bereich der makroskopischen Rissausbreitung kontinuierlich und gemäß der LEBM verhält. Hingegen ist der Bereich der mikroskopischen Defekte, also der Anrissphase, durch diskontinuierliches Risswachstum bei vielen, voneinander unabhängigen Anrissen gekennzeichnet. Die Anrissphase dominiert dabei die Gesamtlebensdauer. Ein Modell zur Vorhersage der zyklischen Gesamtlebensdauer von Bauteilen sollte demnach auf die dominante Anrisslebensdauer gestützt sein und muss ihren diskontinuierlichen Schädigungscharakter beschreiben. Diese Bedingungen erfüllt das in dieser Arbeit vorgestellte Transformationsmodell, in das die im Sinne der Anrisslebensdauer schädigenden Zyklen oberhalb der Grenzlast einfließen. Deren Schädigung wird nicht separat bzw. deterministisch bewertet, sondern es wird dem Lastkollektiv insgesamt eine statistische Schädigungswirkung bezüglich der Anrissphase zugeschrieben. Diese Schädigungswirkung, die von der Kombination aus dem Kollektivexponenten, der Grenzlast und der Maximalspannungsamplitude abhängt, korreliert mit einer einstufigen, äquivalenten Spannungsamplitude. Anhand dieser äquivalenten Spannungsamplitude wird eine durch mehrstufige Versuche ermittelte Lebensdauerkurve auf ihre entsprechende Wöhler-Linie transformiert. Im gleichen Zuge gelingt damit auch die Lebensdauervorhersage -ausgehend von Wöhler Linien hin zu Lebensdauerlinien- als Rücktransformation sehr gut
Baroque Roof Structures : Construction and Load Bearing Behaviour
Get PDFBauen im Bestand stellt eine zunehmend wichtiger werdende Aufgabe im Bauingenieurwesen dar. Gerade historische Konstruktionen zeigen sich im Hinblick auf Aspekte der Denkmalpflege als eine besondere Herausforderung. In Bayern gibt es eine Vielzahl an Bauwerken, welche der Barockzeit zuzuordnen sind und denen daher ein besonderes Augenmerk geschenkt werden sollte. Über das Tragverhalten barocker Dachwerke ist bisher nur wenig bekannt. Vor allem der Gruppe der Dachwerke ohne durchgehende Zerrbalkenlage wurde kaum Beachtung geschenkt. Gerade bei diesen können jedoch aufgrund des fehlenden Zugbandes an der Dachbasis bereits relativ geringe Änderungen am System zu erkennbaren Änderungen im Kraftfluss führen. Die Arbeit diskutiert unterschiedliche Konstruktionsprinzipien jener Zeit unter Berücksichtigung der zeitgenössischen Literatur und liefert Einblicke in mögliche Lastabtragungsmechanismen. Beispiele aus zahlreichen Dachwerksbegehungen dienen der Veranschaulichung der gewonnenen Erkenntnisse. Um die Kräfteverteilung innerhalb einer Konstruktion möglichst genau erfassen zu können, werden realistische Modellierungsdaten benötigt. Im Zuge dieser Arbeit wurden Materialdaten erhoben, Schäden gesichtet und ausgewertet, die Steifigkeiten zimmermannsmäßiger Verbindungen eruiert sowie Möglichkeiten zur Abbildung der räumlichen Lastabtragung angeführt. Dabei stellt die Erarbeitung nichtlinearer Steifigkeitsmodelle, in denen Plastifizieren sowie der Zustand der Anschlüsse in Form von Klaffungen Berücksichtigung finden, ebenso ein Novum dar wie die Anwendung eines ebenen Ersatzverfahrens zur Berücksichtigung der räumlichen Lastabtragung, welches auf dem faltwerkartigen Auseinanderklappen eines Dachwerks beruht. Das Steifigkeitsverhalten von Überblattungen wurde bisher noch nicht untersucht. Um diese Forschungslücke zu schließen, wurden im Rahmen dieser Arbeit experimentelle Untersuchungen sowie dreidimensionale FE-Berechnungen durchgeführt. Im Zuge der Ergebnisauswertung wurde eine abschnittsweise lineare Arbeitskennlinie für Überblattungen erarbeitet, welche in kommerziellen Stabwerksprogrammen zur Anwendung kommen kann. Realitätsnahe Berechnungen an drei existierenden, repräsentativen Beispielen beschließen die Arbeit unter Anwendung aller erarbeiteten Grundlagen. Das Hauptaugenmerk der Untersuchung wurde hierbei auf den Einfluss der nichtlinearen Steifigkeitsmodelle sowie auf den Einfluss der neu entwickelten Faltwerksmethode zur Berücksichtigung der Räumlichkeit gelegt. Sämtliche Ergebnisse wurden hinsichtlich ihrer allgemeinen Gültigkeit geprüft und in einem Resümee zusammengefasst.Rehabilitation of existing buildings is a business becoming more an more important for civil engineers. Especially historical constructions pose a special challenge as aspects of monument conservation have to be regarded. In Bavaria many historic structures date from the Baroque period. Therefore special attention should be paid to these constructions. Only little is known about the load bearing behavior of Baroque roof structures. Especially roofs which lack a continuous tiebeam have not been studied previously. In these situations small changes in the modeling assumptions can lead to great changes in the distribution of forces as the tiebeam at the basis of the roof is missing. In this work, different principles of construction are presented, and load transferring mechanisms are discussed. The results are based on an intensive literature research as well as on an extensive survey of this kind of roofs. For a realistic assessement of the forces in a structure, realistic input data are needed for the modeling process. Therefore, material data have been obtained and damages have been localized and evaluated. Furthermore, nonlinear load-displacement models taking plasticity effects and the condition of the joints into account have been worked out, and a new method to describe the three dimensional load carrying behavior of roof structures is presented. The load carrying behaviour of halved joints has not been studied so far. Therefore, experimental fullscale tests have been performed, as well as three dimensional finite element calculations. As a part of the interpretation process, a piecewise linear load-deflection diagram which can easily be used within the scope of frame analyses was developed. Finally, the work is rounded with computations on three existing and representative examples, including all the realistic input data collected. The main goal of investigation was to determine the influence of the nonlinear load-displacement models and of the new method for taking into account the three dimensional load carrying behavior on the calculations made. From the results for these special cases, more general observations and rules were obtained
Entwicklung eines auf Fuzzy-Regeln basierten Expertensystems zur Hochwasservorhersage im mesoskaligen Einzugsgebiet des Oberen Mains
Get PDFPeople worldwide are faced with flood events of different magnitudes. A timely and reliable flood forecast is essential for the people to save goods and, more important, lives. The development of a fuzzy rule based flood forecast system considering extreme flood events within meso-scale catchments and with return periods of 100 years and more is the main objective of this work. Considering one river catchment extreme flood events are usually seldom. However, these data are essential for a reliable setup of warning systems. In this work the database is extended by simulations of possible flood events performing the hydrological model WaSiM-ETH (Water balance Simulation model ETH) driven by generated precipitation fields.
The therefore required calibration of the hydrological model is performed applying the genetic optimization algorithm SCE (Shuffled Complex Evolution). Thereby, different SCE configuration setups are investigated and an optimization strategy for the Upper Main basin is developed in order to ensure reliable und satisfying calibration results. In this thesis the developed forecast system comprises different time horizons (3 days; 6, 12, and 48 hours) in order to ensure a reliable and continuous flood forecast at the three main gauges of the Upper Main river. Thereby, the focus of the different fuzzy inference systems lies on different discharge conditions, which together ensure a continuous flood forecast. In this work the performance of the two classical fuzzy inference systems, Mamdani and Takagi-Sugeno, is investigated considering all four forecast horizons. Thereby, a wide variety of different input features, among others Tukey data depth, is taken into consideration. For the training of the fuzzy inference systems the SA (Simulated Annealing) optimization algorithm is applied. A further performance comparison is carried out considering the 48 hour forecast behaviour of the two fuzzy inference systems and the hydrological model WaSiM-ETH. In this work the expert system ExpHo-HORIX is developed in order to combine the single, trained fuzzy inference systems to one overall flood warning system. This expert system ensures beside the fast forecast a quantification of uncertainties within a manageable, user-friendly, and transparent framework which can be easily implemented into an exiting environment.Menschen weltweit werden mit Hochwasserereignissen unterschiedlicher Stärke konfrontiert. Um Eigentum und, noch viel wichtiger, Leben zu retten, ist eine rechtzeitige und zuverlässige Hochwasserwarnung und folglich -vorhersage unerlässlich. Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, ein auf Fuzzy-Regeln basiertes Hochwasserwarnsystem für mesoskalige Einzugsgebiete und die Vorhersage von extremen Hochwasserereignissen mit Wiederkehrperioden von 100 Jahren und mehr unter Berücksichtigung von Unsicherheiten zu entwickeln. Da extreme Hochwasserereignisse mit einer Jährlichkeit von 100 oder mehr Jahren in der Realität nicht in jedem Einzugsgebiet bereits beobachtet und aufgezeichnet wurden, ist eine Erweiterung der Datenbank auf Grund von Modellsimulationen zwingend notwendig. In dieser Arbeit werden hierzu das hydrologische Modell WaSiM-ETH (Wasserhaushalts-Simulations-Modell ETH) sowie von Bliefernicht et al. (2008) generierte Niederschlagsfelder verwendet. Die Kalibrierung des Modells erfolgt mit dem SCE (Shuffled Complex Evolution) Optimierungsalgorithmus. Um reproduzierbare Kalibrierungsergebnisse zu erzielen und die notwendige Kalibrierungszeit möglichst gering zu halten, werden unterschiedliche Optimierungskonfigurationen untersucht und eine Kalibrierungsstrategie für das mesoskalige Einzugsgebiet des Oberen Mains entwickelt. Um eine kontinuierliche und zuverlässige Vorhersage zu garantieren, ist die Idee entwickelt worden, Fuzzy-Regelsysteme für unterschiedliche Vorhersagehorizonte (3 Tage; 6, 12 und 48 Stunden) für die drei Hauptpegel des Oberen Mains aufzustellen, die im Zusammenspiel eine kontinuierliche Vorhersage sicher stellen. Der Fokus der 3-Tagesvorhersage liegt hierbei in der zuverlässigen Wiedergabe von geringen und mittleren Abflussbedingungen sowie der zuverlässigen und rechtzeitigen Vorhersage von Überschreitungen einer vordefinierten Meldestufe. Eine vorhergesagte Überschreitung der Meldestufe führt zu einem Wechsel der Vorhersagesysteme von der 3-Tages- zu der 6-, 12- und 48-Stundenvorhersage, deren Fokus auf der Vorhersage der Hochwasserganglinie liegt. In diesem Zusammenhang wird die Effizienz der beiden klassischen Regelsysteme,Mamdani und Takagi-Sugeno, sowie die Kombination unterschiedlicher Eingangsgrößen, unter anderem Tukey Tiefenfunktion, näher untersucht. Ein weiterer Effizienzvergleich wird zwischen den Mamdani Regelsystemen der 48-Stundenvorhersage und dem hydrologischen ModellWaSiM-ETH durchgeführt. Für das Training der beiden Regelsysteme wird der SA (Simulated Annealing) Optimierungsalgorithmus verwendet. Die einzelnen Fuzzy-Regelsysteme werden schließlich in dem entwickelten Hochwasserwarnsystem ExpHo-HORIX (Expertensystem Hochwasser - HORIX) zusammengefügt. Standardmäßig wird für jede Vorhersage die Niederschlagsunsicherheit auf Grund von Ensemble-Vorhersagen innerhalb ExpHo-HORIX analysiert und ausgewiesen. Im Hochwasserfall können für die stündlichen Fuzzy-RegelsystemeModellunsicherheiten des hydrologischenModells, das für die Generierung der Datenbank von Extremereignissen verwendet wurde, zusätzlich ausgewiesen werden. Hierzu müssen zusätzlich Ergebnisse der SCEM Analyse (Grundmann, 2009) vorliegen