Gebäude und Infrastruktur
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Enhancing Decision-Making for Human-Centered Construction Robotics: A Methodological Framework
(2024)
While the Architecture, Engineering, and Construction (AEC) industry is increasingly aware of the rising demands for productivity and human-centered construction improvements, the holistic adoption of robotics as a fundamental strategy to address these challenges has not yet reached comprehensive fruition. This paper therefore introduces a methodological framework aiming to address the industry's pressing need for a systematic approach for assessing the feasibility of integrating robotics into human-centered construction processes. It aims to enhance decision-making regarding the degree of automation in human-centered construction processes, ranging from partial to full robotization or non-robotization. The framework is characterized by a more holistic end-to-end data-/workflow and therefore adopts a multifaceted approach, leveraging BIM-based planning methodologies and integrating new technologies [e.g., Motion Capturing (MoCap), work process simulation software incorporating Digital Human Models (DHM), self-developed conversion/interfacing software and more] that have not been widely used in the industry to date. Subsequently, the framework is evaluated in a real-life bricklaying construction process to ensure a more application-based approach. Overall, the framework advances current construction processes with a more inclusive and conscious technology infill to empower construction professionals with the workflow and corresponding tools necessary for the practical integration of robotics into human-centered construction processes.
The RILEM TC 281–CCC ‘‘Carbonation of concrete with supplementary cementitious materials’’ conducted a study on the effects of supplementary cementitious materials (SCMs) on the carbonation rate of blended cement concretes and mortars. In this context, a comprehensive database has been established, consisting of 1044 concrete and mortar mixes with their associated carbonation depth data over time. The dataset comprises mix designs with a large variety of binders with up to 94% SCMs, collected from the literature as well as unpublished testing reports. The data includes chemical composition and physical properties of the raw materials, mix-designs, compressive strengths, curing and carbonation testing conditions. Natural carbonation was recorded for several years in many cases with both indoor and outdoor results. The database has been analysed to investigate the effects of binder composition and mix design, curing and preconditioning, and relative humidity on the carbonation rate. Furthermore, the accuracy of accelerated carbonation testing as well as possible correlations between compressive strength and carbonation resistance were evaluated. The analysis revealed that the w/CaOreactive ratio is a decisive factor for carbonation resistance, while curing and exposure conditions also influence carbonation. Under natural exposure conditions, the carbonation data exhibit significant variations. Nevertheless, probabilistic inference suggests that both accelerated and natural carbonation processes follow a square-root-of-time behavior, though accelerated and natural carbonation cannot be converted into each other without corrections. Additionally, a machine learning technique was employed to assess the influence of parameters governing the carbonation progress in concretes.
Der Einbau mineralischer, granularer Lasttransferschichten (LTS) zwischen einem Bau-werk und einer Tiefgründung z. B. aus pfahlartigen Traggliedern (PTG) beeinflusst erheb-lich die Lastaufteilung auf die PTG und den zumeist weichen Boden dazwischen. Eine genaue Kenntnis über die Lastaufteilung ist für die Bemessung der LTS und PTG, aber auch des darauf gegründeten Bauwerks erforderlich. Für die Quantifizierung der Lastauf-teilung wurden eine Vielzahl an Berechnungsansätzen entwickelt, welche zumeist auf Modell- oder Großversuchen basieren, aus deren Ergebnissen analytische Ansätze entwi-ckelt wurden. Zunächst werden ausgewählte Berechnungsansätze zur Lastaufteilung vor-gestellt, dann mit Hilfe von Finite-Element-Berechnungen der Einfluss verschiedener Parameter auf die Lastaufteilung veranschaulicht und diskutiert. Für geringe Dicken der LTS ergibt sich dabei eine hohe Übereinstimmung der FE-Berechnungen mit einem Durchstanzmechanismus. Ab einer bestimmten Dicke der LTS, abhängig von ver-schiedensten Randbedingungen, bildet sich in den FE-Berechnungen ein Gewölbe aus. Das Einstanzen der PTG in die LTS kann dann durch einen Grundbruchmechanismus beschrieben und als obere Begrenzung der Lastumlagerung auf die PTG angesehen wer-den. Anhand zahlreicher Vergleichsberechnungen konnte gezeigt werden, dass die beiden Mechanismen Durchstanzen und Grundbruch in sehr vielen Fällen ausreichen, um die Lastaufteilung auch ohne FE-Berechnungen abzuschätzen.
Es gibt eine Vielzahl von „Wie-erstelle-ich-ein Finite-Element-Programm?“-Lehrbüchern, aber nur recht wenige Veröffentlichungen zur Frage „Wie wende ich ein Finite-Element-Programm an?“. Dieses Buch legt den Schwerpunkt auf die zweite Fragestellung. Es basiert auf den Vorlesungen zur Anwendung der Finite-Element-Methode, die der Autor seit 1998 an der OTH Regensburg hält. Deren Inhalte kommen aus seiner Tätigkeit als Prüfingenieur für Baustatik in einem großen Münchener Ingenieurbüro. Behandelt werden sowohl Fragestellungen, mit denen sich jeder Ingenieur konfrontiert sieht, wenn er Berechnungen mit einem Finite-Element-Programm erstellen will, als auch Problempunkte, die im Büro des Autors im Zuge einer Projektbearbeitung auftraten und auf den ersten Blick gar nicht so klar waren. Der 2.Teil des zweibändigen Werkes befasst sich mit Themen aus der nichtlinearen Statik.
Digital Twins (DT) implementation in the Built Environment (BE) industry is still in its early stages. Aiming to increase the knowledge about DT, this study analyzes how DT can be understood in the BE sector and investigates its different potential benefits and expected challenges. To do so, the Systematic Literature Review (SLR) approach was employed. Using 228 publications, the current study presents a proposed definition and structure for DT systems. The proposed structure is based on four main layers: physical, digital, application, and user layers. The study also classified the applications of DT into six groups: sustainability and environmental, facility management, safety, health, and risk management, structural performance, construction management, and architectural and urban-related applications. The challenges of DT implementation were also grouped based on industry-related, social and organizational, economic, technological, and political and legal challenges. Based on the results, future research directions and practical recommendations were presented to support the successful deployment of the technology.
Als Alternative zur konventionellen Bettung von Leitungen und Rohren in Sand werden immer häufiger Zeitweise fließfähige, Selbstverdichtende Verfüllbaustoffe (ZFSV) verwendet. Die Bettung in ZFSV kann zu einer Zeit- und Kostenersparnis führen. In diesem Beitrag wird gezeigt, dass die Verwendung von ZFSV zur Rohrgrabenverfüllung gegenüber der konventionellen Sandbettung neben der Schonung der natürlichen Ressourcen zusätzlich ein Einsparpotenzial bezüglich der Treibhausgasemissionen aufweist.
Nach Einführung in die Thematik werden unter Berücksichtigungen der EBGEO und des aktuellen Entwurfs des neuen Eurocodes 7, Teil 3 numerische Berechnungen zur Beanspruchung unbewehrter pfahlartiger Tragglieder / Stabilisierungssäulen aufgrund von Spreizverformungen von Erddämmen durchgeführt. Dabei werden u.a. die Materialeigenschaften der Tragglieder und die Dehnsteifigkeiten eingelegter Geogitter variiert, sowie deren Einflüsse auf die Verdrehung und Verbiegung der Tragglieder aufgezeigt.
Measured building survey
(2022)
The precisely measured documentation of historical buildings by means of drawings – the building survey – serves several purposes: it is not only an important part of the scientific study of architecture, but also an essential basis for building measures in existing contexts. It is the only way to undertake well-founded research respectively detailed architectural planning, from structural improvement to conservation and restoration measures. In addition to a historical overview of building surveying as a method, this volume mainly offers practical assistance regarding the different methods for documenting historic buildings – starting from manual methods of measuring up to electronic and computer-aided utilities available today. The content is complemented by many illustrations and examples as well as an introduction to methods, that go beyond the mere graphic documentation and thus represent ways of conducting thorough building examinations. The book offers easy access to the topic of building surveying, both for students as well as for anyone dealing professionally with historic buildings
Stahlbetonkonstruktion
(2023)
Die Grundlagen der Berechnung von Stahlbetonbauteilen werden in diesem Lehrbuch anhand der mechanischen Beziehungen erläutert. Ausgehend von den Nachweisen für Biegung und Querkraft werden auch die Berechnungen für die im Hochbau üblichen Stahlbetonbauteile, wie Balken, Platten, Stützen und Flachdecken erarbeitet. Neben den Nachweisen für Trag- und Gebrauchstauglichkeit werden aufbauend auf den Bemessungsergebnissen die Konstruktionsregeln und Bewehrungsführungen umfangreich dargestellt. Die im Lehrbuch vorgestellten theoretischen Grundlagen werden anhand zahlreicher Abbildungen erläutert. In jedem Kapitel sind zum besseren Verständnis umfangreiche Bemessungsbeispiele mit Praxisbezug enthalten. Um die LeserInnen für die Baupraxis vorzubereiten, werden auch die Erstellung von statischen Berechnungen, Schalplänen und von Bewehrungsplänen behandelt. Damit wird für den Hochbau eine umfassende Basis des Stahlbetonbaus vermittelt, welche einen erfolgreichen Start ins Berufsleben gewährleistet.
Aufbauend auf den Grundlagen des Stahlbetonbaus wird in diesem Lehrbuch das Konzept der Bemessung von Stahlbetonkonstruktionen mittels Stabwerkmodellen erläutert. Dieses Bemessungskonzept wird insbesondere im Bereich der Detailnachweise und bei gedrungenen Tragwerken im Stahlbetonbau benötigt. Neben der generellen Modellbildung und Nachweismethodik werden auch die üblichen Modelle und Nachweise für häufig vorkommende Details vorgestellt. Hierbei werden insbesondere Krafteinleitungsbereiche, Konsolen, ausgeklinkte Auflager, Rahmenknoten, Querschnittssprünge, Trägeröffnungen und Wandartige Träger detailliert behandelt. Die im Lehrbuch vorgestellten theoretische Grundlagen werden anhand zahlreicher Abbildungen erläuterten. In jedem Kapitel sind zum besseren Verständnis umfangreiche Bemessungsbeispiele mit Praxisbezug enthalten.
Despite the existence of societies, journals, conferences, and doctoral programs that generate increasing numbers of doctorates and research publications design research is not a coherent intellectual field with a clear boundary of its subject matter, nor an academic discipline founded on a consensual understanding of its purpose, methodology and pedagogical curriculum; subsequently, there is hardly any commonality across doctoral programs and the assessment of a doctoral degree is difficult if not impossible, so criticised the late design historian Victor Margolin. He called to unify and bound design research to solve these problems. While agreeing with his critiques and appreciating his good intentions, I will argue that his call is impractical as well as undesirable due to the social circumstances and the nature of design inquiry and the changing academic research practice which tend towards inter/transdisciplinarity. Efforts should rather be directed to join fragmented design research in an evolving and inclusive manner to establish a dynamically connected discipline.
In “Design Research: Making of a Connected Discipline Part 1”, I argue that the social circumstances and the nature of design inquiry and the changing academic research practice which tend towards inter/ trans-disciplinarity render building a unified and bounded discipline unrealistic and undesirable. In place of unified and bounded, I suggest connected to be a more viable concept to think about disciplinary
research in design. Here in Part 2, I make some suggestions to start making of a connected discipline.
Eine Herausforderung performancebasierter Prüfverfahren zur Bewertung der Dauerhaftigkeit ist die Beschleunigung natürlicher Mechanismen. Dies ist notwendig, um innerhalb kurzer Zeit die Langzeit-Leistungsfähigkeit ermitteln zu können. Die Bestimmung der Frost-Tausalzbeständigkeit von Beton kann durch den CDF-Test erfolgen, welcher für Betone mit ausreichendem Frost-Tausalz-Widerstand sehr gut funktioniert. Bei Proben mit einer unzureichenden bzw. unbekannten Performance können erhöhte Randabwitterungen auftreten, welche durch das Ablösen des seitlichen Abdichtbands entstehen. Der zunehmende Randeinfluss führt so zu einer Verfälschung der Ergebnisse und zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Performance des Bauteils. In diesem Beitrag werden Mörtel- und Betonprobekörper mit unterschiedlichen Abwitterungsraten in Anlehnung an das CDF-Verfahren untersucht. Zusätzlich wird die Oberflächenschädigung der Proben anhand einer neuartigen Messmethode mittels hochauflösendem 3D-Laserscanning ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Randeffekte mit der Laserscan-Methode umgangen und vergleichbare Ergebnisse zu den CDF-Untersuchungen erzielt werden können. Somit können Betone ohne Randeinflüsse charakterisiert und eine präzise Prognose der Langzeitbeständigkeit getroffen werden.
Die Carbonatisierung von Beton kann einerseits zu Schäden bei Stahlbetonbauwerken führen, andererseits kann der Beton so CO2 speichern und damit seinen CO2-Fußabdruck verringern. In diesem Beitrag wird dargestellt, wie eine effiziente Beschleunigung der Carbonatisierung durch Anlegen eines geringen äußeren Drucks erreicht werden kann. Damit wird neben der Diffusion der wesentlich schneller ablaufende Transportmechanismus der Permeation ausgenutzt, der das CO2 tiefer in das Probeninnere transportiert und damit in kurzer Zeit die Bestimmung des Carbonatisierungswiderstand zementgebundener Materialien ermöglicht. Hierzu wurde eine Prüfeinrichtung entwickelt, die es ermöglicht, die CO2-Konzentration und in gewissen Grenzen auch relative Luftfeuchte sowie die Temperatur gezielt einzustellen und zu steuern, um so Mörtel- und Betonproben schnell und präzise zu carbonatisieren. Der Einfluss verschiedener Druckstufen und Wechselzyklen wird dargelegt und die resultierenden chemischen und physikalischen Veränderungen der Proben bestimmt. Als besonders effizient und gleichzeitig realitätsnah erwies sich die konstante CO2-Beaufschlagung mit 3 Vol.-% CO2 mit zusätzlichem, moderatem Gasdruck. Das hier entwickelte Verfahren kann daher genutzt werden, um Betone schnell und effizient in zeitraffenden Materialtests hinsichtlich Carbonatisierungswiderstand zu charakterisieren.
Nach Einführung in die Thematik werden unter Berücksichtigung der EBGEO und des aktuellen Entwurfs des neuen Eurocodes 7, Teil 3 numerische Berechnungen zur Beanspruchung unbewehrter pfahlartiger Tragglieder/ Stabilisierungssäulen aufgrund von Spreizverformungen von Erddämmen durchgeführt. Dabei werden u.a. die Materi-aleigenschaften der Tragglieder und die Dehnsteifigkeiten eingelegter Geogitter variiert sowie deren Einflüsse auf die Verdrehung und Verbiegung der Tragglieder aufgezeigt.
Design research is an academic issue and increasingly a success factor for industrial,organizational and social innovation. Efficient methodical support is crucial. The fiercerejection of 1st generation design methods in the early 1970s resulted in thepostmodernist attitude of "no methods", and subsequently in the strong adoption ofscientific ways of thinking for design research. The situation regarding methodologyhas been characterized by unproductive dualisms such as scientific vs. designerlymethods, normative vs. descriptive methods, research vs. design. The potential of theearly (1st generation) methods is neglected and the practical usefulness of designresearch is impeded. The suggestion for 2nd generation methods, conceived asdiscursive instruments, as discussed by Rittel and others has hardly been taken up indesign. The development of MAPS is aimed at the support of practice-oriented design,innovation and research processes. The long-term aim is the development of anintegrated knowledge and communication platform for research through design. MAPSis based upon the idea of a productive reconciliation of the strong dualisms between"scientific" and "designerly" modes of inquiry and supports the emerging concept ofdesign thinking. The paper reports on the ongoing research and development processfrom MAPS1.0 towards MAPS2.0 and beyond.
Beyond Dualisms in Methodology. An Integrative Design Research Medium "MAPS" and some Reflections
(2008)
Design research is an academic issue and increasingly an essential success factor for industrial, organizational and social innovation. The fierce rejection of 1st generation design methods in the early 1970s resulted in the postmodernist attitude of "no methods", and subsequently, after more than a decade, in the strong adoption of scientific methods, or "the" scientific method, for design research. The current situation regarding methodology is characterized by unproductive dualisms such as scientific methods vs. designerly methods, normative methods vs. descriptive methods, research vs. design. The potential of the early (1st generation) methods is neglected and the practical usefulness of design research is impeded. The suggestion for 2nd generation methods as discussed by Rittel and others has hardly been taken up in design. The development of a methodological tool / medium for research through design – MAPS1 – (which is the central part of the paper) presents the cause and catalyst for some reflections about the usability / desirability / usefulness of methodical support for the design (research) process.