Lehrveranstaltung
Numerische Methoden in der Geotechnik
Numerical Methods in Geotechnical Engineering
Stand: 27.10.2022 (Stanford)
Die Vorlesung/Hörsaalübung im Wintersemester 2022/23 findet in Präsenz im Raum N0009 (Do 09:45-12:00) statt. Im Januar 2023 werden Computerkurse an drei Samstagen im Raum HS36/104 angeboten. Zur Teilnahme an der Lehrveranstaltung ist eine Anmeldung der Studierenden bei Stud.IP erforderlich.
Dozent
Teilnehmerinnen und Teilnehmer
- Bis Sommersemester 2020: Studierende des Master-Studiengangs Bauingenieurwesen, 2. Semester, Bestandteil des Pflichtmoduls "Marine Geotechnik und Numerik" (3 ECTS, 3 SWS) für die Vertiefung Tiefbau sowie Hafenplanung und Küstenschutz
- Ab Wintersemester 2020/2021: 1. Semester, Bestandteil des Moduls "Geotechnik III" (3 ECTS, 3 SWS) für folgende Studiengänge:
- BAUMS: Vertiefung Tragwerke, Tiefbau sowie Hafenplanung und Küstenschutz (Pflicht)
- BAUMS: Vertiefung Wasser und Verkehr (Wahlpflicht)
- IWIMS: Vertiefung II Bauingenieurwesen (Wahlpflicht)
Voraussetzungen
- Erfolgreiche Teilnahme an den Lehrveranstaltungen Mathematik 1 bis 3 sowie Geotechnik I (Bodenmechanik) und Geotechnik II (Grundbau) im Bachelor-Studiengang Bau- und Umweltingenieurwesen
Lernziele
- Erfassung der Grundlagen der numerischen Simulation physikalischer Prozesse im Boden unter Berücksichtigung der Boden-Bauwerk-Interaktion:
- Erkennen und Beschreibung physikalischer Prozesse im Boden
- Modellierung dieser Prozesse basierend auf Kontinuumstheorien für den Boden
- Näherungsweise Lösung der Modellgleichungen mit numerischen Methoden, vor allem mit der Finite-Elemente-Methode (FEM)
- Durchführung, Bewertung und Validierung numerischer Simulationen basierend auf der FEM
- Vorbereitung auf Projekt- und Masterarbeiten
- Anregung zum Eigenstudium
Vorlesung
- Einführung in die numerische Simulation
- Kontinuumsansatz (Kontinuumshypothese, bestimmende Gleichungen, Randwertprobleme, numerische Lösung von Randwertproblemen und Anfangsrandwertproblemen)
- Alternative Ansätze
- Einführung in die Numerische Mathematik
- Numerische Differentiation
- Numerische Integration
- Numerische Lösung gewöhnlicher Differentialgleichungen
- Numerische Lösung partieller Differentialgleichungen
- Numerische Lösung linearer und nichtlinearer Gleichungen und Gleichungssysteme
- Finite-Elemente-Methode - Analyseprozeduren und Algorithmen
- Statische Verformungsanalyse für den dränierten Zustand (linear, materiell nichtlinear, geometrisch nichtlinear)
- Statische Verformungsanalyse für den undränierten Zustand
- Stationäre Grundwasserströmungsanalyse
- Quasi-statische Konsolidierungsanalyse
- Standsicherheitsanalyse basierend auf der Reduzierung der Scherfestigkeit des Bodens
- Finite-Elemente-Methode - Anwendung
- Projektplanung: Bewertung von Hard- und Softwareressourcen
- Vorbearbeitung: Bewertung der Datengrundlage, Zieldefinition, Modellierung des Untergrunds, Modellierung von Strukturen, Modellierung der Boden-Bauwerk-Interaktion, Lastgeschichte
- Analyse: Seriell vs. parallel, deterministisch vs. stochastisch
- Nachbearbeitung: Datenaufbereitung, Plausibilitätskontrolle, eingehende Fehleranalyse, Validierung, Dokumentation
Hörsaalübung
- Vorrechnen von Aufgaben
- Übungen zur Numerischen Mathematik (Anwendungen bzw. Programmiersprachen: MATLAB, GNU Octave, Python, Julia, Fortran)
- Übungen zur Finite-Elemente-Methode (Anwendungen: PLAXIS, Abaqus, Optum)
Gruppenübung
- PLAXIS-Kurs I für Einsteiger (ganztägiger Kurs im Januar für aktive Teilnehmer der Lehrveranstaltung)
- Statische Verformungsanalyse, quasi-statische Konsolidierungs- und quasi-statische Kriechanalyse für eine Bodensäule
- Statische Verformungsanalyse für einen CD-Triaxialversuch
- Stationäre und transiente Grundwasserströmungsanalyse für einen Deich
- Standsicherheitsanalyse für eine Böschung (SRFEA)
- Statische Verformungsanalyse, quasi-statische Konsolidierungsanalyse und Standsicherheitsanalyse für eine Baugrubensicherung
Digitale Angebote
- Lehrmaterial über Stud.IP (Dateien: Skriptum zur VL und HÜ, Addon's zum Skriptum, Unterlagen zur GÜ)
- Wöchentliche Sprechstunde als Webmeeting per Zoom
- Selbsttest zur Überprüfung des Vorwissens über Stud.IP (Vips)
- Selbsttest zur Überprüfung des Vorlesungsstoffs über Stud.IP (Vips)
- Hörsaalübung mit der Software PLAXIS, Abaqus, Optum sowie Programmierung mit Fortran, Python, Julia, MATLAB und GNU Octave
- Gruppenübung im PC-Pool des Instituts B-5 mit der Software PLAXIS
Leistungsnachweis
- Prüfungsmodus für Studienanfänger vor WiSe 2014/2015: Modulprüfung zusammen mit der LV "Ausgewählte Themen der Bodenmechanik", mündliche Prüfung, Dauer 40 Minuten. Bei der Modulprüfung ergibt sich die Gesamtnote aus den Teilnoten, die anhand der ECTS-Punkte gewichtet werden. Die Modulprüfung ist bestanden, wenn die Gesamtnote mindestens 4,0 ist.
- Prüfungsmodus für Studienanfänger ab SoSe 2015 bis Sommersemester 2020: Klausur im Rahmen der Modulprüfung "Marine Geotechnik und Numerik", Gewichtung der Modulnote nach Verteilung der ECTS-Punkte, Dauer der Teilprüfung: 60 Minuten, Hilfsmittel bei der Prüfung: Skript zur Vorlesung und zum FEM-Kurs, Taschenrechner
- Prüfungsmodus ab Wintersemester 2020/2021: Klausur im Rahmen der Modulprüfung "Geotechnik III", Gewichtung der Modulnote nach Verteilung der ECTS-Punkte, Dauer der Teilprüfung: 60 Minuten, Hilfsmittel bei der Prüfung: Skript zur Vorlesung und zur Hörsaalübung, Unterlagen zum FEM-Kurs, Taschenrechner
Literaturhinweise
- Lehrbücher:
- Wriggers P. (2001): Nichtlineare Finite-Elemente-Methoden. Springer
- Wriggers P. (2008): Nonlinear Finite Element Methods. Springer
- Empfehlungen:
- EANG (2013): Empfehlungen des Arbeitskreises "Numerik in der Geotechnik". Ernst & Sohn, Hrsg.: Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (DGGT)