Institut für Geotechnik und Baubetrieb

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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

Dr.-Ing. Hans Stanford

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)