Data science

Inhaltsverzeichnis

1. 1. 1. F - 18 Maschinelles Lernen zur Optimierung von FE-Simulationen
      2. F - 17 Faseroptische Messungen unter hochfrequenten Einwirkungen
      3. F - 16 Numerische Untersuchung der Querrissbildung in Betonbalken
      4. F - 15 Rissfortschritt in ermüdungsbeanspruchten Stahlbauteilen
      5. F - 14 Einfluss der Messdatenqualität auf die messwertgestützte Nachweisführung
      6. F - 13 Erfassung mehrdimensionaler Zustände mit Faseroptik
      7. F - 12 Langzeiteinwirkungen auf faseroptische Sensoren
      8. F - 10 Qualitätsmaße für Messdaten verteilter faseroptischer Sensoren
      9. F - 7 KI-basierter Entwurfsassistent für die Vorplanung von Brücken
      10. F - 1 Schädigungsbeurteilung mittels Ultraschallmessungen

F - 18 Maschinelles Lernen zur Optimierung von FE-Simulationen

Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist ein zentrales Werkzeug zur Berechnung des Tragverhaltens von Ingenieurbauwerken. Insbesondere bei komplexen Strukturen und umfangreichen Lastfallkombinationen kann die Rechenzeit jedoch erheblich ansteigen. In dieser Arbeit soll untersucht werden, wie Künstliche Intelligenz (KI) genutzt werden kann, um FE-Analysen effizienter zu gestalten.

Ein Fokus liegt auf der Entwicklung und Evaluierung von Surrogatmodellen, die durch maschinelles Lernen trainiert werden, um FE-Simulationen zu approximieren. Dabei sollen Methoden wie neuronale Netze oder Gaussian Processes eingesetzt werden, um Last-Verformungs-Beziehungen vorherzusagen, ohne auf eine vollständige FE-Berechnung angewiesen zu sein.

Die Arbeit umfasst:

• Literaturrecherche zu bestehenden KI-Ansätzen in der numerischen Tragwerksanalyse,
• Erstellung eines einfachen, parametrisierten FE-Modells,
• Erstellung eines KI-Modells, das auf Basis der FE-Daten trainiert wird,
• Vergleich der Ergebnisse mit klassischen FE-Simulationen hinsichtlich Genauigkeit und Rechenzeit.

Diese Arbeit richtet sich an Studierende mit Interesse an numerischen Methoden und Künstlicher Intelligenz. Vorkenntnisse in Python, maschinellem Lernen und FE-Software sind vorteilhaft, aber nicht zwingend erforderlich.

Ansprechpartner:
Max Herbers, M.Sc.
0351 463 39620

F - 17 Faseroptische Messungen unter hochfrequenten Einwirkungen

Mit faseroptischen Sensoren können Dehnungen über sehr große Längen kontinuierlich gemessen werden. Damit bietet die innovative Technologie der Faseroptik, die zunehmend Einzug in das Bauwesen erhält, großes Potenzial zur Bewertung von Brückenbauwerken im Bestand. Durch die präzise Erfassung des Rissbildes oder lokaler Dehnungsänderungen, z. B. infolge von Schäden an den Spanngliedern, können kritische Zustandsänderungen frühzeitig angezeigt werden. Herausforderungen existieren jedoch, wenn während einer Messung hochfrequente Dehnungsänderungen, z. B. infolge von Verkehrseinwirkungen, auftreten. Ziel dieser studentischen Arbeit ist es, mit einfachen Laborversuchen und vorhandenen Datensätzen realer Bauwerke die messtechnischen Grenzen der Faseroptik zu untersuchen und einzugrenzen. Als Ergebnis sollen wertvolle Informationen zum faseroptischen Bauwerksmonitoring vorliegen, mit denen die Messdatenqualität auch bei dynamischen Einwirkungen auf Brücken sichergestellt werden kann.

Die konkrete Aufgabenstellung wird nach Rücksprache individuell ausgearbeitet.

Ansprechpartnerin:
Dipl.-Ing. Maria Walker
+49 351 463 39820

F - 16 Numerische Untersuchung der Querrissbildung in Betonbalken

Die Instandhaltung und Bewertung von Brückeninfrastrukturen ist von entscheidender Bedeutung für die Wirtschaft, da diese Bauwerke für den Verkehr und den Handel unverzichtbar sind. Viele Betonbrücken sind inzwischen veraltet und entsprechen möglicherweise aufgrund überholter Entwurfsmethoden und gestiegener Verkehrslasten nicht mehr den modernen technischen Standards. Ein häufig festgestellter Versagensmechanismus bei der Nachrechnung bestehender Brücken gemäß den Nachrechnungsrichtlinien ist die unzureichende Schubtragfähigkeit, die zum vorzeitigen Abriss zahlreicher Brücken führt.

In diesem Projekt sollen Betonbalken mit unterschiedlichen Längen und Bewehrungsgraden mithilfe der Software ATENA modelliert werden, um das Scherrissverhalten zu simulieren und zu analysieren. Ziel ist es, ein zuverlässiges numerisches Modell zu entwickeln, das die Scherrissbildung präzise vorhersagt und eine Grundlage für künftige experimentelle Untersuchungen bietet. Die folgenden Aufgaben sollen auf Basis der Schlüsselaspekte gelöst werden:

• Literaturübersicht über die Scherrissbildung in Beton
• Literaturübersicht über die ATENA-Software und die Schermodellierungsparameter
• Entwicklung eines numerischen Modells mit der ATENA-Software
• Auswertung der Scherrissmuster
• Durchführung parametrischer Studien
• Zusammenfassung aller Ergebnisse, um Schlussfolgerungen und Ausblicke zu geben.

Ansprechpartner:
Kleo Lila, M.Sc.
0351 463 40471

F - 15 Rissfortschritt in ermüdungsbeanspruchten Stahlbauteilen

Ausführlicher Titel: Messung des Rissfortschrittes ermüdungsbeanspruchter, reparierter Stahlbauteile

Zur Reparatur von Ermüdungsrissen in Stahlbauteilen bieten aufgeklebte Lamellen aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) aufgrund ihrer hohen Steifigkeit und gewichtsspezifischen Festigkeit ein besonderes Sanierungspotential. Um das Vertrauen in diese innovative Reparaturmethode zu stärken, ist es erforderlich, die Rissentwicklung des ermüdungsrisssanierten Bauteils am realen Tragwerk zu überwachen und im Labor nachzuvollziehen. Das Problem dabei ist jedoch, dass die Stahlbauteiloberfläche durch die CFK-Lamelle verdeckt und somit nicht zugänglich ist. Hier setzt die Arbeit an.

Im Rahmen der Arbeit sollen Strategien für die Nachverfolgung des Rissfortschrittes sowohl unter Laborbedingungen, als auch bei Anwendung an einem realen Tragwerk erarbeitet und experimentell erforscht werden. Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Konsistenz der Mess- und Analyseverfahren sollen über eine Methodenvalidierung herausgestellt werden. Ziele der Arbeit sind die Ableitung einer Vorzugsmethodik zur messtechnischen Erfassung des Rissfortschrittes sanierter Stahlbauteile, die experimentelle Erprobung der Einflussfaktoren für diese Variante und Erstellung einer Handlungsanweisung zur optimalen Anwendung der Messmethodik.

Details zur Aufgabenstellung werden im Vorfeld der Bearbeitung konkretisiert.

Ansprechpartner:
Max Herbers, M.Sc.
0351 463 39620

F - 14 Einfluss der Messdatenqualität auf die messwertgestützte Nachweisführung

* Bearbeitung in deutscher Sprache *

Durch sensorische Überwachung von Brückenbauwerken können Tragfähigkeiten und Einwirkungen realitätsnäher abgebildet und damit rechnerische Sicherheitsdefizite vermieden werden. Jedoch fehlen in den Regelwerken konkrete Empfehlungen für die Durchführung messwertgestützter Nachweise. Auch der Umgang mit Messunsicherheiten in Kombination mit dem Sicherheitskonzept ist nicht geregelt. Im Rahmen der Diplomarbeit sind Anforderungen an die Messdaten für ihre Weiterverwendung in der Nachweisführung zu spezifizieren. Sowohl die Datenqualität als auch der Messumfang können einen erheblichen Einfluss auf die Nachweisführung haben. So können bspw. ungenau oder fehlerhaft arbeitende Sensoren den Tragsicherheitsnachweis beeinflussen. Es muss definiert werden, welche Qualitätskriterien für Nachweise erforderlich sind und wie diese beschrieben werden können, sodass eine Berücksichtigung der Messdatenqualität im darauffolgenden Berechnungsprozess erfolgen kann.

Folgende Teilaufgaben können bearbeitet werden:

• Recherche möglicher Qualitätskriterien für Messdaten an Brücken
• Recherche gängiger Methoden und Algorithmen für die automatisierte Bewertung der Daten hinsichtlich ihrer Qualität
• Validierung der Qualitätskriterien und ausgewählter Algorithmen anhand von realen Messdaten
• Prüfung der Auswirkungen der variierenden Messdatenqualität und des Messumfangs auf Nachweisergebnisse für ein Versagensmechanismus
• Prüfung der Kompatibilität entwickelter Konzepte mit den bestehenden Normen und Regelwerken.

Die konkrete Aufgabenstellung wird nach Rücksprache individuell ausgearbeitet.

Ansprechpartnerin:
Dipl.-Ing. Maria Walker
0351 463 39820

F - 13 Erfassung mehrdimensionaler Zustände mit Faseroptik

Ausführlicher Titel: Erfassung des mehrdimensionalen Spannungs- und Dehnungszustands von Betonbauteilen auf Basis verteilter Dehnungsmessung mit verteilten faseroptischen Sensoren

Faseroptische Sensoren eignen sich zur aufgrund ihrer hohen örtlichen Auflösung zur quasi-kontinuierlichen Dehnungsmessung. Daher haben sie einer große Bedeutung für die Überwachung des Bauwerksverhaltens, wie z. B. Verformungen. Durch netzartige Verlegung kann mit diesen linearen Sensoren auch der dreidimensionale Verformungszustand von Bauteilen erfasst werden. Daher ist in dieser Abeit eine Methodik zur Kompensation von langzeitlichen Einwirkungen bei verteilten faseroptischen Sensoren zu entwickeln. Die Algorithmen werden in ein vorhandenes Python-Software-Framework implementiert und an Experimentaldaten validiert.

Die Arbeit besteht aus folgenden Arbeitspaketen:

• Literaturrecherche zu verteilten faseroptischen Sensoren und effizienten Koordinatentransformationen
• Implementation (georeferenzierter) Lokalisierung und Ausrichtung des faseroptischen Sensors im dreidimensionalen Raum
• Verknüpfung des Sensors mit virtuellen Bauteilmodellen
• Rekonstruktion des Dehnungsfelds durch Interpolation oder numerische Verformungsberechnungen des Bauteils
• Berechnung des Spannungsfelds und Verformungszustand anhand des Dehnungsfelds mittels numerischem oder analytischem Modell
• Implementation der (analytischen) Methoden in ein vorhandenes Python-Software-Framework
• Validierung der entwickelten Methoden an Experimentaldaten

Details zur Aufgabenstellung werden vor Beginn der Bearbeitung sowie während der Bearbeitungszeit präzisiert. Von Vorteil ist Interesse oder Erfahrung an Softwareentwicklung/Programmierung.

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Bertram Richter
0351 463 32822

F - 12 Langzeiteinwirkungen auf faseroptische Sensoren

Ausführlicher Titel: Einfluss von Langzeiteinwirkungen auf verteilte faseroptische Sensoren an Betonbauteilen

Faseroptische Sensoren eignen sich zur aufgrund ihrer hohen örtlichen Auflösung zur quasi-kontinuierlichen Dehnungsmessung. Daher gewinnen sie zunehmend an Bedeutung für die Bauwerksüberwachung, insbesondere zum Rissmonitoring. Beton zeigt lastabhängiges und lastunabhängiges Langzeitverhalten. Zudem sind Bauwerke auch Temperaturschwankungen ausgesetzt. Diese verfälschenden Einflüsse auf faseroptische Sensoren müssen für ein Monitoring ab Stunde kompensiert werden.

Daher ist in dieser Arbeit eine Methodik zur Kompensation von langzeitlichen Einwirkungen bei verteilten faseroptischen Sensoren zu entwickeln. Die Algorithmen werden in ein vorhandenes Python-Software-Framework implementiert und an Experimentaldaten validiert. Die Arbeit besteht aus folgenden Arbeitspaketen:

• Literaturrecherche zu Langzeitverhalten und Temperaturverhalten von verteilten faseroptischen Sensoren und Beton
• Erstellung eines numerischen Modells zur Untersuchung von Temperaturfeldern und Beton-Langzeitverhalten an einem Betonbauteil
• Ableitung und Entwicklung von Kompensationsansätzen
• Implementation der Methoden in ein vorhandenes Python-Software-Framework
• Validierung der entwickelten Methoden an Experimentaldaten und dem numerischen Modell

Details zur Aufgabenstellung werden vor Beginn der Bearbeitung sowie während der Bearbeitungszeit präzisiert. Von Vorteil ist Interesse/Erfahrung an Softwareentwicklung/Programmierung.

Ansprechpartner:
Max Herbers, M.Sc.
0351 463 39620

F - 10 Qualitätsmaße für Messdaten verteilter faseroptischer Sensoren

Faseroptische Sensoren eignen sich zur aufgrund ihrer hohen örtlichen Auflösung zur quasi-kontinuierlichen Dehnungsmessung. Daher gewinnen sie zunehmend für das Bauwerksmonitoring an Bedeutung. Die Datenqualität wird von einer Vielzahl an Faktoren beeinflusst (Sensortyp, Applikationstechnik, Messverfahren etc.). Unterschiedliche Sensorapplikationen und deren Eignung zum Rissmonitoring wurden untersucht, können aufgrund fehlender Qualitätsmaße jedoch nicht objektiv bewerten werden.

Im Rahmen der Arbeit sollen daher Qualitätsmaße für Daten verteilter faseroptischer Sensoren entwickelt werden. Die Algorithmen werden in ein vorhandenes Python-Software-Framework implementiert und an Experimentaldaten validiert. Die Arbeit besteht aus folgenden Arbeitspaketen:

• Literaturrecherche zu verteilten faseroptischen Sensoren und Signalverarbeitung
• Gegenüberstellen vorhandener Ansätze für Qualitätsmaße, Entwicklung eigener Ansätze
• Entwicklung von Bewertungskriterien für messtechnische Anomalien (Rauschen, Messfehler, Ausfälle)
• Entwicklung von Bewertungskriterien für Dehnungspeaks (Erkennbarkeit, Stabilität)
• Implementation der Ansätze in ein vorhandenes Python-Software-Framework
• Vergleich der Ansätze anhand experimenteller Daten
• Auswertung der Experiment und Ausarbeiten von Empfehlungen für folgende Experimente

Details zur Aufgabenstellung werden vor Beginn der Bearbeitung sowie während der Bearbeitungszeit präzisiert. Von Vorteil ist Interesse oder Erfahrung an Softwareentwicklung/Programmierung.

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Bertram Richter
0351 463 32822

F - 7 KI-basierter Entwurfsassistent für die Vorplanung von Brücken

Der Brückenentwurf ist im Allgemeinen ein kreativer Prozess mit vielfältigen Anforderungen und Randbedingungen. Häufig erfolgt der Entwurfsprozess manuell und ohne teilautomatisierte Unterstützungsprozesse. Er ist demnach optimierungsfähig, insbesondere in Zeiten hohen Neubaubedarfs und wachsender Nachhaltigkeitsanforderungen. Der Brückenentwurf erfolgt innerhalb gegebener, vielzähliger Randbedingungen. In der Leistungsphase „Vorplanung“ wird unter Berücksichtigung wichtiger Randbedingungen wie bspw. Topografie, Lichtraum- und Straßenprofil eine Vorzugsvariante gefunden. Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens (ML) bieten heutzutage Unterstützungsmöglichkeiten für allgemeine Entwurfsmethoden und auch für die Brückenplanung. Es können dabei Daten von gebauten Brücken berücksichtigt und daraus neue Entwurfsvorschläge abgeleitet werden.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen digitalen Entwurfsassistenten für die Vorplanung einer Brückentypologie mittels KI-Methoden zu entwickeln, der für vorgegebene Randbedingungen mögliche Brückenvarianten vorschlägt. Die Arbeit kann mittels einer Auswahl aus folgenden Schritten bearbeitet werden:

• Recherchen und Kategorisierung von KI-Methoden für den Entwurfsprozess
• Entwicklung eines parametrischen FEM-Optimierungsmodells (Software: Grasshopper + Karamba + bspw. Galapogos)
• Aufbau eines Datensatzes mit synthetischen und realen Brückenbemessungen von Überbauten
• Untersuchung der synthetischen Datenbank optimierter Brücken für vorhandene Brücken (Software: OrangeDataScience). Dafür soll eine Clusteranalyse statisch-konstruktive Zusammenhänge erfassen. Eine Korrelationsanalyse soll für bestimmte Entwurfsparameter die Zusammenhänge mit den Zielgrößen genauer erläutern.
• Training von vorhandenen Regressionsalgorithmen und Auswertung der Zuverlässlichkeit

Die Arbeit ist Bestandteil des Forschungsprojekts mFUND-HyBridGen – Hybrid Bridge Generator: KI-basierter Brückengenerator mit Wissens- und Erfahrungsdaten und früher Bürgerbeteiligung. Die Betreuung kann gemeinsam mit der Planungs- und Softwarefirma A+S Consult GmbH erfolgen.

Ansprechpartner:
Jakob Grave, M.Sc.
030 220 777 74

F - 1 Schädigungsbeurteilung mittels Ultraschallmessungen

Vollständiger Titel: Schädigungsbeurteilung von zyklisch belasteten Betonstrukturen mit Ultraschallmessungen

Betontragwerke unter einer bestimmten Lasteinwirkung versagen nicht, weil sie abrupt von einem „normalen“ Zustand in einen Bruchzustand wechseln, sondern, weil der Degradationsprozess mit zunehmender Belastung so lange voranschreitet, bis ein Materialversagen eintritt. Unter Einwirkung mechanischer Lasten konzentrieren sich zuerst die Spannungen in der Umgebung von Materialdefekten oder Grenzflächen in der Mikroskala und zerstören die Bindungen zwischen einzelnen Molekülen. Bei zunehmender mechanischer Last wachsen und vereinen sich die Mikrorisse dann, was zur Entstehung von Makrorissen führt. Während dieses Prozesses wird die Gitterstruktur des Stoffes, die als Ausbreitungsmedium für die Spannungswellen eines Ultraschallimpulses dient, fortschreitend geändert und auf diese Weise kann die Schädigung erfasst werden.

Ziel dieser Arbeit ist es, Ultraschallmessungen der Degradationsentwicklung aus zyklisch beanspruchten Betonproben und Balken mit den Hypothesen der Schadensakkumulation in Beziehung zu setzen. Aus diesen Zusammenhängen und unter Verwendung von Konzepten der Robustheit und Redundanz sollen Sicherheitsfaktoren ermittelt und die verbleibende Restnutzungsdauer bewertet werden.

Ansprechpartner:
Raúl Enrique Beltrán Gutiérrez, M.Sc.
0351 463 33675