Bauinformatik in Hannover - IRZ · • Geometrie der Zelle: konvexe und nicht-konvexe Polyeder ......

Universität Hannover Institut für Bauinformatik

Bauinformatik in Hannover

Volker BerkhahnInstitute for Computer Science in Civil Engineering

University of Hannover, Germany


Überblick

• Vorstellung des Institutes

• Vorstellung der Forschungsschwerpunkte

• Bruchkantenidentifikation in Topographien

• Generierung von Elementnetzen für hydrodynamische Simulationen


Institut für Bauinformatik

Finite Elemente Approximation auf der Basis beliebigdimensionaler Zellen (T. Fröbel, P. Milbradt)• Klassische Finite Elemente Methode: Einschränkung auf

einfache Geometrie der Elemente• Einschränkung durch natürliche Elementkoordinaten auf

beliebigen Polyedern aufgehoben• Bestimmung der natürlichen Element-

koordinaten über Voronoi-Zerlegungen• Nicht-nonvexe Polyeder als Finite

Elemente: Mengenoperationen der konvexen Hüllen und der konvexen Subpolyeder



Gleichungslöser für Finite Elemente auf der Basis natürlicherElemente (T. Pick, P. Milbradt)• DFG-Graduierten Kolleg 615 „Interaktion von Modellbildung,

Numerik und Software-Konzepten für technisch-wissenschaftliche Problemstellungen“

• Geometrie der Zelle: konvexe und nicht-konvexe Polyeder• Numerische Integration über Gauß-Punkte• Barizentrische Zerlegung der Zellen mit Simplexe• Algebraische

Mehrgitterverfahren mit Master- und Slave-Knoten



Kopplung Zellularer Automaten und Finite-Element-Strömungsmodelle(T. Schonert, M. Höcker, P. Milbradt)• DFG-Graduierten Kolleg 615 „Interaktion von Modellbildung,

Numerik und Software-Konzepten für technisch-wissenschaftliche Problemstellungen“

• Simulation physikalischer Systemgrößen: FE-Verfahren zur Lösung der DGL, stetige Systemgrößen

• Simulation ökologischer Systemgrößen: Zellulare Automaten, diskrete Fuzzy-Mengen

• Beispiel: Strömungsmodell, Reibungskoeffizienten ausSeegrasbewuchs



Re-Engineering im konstruktiven Ingenieurbau:Von der Bauzeichnung zum Produktmodell (S. Tilleke, V. Berkhahn)• Zusammenarbeit mit Bauinformatik TU München (E. Rank, M.

Schleinkofer)• Line-Search-Algorithmus über Mediale Achsen• Geometrische und topologische

Kriterien zur Identifikation von Bauteilen

• Neuronale Netze zur Bemaßungserkennung

• Geometrieinformation fürProduktmodell



Re-Engineering im konstruktiven Ingenieurbau:Von der Bauzeichnung zum Produktmodell (S. Tilleke, V. Berkhahn)

• Anwendung im Verkehrswesen




• Anwendung in der Geodäsie (Deutsche Grundkarte M 1:5000)




• Verbundprojekt Strömungsmechanik und Geodäsie



Relationale Prozessmodellierung in kooperativer Gebäudeplanung(A. Klinger, V. Berkhahn)• DFG-Projekt im Rahmen des SPP 1103: Vernetzt-kooperative

Planungsprozesse im Konstruktiven Ingenieurbau • Grundlagen: Mengen-, Relationen- und Graphentheorie• Hierarchische Graphensysteme,

Petri-Netze und Netzpläne• Konsistenz- und Korrektheits-

bedingungen für Strukturen, Hierarchien und Bewertungen



Relationale Prozessmodellierung in kooperativer Gebäudeplanung(A. Klinger, V. Berkhahn)• Hierarchischer Workflow-Graph

- Transitionen und Aktivitäten- Hierarchie-Ebenen

• Bewertete Prozess-Struktur- Aktivitäten: Zeitdauer- Transitionen: Zeitversatz- Analyse der kritischen Wege

• Transferprojekt mit Praxispartnern aus Hamburg und Teheran



Ganzheitliche Modellierung von Verkehrsabläufen auf Autobahnen(M. Rose)• Hierarchische Struktur• Heterogen modellierte

Verkehrsabläufe- mikroskopisch- makroskopisch- mesoskopisch

• Reproduktion von typischen Phänomenen

- Staubildung- Stop-and-Go-Wellen- Detektordaten



Holistische Modelluntersuchungen zur Interaktion von Seegang,Tideströmungen und Morphodynamik (P. Milbradt)• JadeWeserPort, Tiedewasser-Containerhafen• Umweltverträglichkeitsprüfung der BAW-DH• Simulation der ausbaubedingten Änderungen der

Tideströmungen und des Seegangs• Szenario A: instationäre Tideströmungen und stationäre

Seegangsereignisse -> erste Abschätzung

• Szenario B: vollständig gekoppelte Simulationsmodelle

• Ergebnis: Lokaler Einfluss des Ausbaus



Ein hybrides Schema zur Elementgenerierung basierend auf einerTopographie-Analyse (V. Berkhahn, K. Kaapke)

• Erkennung von charakteristischen Merkmalen der Topographie

• Analyse-Grid mit quadratischen Elementen

• Bestimmung der Steigungen und Steigungsänderungen

• Identifikation von Bruchkanten• Interpolation der Bruchkanten

auf Analyse-Grid



Ein hybrides Schema zur Elementgenerierung basierend auf einerTopographie-Analyse (V. Berkhahn / K. Kaapke)• Bruchkanten für Strukturierung der Topographie• Reguläre Netze (Flussbett, Flussböschungen,

Deichböschungen): Vorgabe der Elementgröße, Elementorientierung, Seitenverhältnis; Vernetzung auf Basis von b-Spline-Flächen

• Irreguläre Netze (Vorländer, Verknüpfung der reguärenTeilnetze): Vorgabe der Elementgröße; Vernetzung auf Basis von Delaunay-Refinement



Bauinformatik-Seminar 2005 im Söllerhaus / Kleinwalsertal


Breakline Detection and Hybrid Meshing Scheme

• Introduction

• Breakline Detectionbilinear, rectangular analysis gridb-spline, rectangular analysis gridinterpolation of breakline points

• Hybrid Meshing Schemeregular meshes based on b-spline surfacesirregular meshes based on Delaunay triangulation and mesh adaptation

• Conclusions and Outlook


Breakline Detection and Hybrid Meshing Scheme

• Sebastian Rath, Erik PascheArbeitsbereich Wasserbau, River and Coastal EngineeringTechnische Universität Hamburg-Harburg

• Stephan Mai1, Oliver Stoschek2, Andreas MathejaFranzius - Institut für Wasserbau und KüsteningenieurwesenUniversität Hannover 1 Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG), Abteilung M4, Koblenz2 DHI Wasser & Umwelt GmbH, Syke

• Stefan Schimmels, Ingo JungeInstitut für Strömungsmechanik, Universität Hannover

• Kai Kaapke3, Matthias Göbel4, Volker BerkhahnInstitut für Bauinformatik, Universität Hannover3 Water Research Laboratory, University of New South Wales, Sydney 4 Projektionisten GmbH, Hannover


Introduction

• numerical simulations in hydrodynamics

• approximation of the topography by element meshes

• approximation accuracy influences the quality of numerical simulations

• mesh generation based on high resolution topo-graphic survey data


• generation of element meshes based on measurement points, digital surface models, maps and any other available information

• information summarized in a geometry model

Introduction


• different structures of measurement points

cross sectional data (Oste River)

Introduction



longitudal section data (Lühe River)

Introduction



echo sounding data (Delaware River)

Introduction


• different structures of measurement points overlappings with ambiguous surface information gaps without significant surface information

different measurement campaigns (Weser River and tidal harbour of Bremen)

Introduction


Introduction

• great abundance or lack of measurement points • no coherence to the required element node density, to simulate

the hydrodynamic behavior

estuary of Delaware River detail of Bremen Harbor


Introduction

requirements for mesh generation:

• element representation for river beds and levee slopes:element orientation, edge ratio and element size prescribed

• element representation for floodplains:element size prescribed

• different areas for the element mesh generation


Introduction

hybrid meshing scheme:

• regular triangular element meshes, b-spline surfaces meshing

• irregular triangular element meshes, coarsening and refinement based on Delaunay triangulation

objective of breakline identification:

• orientation of elements

• definition of different meshing areas


• definition of segmented b-spline surfaces:

point on b-spline surface global parameter set control points / deBoor pointsnumber of deBoor pointsshape functions / b-spline functions grade of b-spline functions

B-Spline Surfaces

[ ] [ ]K N 1

3ij

N MK L

ij i ji 0 j 0

L M 1u ,u

(u,v) N (u)N (v)

u v v ,v

N, M K, L ;

for ;

with ; +

= =

+

∈

=

∈ ∈

∈ ∈

∑ ∑

d

b d

EN N

ij

Ku Li j

N 1, M 1N (u), N (v)

K, L

(u,v)u, v

+ +

d

b


• definition of segmented b-spline functions:node vectors

b-spline functions of grade r

b-spline functions of grade 0

B-Spline Surfaces

[ ][ ]

0 N K 1

0 M L 1 j

i i 1

j 1

u ,u

v ,v

u u i 0,..., N K

v 0,...,M L

T

T

with for

with v for j+ +

+ +

+

+

= ≤ = +

= ≤ = +

u

v

r r 1 r 1i i r 1i i i 1

i r i i r 1 i 1

u u u uN (u) N (u) N (u) r 1,..., N Ku u u u

for − −+ ++

+ + + +

− −= + = +− −

[ [0 i i 1i

1.0 for u u ,u N (u) for i 0,...,N K0.0 else

+⎧⎨⎩

∈= = +


b-spline surface without endpoint interpolation

B-Spline SurfacesN0

2 N12 N2

2

b-spline functions of grade


• modification of b-spline functions:endpoint interpolation

shape of b-spline functions

B-Spline Surfaces

0 K N N K 1

0 L M M L 1

u ... u u ... uv ... v u ... u

and and

+ +

+ +

= = = =

= = = =

[ ]K 2; N 7; T 0 0 0 1 2 3 4 5 6 6 6 = = =u


b-spline surface with endpoint interpolation

B-Spline Surfaces


Breakline Detection

• generation of a rectangular slope analysis grid approximating the topography:

equidistant grid points in the plane(N 1)*(M 1)+ +

,

ijd x, y −


Breakline Detection

• Feasible methods for slope assessment in rectangular grids

• Rath, S., and Pasche, E.: Hydrodynamic Floodplain Modeling based on High-Resolution LiDAR measurements. Proceedings of 6th International Conference on Hydroinformatics, Singapore, 2004

,


Breakline Detection

• slope calculation at a point

• user defined limit slope value for breakline identification

• slope classification: embankment points

( )2 2ij iju ijvS atan S S 180 /= + π

i 1j 1 i 1j i 1j 1 i 1j 1 i 1j i 1j 1iju

(z 2z z ) (z 2z z )S

(4 2 2)d+ + + + − − + − − −+ + − + +

=+

i 1j 1 ij 1 i 1j 1 i 1j 1 ij 1 i 1j 1ijv

(z 2z z ) (z 2z z )S

(4 2 2)d− + + + + − − − + −+ + − + +

=+

,

ijd

limS

ij limS S>


Breakline Detection

• user defined limit slope value for breakline identification

• slope classification: embankment points

,

limS

ij limS S>


Breakline Detection

• bilinear, rectangular analysis grid

• zigzag of identified breakline: not suitable for the hybrid meshing scheme!

• enhancement of breakline detection: applying a b-spline slope analysis grid in order to achieve a moderate smoothing

,


• b-spline, rectangular analysis grid

• reduced zigzag of identified breakline: still not suitable for the hybrid meshing scheme!

• further enhancement of breakline identification: interpolation of breakline points in order meet the limit slope value

Breakline Detection

,


Breakline Identification

improved breakline identification:• b-spline, rectangular analysis grid• interpolation of breakline points

,

levee

river bed


Hybrid Meshing Scheme

b-spline-surface editor for river bed and levee embankments• roughly defined boarder curves of b-spline surfaces• automatic identification of relevant breaklines



b-spline-surface editor for river bed and levee embankments• specified number of control points of the b-spline surface in

u and v direction


adapting the z-coordinates of all control points

• QR decomposition method

• high efficient iteration algorithm

Editing B-Spline Surfaces


regular de Boor grid => regular element mesh (start mesh)

for

Mesh Generation based on B-Spline Surfaces

N 1 K

M 1 L

0 i (u u ) / u0 j (v v ) / v

+

+

≤ ≤ − ∆

≤ ≤ − ∆ij K L(u i u,v j v)= + ∆ + ∆n b


• refinement algorithms to adapt the mesh to specific requirements

• refinement criteria:

maximum deviation

maximum edge length

maximum edge gradient

over / below specified z-level

• mesh cut off at a specified border polygon

Mesh Generation based on B-Spline Surfaces



Delaunay based coarsening and refinement for river floodplains

• point set:- measurement points based on survey data (removable

points)- additional refinement points (removable points)- breakline points (fixed points) - border points of regular meshes (fixed points)

• Delaunay triangulation of point set

• refinement and coarsening process to meet the user defined element size criteria



Delaunay based coarsening and refinement for river floodplains• coarsening process

• refinement process



Delaunay based coarsening and refinement for river floodplains• Irregular triangular mesh meeting breakline points and edges



Concatenation of regular and irregular triangle meshes


Conclusions

• hybrid meshing scheme:- regular triangle meshes with user specified element size

and element orientation- irregular triangle meshes with user specified element size

• breakline identification- rectangular slope analysis grid based on a b-spline

surface- interpolation scheme for breakline points detached from

the analysis grid• meshing and slope algorithms are implemented in a Java based

software tool• HybridMesh will be available as open source software

Bauinformatik in Hannover - IRZ · • Geometrie der Zelle: konvexe und nicht-konvexe Polyeder ......

Documents

Transcript of Bauinformatik in Hannover - IRZ · • Geometrie der Zelle: konvexe und nicht-konvexe Polyeder ......