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Data-driven uncertainty quantification for high-dimensional engineering problems

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[Quelle: https://www.research-collection.ethz.ch]

Die Berücksichtigung von Ungewissheiten im Designprozess von komplexen industriellen Systemen und ziviler Infrastruktur hat in den letzten Jahrzehnten viel Beachtung gefunden. Trotz des beträchtlichen Fortschritts im Modellieren solcher Systeme gibt es immer Diskrepanzen zwischen den idealen, in-silico entwickelten Systemen und ihren Realisierungen. Ausgehend von einem genauen Computermodell, das das Verhalten eines technischen Systems simuliert, zielt die sogenannte Ungewissheitsquantifizierung darauf ab, die verschiedenen Ungewissheitsquellen der Eingabeparameter, zu denen auch Unkenntnis und natürliche Variabilität der Parameter gehören, zu modellieren sowie die Fortpflanzung dieser Ungewissheiten in die Ergebnisse des Computermodells zu untersuchen (z.B. durch die Auswertung von Leistungsindikatoren). Wegen der hohen Genauigkeit und dem damit verbundenen Rechenaufwand ist die Verwendung von Monte Carlo-Methoden für Ungewissheitsquantifizierung oft nicht möglich. Eine bekannte Methode, diese Einschränkung zu umgehen, ist die Verwendung sogenannter Ersatzmodelle. Ein Ersatzmodell ist eine analytische Funktion, die ein Computermodell präzise annähert, indem eine begrenzte Anzahl von Durchläufen dieses Computermodells an ausgewählten Eingabewerten und ein geeigneter Lernalgorithmus verwendet werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Anwendung moderner Verfahren zur Ungewissheitsquantifizierung auf Computermodelle mit einer sehr hohen Anzahl (d.h., bis zu mehreren tausenden) von Eingabeparametern. Mit steigender Dimensionalität des Eingaberaums sinkt die Leistung der Ersatzmodellverfahren. Dieses Phänomen ist bekannt als Fluch der Dimensionalität (engl. curse of dimensionality). Ausserdem wählen wir einen rein datenbasierten Ansatz, d.h., die gesamte Analyse wird basierend auf einer begrenzten Anzahl von Beobachtungen und wenigen bis gar keinen Annahmen über die innere Funktionsweise des Systems ausgeführt. Dieses Szenario ist von hoher praktischer Relevanz, z.B. wenn für die Simulation eines Systems ein komplexer Arbeitsablauf mit mehreren Softwareprogrammen nötig ist, oder wenn in praktischen Anwendungen nur Messungen der Eingabeparameter und der zugehörigen Modellantworten verfügbar sind.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Stefan Kurath, Max Bosshart, Andri Gerber
Methodenhandbuch für das Entwerfen in Architektur und Städtebau
2., Aufl.
2020, 180 S., 95 Abb. 19 cm, Softcover
Triest Verlag

 

 

Auch wenn der Prozess des Entwerfens als solcher zunächst wenig systematisch und geordnet erscheint: In Architektur und Städtebau sind Methoden ein wesentlicher Grundbaustein der entwerferischen Praxis. Sie können zudem über den Entwurfsprozess hinaus helfen, die Rahmenbedingungen einer Planung zu entschlüsseln, um daraus Strategien für eine erfolgreiche Umsetzung abzuleiten. Vor diesem Hintergrund möchte das Handbuch zwei Ebenen der Lektüre ermöglichen: einerseits die grundsätzliche Auseinandersetzung mit der Rolle der Methodik in Architektur und Städtebau und andererseits wird eine breite Palette von Methoden und ihr konkreter Anwendungsbereich anschaulich anhand von konkreten Beispielen erläutert. Auf diese Weise wird dem Entwerfenden ein Verständnis für sein eigenes Tun vermittelt, gleichzeitig erhält er Instrumente an die Hand, die den Entwurfsprozess unterstützen.

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Andri Gerber, Stefan Kurath, Holger Schurk, Roland Züger
Handbook of Methods for Architecture and Urban Design
2018, 180 S., 95 Abb. 19 cm, Softcover
Triest Verlag

 

 

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Christian Arnold
Entwicklung fuzzybasierter Leitkomponenten für das Klimamanagement in der präventiven Konservierung
2013
2013, xxii, 209 S., 80 SW-Abb., 20 Farbabb., 11 Tabellen. 210 mm, Softcover
Springer

 

 

Eine Aufgabe der präventiven Konservierung ist die Vermeidung von Klimaschäden an Kulturgütern. Hierzu sollten geeignete Klimazielbereiche eingehalten und Klimaschwankungen reduziert werden. Neben der bauphysikalischen Anpassung der Gebäudedynamik können Lüftungs- und Klimatisierungsstrategien dazu beitragen, die Anforderungen an das Raumklima bestmöglich zu erfüllen. Zielbereiche und Schwankungsbreiten sind jedoch oft nicht exakt definierbar und können meist nur auf Basis von Expertenwissen festgelegt werden. Hierfür schlägt der Autor vor, Klimaanforderungen mit Hilfe der Fuzzy-Theorie zu formulieren, geeignete Methoden zu entwickeln und in Leitkomponenten für Lüftung und Klimatisierung anzuwenden. Er beschreibt exemplarische Leitkomponenten, analysiert dessen Einfluss auf das Raumklima in Simulationen und stellt prototypische Realisierungen vor.

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Karl H. Hartge, Rainer. Horn
Die physikalische Untersuchung von Böden
Praxis, Messmethoden, Auswertung
4., Aufl.
2008, 196 S., m. 54 Abb. u. 14 Tab. 24 cm, Softcover
Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung

 

 

Die Autoren führen praxisbezogen in die Messung bodenphysikalischer Parameter mit einfachen und überall anwendbaren Methoden ein. Nach der Erläuterung der Problemstellung folgt die Beschreibung der maßgeblichen Verfahren und der Methoden zur Auswertung der Messergebnisse. Bemerkungen zu häufig beobachteten Wertebereichen, deren Streuung und zu den Fehlern der Bestimmung erleichtern die Beurteilung der Messergebnisse. Neu aufgenommen wurden Verfahren zur Bewertung des Verdichtungszustandes von Böden. Um den selbständigen Einstieg in die Materie zu erleichtern, enthält jedes Kapitel Rechenbeispiele und Verweise auf die neueste Literatur zu relevanten Messgeräten.

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Beatrice Schüpbach
Ein Vergleich zwischen landschaftsästhetischer Bewertung und ökologischer Bewertung
Dargestellt am Beispiel von vier Untersuchungsgebieten im schweizerischen Mittelland. Dissertationsschrift
2000, 258 S., 290 mm, Softcover
Peter Lang Ltd. International Academic Publishers

 

 

Diese Untersuchung befasst sich mit den Unterschieden und Gemeinsamkeiten zwischen der Schönheit einer Landschaft und deren ökologischem Wert. Welche ästhetischen bzw. ökologischen Bewertungsmethoden sind geeignet, um diese beiden Werte einer Landschaft zuverlässig messen und miteinander vergleichen zu können? Welche Faktoren oder Landschaftselemente sind für die Höhe des ästhetischen bzw. ökologischen Wertes einer Landschaft wesentlich? Wodurch wird der Zusammenhang zwischen den beiden Werten bestimmt? Die Auswertung ästhetischer und ökologischer Bewertungsmethoden zeigte, dass die Höhe der beiden Werte und demzufolge auch der Zusammenhang zwischen den beiden Werten von der Art, der Anzahl, der Kombination sowie von der Art der Anordnung der Landschaftselemente, was am prägnantesten mit dem Begriff "Landschaftsmuster" umschrieben werden kann, abhängt.

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Forschungsberichte

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Andreas Schmohl, Sabine Johann
Entwicklung eines Extraktions- und Analysenverfahrens zur quantitativen Bestimmung des Gehalts an MCPP und MCPP-Estern in Polymerbitumen-Abdichtungsbahnen
Bauforschung, Band T 3366
2019, 56 S., 16 Abb. u. 17 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Polymerbitumen-Dachabdichtungsbahnen, die z. B. zur Dachabdichtung bei Gründächern eingesetzt werden, sind mit Estern der 2-(4-Chlor-2-methylphenoxy)-propionsäure ("Mecoprop", MCPP) ausgerüstet. Diese Mecoprop-Ester werden bei Kontakt mit Wasser aus der Bitumenbahn ausgewaschen; durch Hydrolyse der Ester wird Mecoprop freigesetzt. Durch die radizide Wirkung des Mecoprops werden Polymerbitumen-Dachabdichtungsbahnen mit Gründachaufbau vor Durchwurzelung geschützt. Wirksam ist allerdings nur das (R)-(+)-Enantiomer "Mecoprop-P", das in modernen Rezepturen zum Schutz vor Durchwurzelung überwiegend enthalten ist. Für die Bestimmung des Gehaltes an MCPP und MCPP-Estern in Dachabdichtungs-bahnen, z. B. für Homogenitätsprüfungen, wurden ein Extraktions-Verfahren sowie eine Analysenmethode für MCPP-Ester entwickelt und validiert.

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Daniel Schulz, David Knodt, Sebastian Konietzny, Michael Mock, Robert Spindler
MONALIsa - Automatisiertes MONitoring, Alarming und VisuaLIsieren von Sensordaten der technischen Gebäudeausrüstung zur Erschließung niedrig investiver Energieeinsparpotenziale. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3029
2017, 81 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ein energiebewusstes Gebäudemanagement zählt zu den wichtigsten Hebeln der Energiewende. Fraunhofer-Forscher widmeten sich in diesem Forschungsprojekt der Frage, wie ein optimierter Datenanalyseprozess den Gebäude- und Energiemanagern helfen kann, wertvolle Ressourcen zu sparen und Energieeffizienz zu steigern. Die softwarebasierte Gebäudeleittechnik ist eine wichtige Stellschraube bei der Einsparung von Energie im Gebäudebetrieb. Über diese werden alle Energieflüsse eines Gebäudes digital abgebildet. Eine strukturierte Analyse der vielen Sensordaten von Heizung, Lüftung oder Kühlung ist komplex und stellt derzeit noch eine Herausforderung für Energie- und Gebäudemanager dar. Im Projekt wurde eine Vorgehensweise für die Erschließung der Rohdaten bis hin zur Auswertung und Visualisierung der Analyseergebnisse erarbeitet.

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Manfred Hegger, Annekatrin Koch
Nutzerinterface für Plusenergie-Mehrfamilienhäuser. Entwicklung eines Nutzerinterfaces zum Energiemanagement des Nutzers in Plusenergie-Mehrfamilienhäusern. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3010
2017, 153 S., zahlr. Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Nutzerverhalten ist ein Schlüsselfaktor für den Energieverbrauch in energieeffizienten Gebäuden. Gerade bei Plusenergiehäusern gehen die Möglichkeiten, Energie einzusparen, über die konventionellen Maßnahmen, wie der Senkung des Verbrauchs, hinaus. Der Nutzer kann dort Bewusst seinen Bedarf auf die zeitlich volatilen Angebote an regenerativer Energie abstimmen. Aus diesem Grund wurden Methoden identifiziert, die es dem Nutzer ermöglichen, sein eigenes, energiebezogenes Handeln zu reflektieren und entsprechend anzupassen. Ein Informations-Tool via Touchpanel legt den eigenen Energieverbrauch offen und kündigt die Verfügbarkeit hauseigen produzierter, regenerativer Energie an.

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Uwe Rüppel, Robert Irmler, Christian Schwöbel
Steigerung der Motivation für energieeffizientes Verhalten auf Grundlage von Smart Metering Daten und Serious Gaming Methoden. SmartER Game (Smart Energy Ranking Game). Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3016
2017, 108 S., 49 Abb., 8 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Digitale Spiele sind aus unserer Gesellschaft mittlerweile nicht mehr wegzudenken. Sie bilden die Grundlage einer milliardenschweren Unterhaltungsindustrie und werden mittlerweile sogar als eigene Kunstform anerkannt. Abseits des reinen Unterhaltungscharakters, können Spiele jedoch auch eine wichtige Rolle bei der Wissensvermittlung einnehmen. Deshalb wurde im Forschungsprojekt "Steigerung der Motivation für energieeffizientes Verhalten auf Grundlage von Smart Metering Daten und Serious Gaming Methoden" untersucht, wie die Akzeptanz von Smart Meter Technologien und eine verstärkte Sensibilisierung für energieeffizientes Verhalten auf Grundlage von Smart Metering Daten und Serious Gaming Methoden erhöht werden kann. Über ein Web-Portal, welches neben der Visualisierung des Energieverbrauchs auch spielerische Elemente in den Monitoring- und Feedbackprozess einbezieht, entsteht für die Nutzer eine Synthese aus spielerischen Anreizen, wie Wettbewerben und "echter" Energieeinsparung.

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Benjamin Freiherr von Wolf-Zdekauer
Erweiterung der normativen Verfahren zur energetischen Inspektion von Gebäuden durch die Entwicklung einer Analysemethode zur Identifikation von Effizienzpotenzialen auf Grundlage von Messdaten aus mobilen Monitoringsystemen. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 2992
2016, 403 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Geringe Neubau- und Sanierungsraten bestimmen die derzeitige Umsetzungsgeschwindigkeit und den Erschließungsgrad vorhandener Energieeffizienzpotenziale. Häufig werden nur zwingend notwendige Einzelmaßnahmen ohne Gesamtstrategie zur energetischen Sanierung durchgeführt. Daher werden bestehende Möglichkeiten angesichts des erheblichen energetischen Verbesserungsbedarfs nicht ausgeschöpft und auch nicht selten der wirtschaftliche Erfolg verfehlt. Folge ist eine zurückhaltende Realisierung der angestrebten energie- und klimapolitischen Ziele. Energetische Inspektionen von Anlagen sind demgegenüber ein probates Mittel, um den energetischen Zustand der Anlagen und diesbezügliche Energiesparmöglichkeiten transparent zu machen, sowie um dem akuten Umsetzungsstau entgegenzuwirken.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Dittmar, Sebastian; Neumann, Thomas; Arndt, Thomas; Schauerte, Matthias
Aspekte der Betonrobustheit; Teil 2. Beschreibung der Stabilitätsgrenze durch Ermittlung des Sättigungspunkts von Fließmitteln
Beton, 2021

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Israel, Chaim V.
Rapid characterization of raw materials for the production of concrete admixtures. Part 1
BFT International, 2021

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Ettel, Maximilian; Laub, Klemens; Lipowsky, Justus; Palzer, Ulrich; Tenwinkel, Markus
Mobile Fahrzeugsperre aus hochbewehrtem Schwerbeton
BWI - BetonWerk International, 2020

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Redemann, Tino; Specht, Eckehard
Simulation of the firing of ceramic ware. Part 2: Roadmap for CO2-free brick production by 2050
zi Ziegelindustrie International - Brick and Tile Industry International, 2020

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Müller, Anette; Döring, Ines; Knorr, Manuela; Lipowsky, Annett; Palzer, Ulrich; Leydolph, Barbara
Developments in the recycling of clay bricks and brick masonry (Part 2)
zi Ziegelindustrie International - Brick and Tile Industry International, 2020

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