Engineering Desktop Anwendungen in der Tragwerksplanung auf der Grundlage der COM-Technologie

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1 1 Enführung Engneerng Desktop Anwendungen n der Tragwerksplanung auf der Grundlage der COM-Technologe Horst Werkle und Hartmut Pleßke Insttut für angewandte Forschung, Fachhochschule Konstanz Computer heßt Rechner und prozedural durchzuführende Rechenaufgaben waren lange Zet de orgnäre Aufgabe deses Gerätes. Im Berech der Baustatk, aus dem Konrad Zuse vor etwa 80 Jahren sene Motvaton zur Entwcklung des ersten Computers bezog, st heute ene Fülle von Programmen für de typschen Aufgaben der Tragwerksplanung mt enem fest vorgegebenen Rechenablauf verfügbar. We aber seht es aus, wenn ncht standardserbare Aufgaben zu bearbeten snd? Des können etwa neuartge Nachwese oder Voruntersuchungen sen, de neben der Rechenfunktonaltät das Erstellen von Text und Skzzen erfordern. Herfür betet sch Offce-Software und für statsche Nachwese nsbesondere Tabellenkalkulatonsprogramme und Computeralgebra-Systeme an. In der Praxs st das Arbeten mt desen allgemenen Tools allerdngs häufg neffzent, wenn spezelle Module für de Tragwerksplanung fehlen. Im Rahmen des F&E-Projektes EDATRA (Engneerng Desktop Anwendungen n der Tragwerksplanung) wurden derartge Module auf der Grundlage enes Frameworks für de Tragwerksplanung entwckelt [WER02]. Das Framework umfasst de für de Tragwerksplanung erforderlchen komplexen Funktonaltäten und kann mt Hlfe der Komponententechnologe von unterschedlchen Anwendungen genutzt werden. Zel deser Entwcklung st ene Engneerng Desktop Umgebung auf dem Computer, be der nchtstandardserbare Untersuchungen n der Tragwerksplanung ebenso enfach, aber effzenter, scherer und besser dokumentert als mt Blestft und Paper erfolgen können. 2 Framework für de Tragwerksplanung 2.1 Softwarekonzept Das Softwarekonzept von EDATRA folgt dem modernen Trend n der Softwareentwcklung nach vertelten Systemen. Es besteht enersets darn, das Framework mt senen unterschedlchen statschen Berechnungsmethoden, Nachwesen und Bemessungsaufgaben für de derzet am stärksten verbreteten Offce-Anwendungen und de gänggen Computeralgebrasysteme nutzbar zu machen und andersets darn, es darüber hnaus für en möglchst bretes Spektrum von Statksoftware denbar zu halten. De dafür verwendeten Elemente sollten sowohl plattform- we auch programmersprachenunabhängg gestaltet sen. We de Erfahrungen n der Softwareentwcklung der letzten Jahre zegen, recht es kenesfalls aus, de Software enes derart konzperten Frameworks n ener objektorenterten Programmersprache zu mplementeren. Dem bs dato unerfüllten Traum der Softwareentwcklung als en Zusammensetzen geegneter Software-Baustene (Komponenten) kommt heute de Komponententechnologe berets recht nahe. Se zelt auf ene Trennung von Anwendungslogk und programmtechnschen Detals, de unabhängg vonenander entwckelt werden können. Als Hlfsmttel denen so genannte Komponentenmodelle, de sch auf Unterstützung komponentenbaserter Softwaresysteme konzentreren und umfassenden Servce beten, welcher de Entwcklung und Ausführung der Komponenten verenfacht. Unter ener Komponente versteht man en Stück Software n bnärer Form, das ene kohärente 1

2 Funktonaltät betet, de mttels ener oder mehrerer standardserter Schnttstellen (Interfaces) beschreben wrd, um mt anderen Komponenten zusammenzuarbeten. Das Komponentenmodell formulert den strukturellen Rahmen mt entsprechender Infrastruktur für de Entwcklung und Ausführung der Komponenten. [GRU00]. Momentan snd für Mddleware-Produkte (Komponentenmodelle) vor allem de Marktanbeter CORBA, COM/DCOM, Enterprse Java Beans und das.net Framework zu nennen. Für EDATRA bot sch das Component Object Model (COM) aus dem Hause Mcrosoft vor allem deshalb an, wel m Bauwesen derzet das Betrebssystem MS-Wndows n der Tragwerksplanung am wetesten verbretet st und de Software von EDATRA ebenfalls unter MS-Wndows entwckelt wurde. COM besteht aus ener Rehe von Systemdateen, de auf ener unteren Ebene von MS-Wndows nterageren und legt fest, auf welche Wese de bnären Softwaremodule zusammenwrken. Es spezfzert zudem de Regeln, we de COM- Komponenten erstellt werden, damt se dem vorgegebenen bnären Format entsprechen, fordert für deren Implementerung jedoch kene bestmmte Programmersprache. En zu COM alternatves Komponentenmodell st de Common Request Broker Archtecture (CORBA), worunter man aber ken renes Produkt, sondern ausschleßlch ene Clent-/Server Archtektur versteht, de sogenannte Object Management Archtecture (OMA). Se stellt durch das Objektmodell und das Referenzmodell de beden Säulen zur Verfügung, auf denen CORBA aufbaut [HOF01]. De große Lestungsfähgket von CORBA kommt nsbesondere be der Entwcklung und Integraton komplexer vertelter objektorenterter Anwendungen n heterogenen Umgebungen zum Tragen. Obwohl sch de zur Beschrebung der Schnttstellen denende Mcrosoft Interface Defnton Language (MIDL) stark an C ++ anlehnt, wurde de Komponentenbblothek des EDATRA- Frameworks n JAVA mplementert. De Vortele von JAVA gegenüber C ++ legen vor allem n der Plattformunabhänggket, der automatschen Feldgrenzen-Überwachung 1, der Modularserung durch Pakete, dem Typecast 2 und der Thread-Synchronsaton 3. Zudem gehören be JAVA umfangreche Klassenbblotheken zur Sprache, de Enbettung n Web- Seten st bequem über Applets möglch und de Scherhet zur Laufzet st größer als be C Funktonaltät des Frameworks Das Framework soll de für typsche Aufgaben der Tragwerksplanung erforderlchen Funktonaltäten zur Verfügung stellen. Dese umfassen de Bereche der Baustatk, des Stahlbetonbaus, des Stahlbaus und Holzbaus, des Mauerwerkbaus, der Geotechnk und der Bauphysk. Dabe sollten de m Framework mplementerten Klassen mt ener möglchst großen Allgemenhet ausgestattet sen. So st de Klasse für Durchlaufträger bespelswese für Berechnungen nach Theore II-ter Ordnung und elastsche Bettung ausgelegt. Se kann damt auch für Stützenberechnungen oder zur Ermttlung der Schnttgrößen elastsch gebetteter Träger angewandt werden. Enen Überblck über de Funktonaltät der mplementerten Klassen des Frameworks gbt Tabelle 1. Darüber hnaus st ene Erweterung durch andere Funktonaltäten, etwa aus dem Berech des Mauerwerkbaus, der Bauphysk und der Geotechnk snnvoll. 1 Be jedem Zugrff auf en Feld wrd kontrollert, ob der Index rchtg st 2 De Konverterung der Datentypen st be Java mest problemlos möglch, da alle Objekte von Object abgeletet snd 3 Unter enem Thread versteht man lecht zu erzeugende Ausführungsstränge, de unabhängg vonenander arbeten können. 2

3 Berech Statk Aufgabe Durchlaufträger / Stütze / Elastsch gebetteter Balken Fachwerk 2D Rahmen 2D Platten (Rechteckplatte) Stahlbetonbau Begebemessung (ω -Verfahren, k d -Verfahren) Schubbemessung (Bügel, schräge Stäbe) Stahlbau Spannungsnachwese / Bemessung / zulässge Schnttgrößen Begekncken / Begedrllkncken Profltabellen Holzbau Spannungsnachwese / Bemessung / zulässge Schnttgrößen Stabltätsnachwese Tabelle 1: Funktonaltät des Frameworks 2.3 Komponentenbblothek Das EDATRA-Framework wurde vollständg objektorentert n Java entwckelt. Es besteht aus mehreren Klassenbblotheken für de unterschedlchen Bereche der Tragwerksplanung. Aus desen werden COM-DLL s erstellt und dese dann n de Regstry von Wndows engetragen. Der Zugrff auf ene COM-DLL erfolgt über egens defnerte COM-Klassen und deren Methoden. De Umsetzung des Frameworks se am Bespel des Durchlaufträgers skzzenhaft erläutert. De COM-Klasse für den Durchlaufträger st DLTV2. Das statsche System wrd mt set- Methoden beschreben, de Ergebnsse mt get-methoden übergeben. Herdurch wrd de Clent-Programmerung sehr flexbel und lecht handhabbar. De statsche Berechnung erfolgt n der berechnen-methode von DLTV2. Se beruht auf dem Übertragungsmatrzenverfahren der Baustatk. Der Zustandsvektor Z wrd n Abhänggket von den Anfangsunbekannten aufgestellt und durch sukzessve Anwendung der Bezehung Z + +1 = A Z L (1) über de Abschntte und Zwschenpunkte enes Trägerfeldes übertragen. De mplementerten Übertragungsmatrzen A, L nach [RUB93] enthalten auch de Enflüsse der Theore II-ter Ordnung und ener elastschen Bettung. Am Ende des Feldes wrd aus der Übertragungsmatrx ene Stefgketsmatrx (Koppelfeder) erstellt, de bem nachfolgenden Feld berückschtgt wrd. Grundlage des Rechenprozesses st de Klasse ZUST der Zustandsvektoren. Durch sukzessve Anwendung der Methoden Aufstellen, Koppelfeder_anschlessen, übertrage_über_abschntt, übertragen_über_punkt und bestmme_koppelfeder der Klasse ZUST wrd das Übertragungsverfahren m objektorenterten Entwurf abgebldet. Bld 1 erläutert den Ablauf anhand enes Sequenzdagramms n UML-Notaton. 3

4 Bld 1: Sequenzdagramm der Methode berechnen der Klasse DLTV2 3 Anwendungsprogrammerung De m Framework mplementerten COM-Klassen können als Server von unterschedlchen Programmen genutzt werden. Für Engneerng Desktop Anwendungen snd Offce- und CA- Software geegnet. Be EDATRA wurden MS-Excel und das Programm Mathcad der Frma MathSoft verwendet. En Überblck über das Konzept von EDATRA gbt Bld 2. De Clentsoftware greft über hre Programmerschnttstelle auf de COM-DLL des Frameworks zu. Be den MS-Offce-Produkten handelt es sch herbe um de Programmersprache VBA (Vsual Basc for Applcatons), be Mathcad st der Weg über ene Funktonsprogrammerung mt C++ oder mt ener Skrptngsprache (VBScrpt und JScrpt) möglch. De Clent- Programmerung mt VBA und VBScrpt bzw. JSkrpt st verglechswese enfach und kann durchaus auch von enem erfahrenen Anwender durchgeführt werden. Offce Anwendungen Statk- Software Mathcad Access Excel Word C++ Dll / Skrpt VBA Makro VBA Makro VBA Makro EDATRA Framework Bld 2: Framework für de Tragwerksplanung 4

5 Darüber hnaus lässt sch das EDATRA-Framework auch für egenständge Programme nutzen. Neben den Anwendungen n MS-Excel und Mathcad wurden als Plotprojekte ene Anwendung n MS-Access, ene egenständge Anwendung n VB (Vsual Basc) sowe ene Internetanbndung des Frameworks für Stabwerke entwckelt. 4 Engneerng Desktop Anwendungen des Frameworks 4.1 Entwurfsstatk Im frühen Stadum der Tragwerksplanung oder be der überschläggen Prüfung von Computerberechnungen wrd heute durchaus noch Paper und Blestft dem Computer als Werkzeug n der Praxs vorgezogen. Werkzeuge we Mathcad können aber de Arbet wesentlch verenfachen und beschleungen, nsbesondere, wenn geegnete Tools für de Tragwerksplanung zur Verfügung stehen [WER03]. Bld 3 zegt den Ausschntt ener Anwendung n Mathcad. Im Rahmen ener statschen Voruntersuchung wurden de Momentengrenzlnen mt den EDATRA-Funktonen des Durchlaufträgers bestmmt. De an der Stelle des maxmalen Moments erforderlche Bewehrung wrd mt der Funkton SB_BemB (Stahlbeton_Bemessung Begung) ermttelt. Alternatv kann en Stahlprofl für Begekncken und Begedrllkncken untersucht werden. Bld 3: Anwendung des EDATRA-Frameworks be Funktonen n Mathcad 4.2 Teachware Mt Hlfe geegneter Teachware können statsche Zusammenhänge den Studerenden m Snne enes numerschen Experments lebendg und anschaulch vermttelt werden. Das Edatra-Framework unterstützt de Entwcklung von Teachware wesentlch. Bld 4 zegt en Bespel n Excel, be dem zunächst de Kncklast ener Stütze bestmmt und damt der Enfluss nach Theore II-ter Ordnung mt Hlfe der Näherungsformel von Dschnger ermttelt wrd. Zum Verglech wrd auch ene exakte Berechnung nach Theore II-ter Ordnung durchgeführt. Für alle statschen Berechnungen wrd das EDATRA-Framework genutzt. 5

6 Bld 4: Anwendung des EDATRA-Frameworks be enem Teachtool n Excel 5 Zusammenfassung und Ausblck Frameworks für de Tragwerksplanung stellen en effzentes Werkzeug zur Entwcklung unterschedlchster Anwendungssoftware dar. De Nutzeroberfläche kann ncht nur aus Berechnungssoftware we Excel und Mathcad bestehen, auch de Entwcklung von Tragwerksedtoren ([BIT00]) oder nternetbaserender Software st bespelswese damt möglch. En Zel könnte de Standardserung von Klassen und Methoden n der Tragwerksplanung sen, um damt ene Wederverwendbarket von Anwendungssoftware auch be enem Wechsel des Frameworks scherzustellen. Lteratur [BIT00] Bttrch D., Verbunddokumente als Nutzeroberfläche von Software für de Tragwerksplanung, IKM 2000, Bauhaus Unverstät Wemar 2000 [GRU00] Gruhn, V, Komponentenmodelle, Addson-Wesley 2000 [HOF01] Hofmann, J., Jobst, F., Schabenberger R., Programmeren mt COM und CORBA, Hanser 2001 [RUB93] Rubn H., Baustatk ebener Stabwerke, Stahlbau Handbuch Band 1 Tel A, 3. Aufl., 1993, Stahlbau Verlags GmbH, Köln [WER02] [WER03] Werkle H., H. Pleßke, ED_TRA Engneerng Desktop Anwendungen für de Tragwerksplanung, F&E-Bercht, Insttut für angewandte Forschung, Fachhochschule Konstanz, 2002 Werkle H., R. Avak, Mathcad n der Tragwerksplanung, Veweg, Wesbaden 2003 Prof. Dr. H. Werkle: werkle@fh-konstanz.de Prof. Dr. H. Pleßke: plesske@fh-konstanz.de 6