Table Of ContentDatenverarbeitung
für Bauingenieure
Von Dipl.-Math. J. Becker, Dipl.-Ing. W. Burghardt, Dr. W. Haacke,
Dipl.-Ing. W. Haselbach, Dipl.-Ing. F.-J. Kevekordes, Dr. O. Meltzow,
Dipl.-Math. R. Nabert, Dr. G. Patzelt, Dr. U. Schatz, Dipl.-Ing. M.
Thomsing, Dipl.-Ing. E. Weiper
Herausgegeben von Dr. W. Haacke
1973. Mit 238 Bildern und Tafeln und zahlreichen Beispielen
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
Verfasser:
Dipl.-Ing. Werner Ha sei b ach
Dipl.-Ing. Martin T horn s i n g
Hochschullehrer an der
Fachhochschule Darmstadt
Dipl.-Ing. Will 8 u r g h a r d t
Dr. Ulrich Sc hat z
Hochschullehrer an der
Fachhochschule Frankfurt am Main
Dipl.-Math. Jürgen 8 eck e r
Dr. rer. nato Wolfhart H a a c k e
Dipl.-Ing. Franz-Josef K e ve kor des
Dr. rer. nato Dtto M e I t z 0 W
Dipl.-Math.Rudolf Na b e r t
Dr. math. Gerhard P atz e I t
Hochschullehrer an der
Gesamthochschule Paderborn
Dipl.-Ing. Erich We i per
Hochschullehrer an der
Gesamthochschule Siegen
ISBN 978-3-519-05229-6 ISBN 978-3-663-10244-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-10244-1
Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die da
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gung ist an den Verlag gemäß § 54 UrhG eine
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zu vereinbaren ist.
© Springer Fachmedien Wiesbaden, 1973
Ursprilnglich erschienin bei B. G. Teubner, Stuttgart in 1973
Satz: H. Aschenbroich, Stuttgart
Umschlaggestaltung: W. Koch, Stuttgart
Vorwort
Die Datenverarbeitung hat sich in wenigen Jahren vom Spezialfach zu einem Grundlagenfach für
alle Fachrichtungen des Ingenieurwesens entwickelt; daher muß jeder Ingenieur während seines
Studiums in dieses Gebiet eingeführt werden.
Dieses Lehrbuch ist eine Einführung in die Datenverarbeitung als Grundlagenfach für Ingenieur
studenten und Ingenieure der Praxis. Weiterführend entwickelt das Buch die für Bauingenieure
wichtigen Grundsätze der anwendungsorientierten Ingenieur-Informatik, es kann deshalb als
Grundriß für den entsprechenden Studiengang Ingenieur-Informatik dienen.
Um den Erfordernissen der Fachrichtungen innerhalb des Bauingenieurwesens, in denen die
Datenverarbeitung benötigt wird, zu genügen, wirkten mehrere Verfasser an der Darstellung mit.
Das Buch entstand in enger Zusammenarbeit zwischen einer Arbeitsgruppe, die seit 1965 in
Paderborn eine Ingenieur-Informatik-Ausbildung aufgebaut hat, und mehreren Autoren aus den
Fachbereichen Bauingenieur-und Vermessungswesen verschiedener Fachhochschulen, die sich
besonders mit dem Einsatz der Datenverarbeitung befassen.
Nach einer knapp gehaltenen Einführung, in der vorwiegend Begriffe bereitgestellt werden, folgt
eine Beschreibung der Hardware in dem Maße, wie es für die Ingenieure, die vor allem an einer
Darstellung der Software interessiert sind, notwendig ist. Schwerpunkt des Lehrbuchs ist das
Programmieren im weitesten Sinn.
Nach grundlegenden Ausführungen über Programmiersprachen und Programmieren wird ein
Einblick in die Maschinen-und Assemblierersprachen gegeben. Das 3. Kapitel trägt die problem
orientierten Sprachen FORTRAN, ALGOL und PL!I so weit vor, wie es im allgemeinen
während eines Programmierkurses geschieht. Die drei Sprachen werden vom Aufbau her ähnlich
vorgestellt, zum Teil sind die gleichen Beispiele behandelt, so daß derjenige Leser, der sich bis
lang nur mit einer dieser Sprachen befaßt hat, einen überblick über Aufbau und Struktur der
bei den anderen Sprachen gewinnt und dadurch in die Lage versetzt wird, diese Sprachen, sobald
sie ihm begegnen, hinreichend zu verstehen.
Die Programmierfertigkeiten werden in drei Abschnitten des 4. Kapitels zunächst an einfachen
Beispielen geübt. Nach kurzer Einführung im folgenden Kapitel geht das Buch im 6. Kapitel zu
einer ausführlichen Behandlung größerer Probleme über, die für das Bauingenieurwesen typisch
sind. Dabei wurden die Fachbereiche ausgewählt, deren Aufgaben in besonderem Maß den Ein
satz der Datenverarbeitung erfordern: Statik, Spannbeton, Straßenbau, Vermessungswesen und
Netzplantechnik. Für jeden Fachbereich werden die technischen Grundlagen vermittelt, so
dann die Programme dargestellt und erläutert sowie die Programmbeispiele mit ihren Aus
drucken angeführt. Dadurch vermag der Lernende an größeren Programmen seine Kenntnisse zu
prüfen.
Eine Angleichung der einzelnen Abschnitte erfolgte so weit, wie es im Interesse des Lesers
erforderlich schien. Ausgangspunkt dieser Koordination waren die Normen DIN 44 300,
66001 und 40 700 Blatt 14. Gewisse unterschiedliche Darstellungsgewohnheiten in Einzel
fillen (z. B. 1 und L nebeneinander) wurden beibehalten.
IV Vorwort
Der gewählte Schreib satz bedingt, daß die einzelnen Zeichen räumlich von ihrer Darstellung auf
einer Lochkarte oder durch einen Schnelldrucker abweichen. Daher konnten die in den Pro
grammen angegebenen Positionen in den Wiedergaben der Ausdrucke nur angenähert eingehalten
werden.
Die Autoren bitten alle Leser, insbesondere ihre Fachkollegen, um Hinweise und Anregungen
ftir die Weiterentwicklung des Werks. Dem Verlag sei Dank gesagt flir Geduld und Eingehen auf
z. T. recht unterschiedliche Wünsche.
Frühjahr 1973 Die Verfasser
Inhalt
1. Einführung (Dr. Haacke)
1.1. Zielsetzung der Datenverarbeitung ................................ .
1.2. Grundbegriffe der lnfonnationsverarbeitung ......................... 1
1.3. Zahlensysteme und -darstellungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4. Programmiersprachen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5. Historischer Rückblick ....................................... 7
1.6. Ausblick ................................................. 8
2. Technik einer elektronischen Datenvenubeitungsanlage (Dipl.-Ing. Kevekordes)
2.1. Verknüpfungsglieder ......................................... 9
2.1.1. Theorie der Verknüpfungsglieder ............................. 9
2.1.2. Technische Verwirklichung der Verknüpfungsglieder ............... 10
2.2. Speicherglieder .............................................. 12
2.2.1. Speichermedien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12
2.2.2. Speicherglied aus Ringkernen ............................... 14
2.2.3. Flipflop-Speicherglied ................................... 15
2.3. Zentraleinheit ............................................. 18
2.3.1. Zentralspeicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19
2.3.2. Prozessor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20
2.3.3. Ein-/Ausgabe-Werk und Bedienungselement ..................... 24
2.4. Periphere Geräte ........................................... 25
2.4.1. Periphere Ein-/Ausgabegeräte für maschinenlesbare Datenträger . . . . . . . .. 25
2.4.2. Periphere Ein-I Ausgabegeräte für visuell und maschinenlesbare Datenttäger 1) 25
2.4.3. Periphere Speicher. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28
3. Programmierung von DVA
3.1. Vorbereitende Aufgaben zur Erstellung eines Programms (Dr. Patzelt) ........ , 31
3.2. Programmierungsarten und -hilfen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36
3.2.1. Internprogramme (Dr. Meltzow) ............................. 36
3.2.2. Assembliererprogramme (Dipl.-Math. Becker) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45
3.2.3. Programmiersprachen und Kompilierer (Dipl.-Math. Nabert) .......... , 52
3.2.4. Betriebssysteme (Dipl.-Math. Nabert) ......................... 55
1) Abschn. 2.4.2. ist z. T. von Herrn Dr. Schatz verlaßt.
VI Inhalt
4. Problemorientierte Sprachen
4.1. Einführung in FORTRAN (Dipl.-Math. Becker) ....................... 58
4.1.1. Konstanten. Variablen ................................... 60
4.1.2. Ausdrücke ........................................... 63
4.1.3. Ergibtanweisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65
4.1.4. Steueranweisungen ................ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65
4.1.5. Anweisungen für die Eingabe und Ausgabe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69
4.1.6. Prozeduren und Unterprogramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 78
4.1.7. Weitere FORTRAN-Statements ............................. 92
4.1.8. Abschließendes Programm-Beispiel ........................... 93
4.2. Einführung in ALGOL (Dipl.-Math. Nabert) ......................... 98
4.2.1. Elemente der Sprache ................................... 98
4.2.2. Arithmetische Ausdrücke und Anweisungen .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99
4.2.3. Einfache Ein-und Ausgabeoperationen ....................... 102
4.2.4. Programmaufbau ....................................... 103
4.2.5. Logische Ausdrücke und Vergleiche ........................... 104
4.2.6. Vereinbarung und Anwendung von Feldern ..................... 105
4.2.7. Aufbau von Schleifen ................................... 106
4.2.8. Ausgabe von Zeichen ................................... 109
4.2.9. Programm zur Berechnung von Mittelwert und Streuung ............. 110
4.2.10. Unbedingte und bedingte Anweisungen ....................... 112
4.2.11. Prozeduren ........................................... 113
4.2.12. Blockstruktur ......................................... 122
4.2.13. Verteiler ........................................... 127
4.2.14. Ein Programm für die Berechnung statischer Größen ............... 128
4.2.15. Berechnung der Biegelinie eines elastisch gebetteten Trägers ........... 132
4.3. Einführung in PL!I (Dipl.-Math. Becker) ............................. 137
4.3.1. Verarbeitung arithmetischer Daten ........................... 140
4.3.2. Prograrnmsteuerungsanweisungen ........................... 143
4.3.3. Verarbeitung von Kettendaten ............................. J 51
4.3.4. Reihenweise Ein-und Ausgaben ............................. 156
4.3.5. Datengruppierungen ..................................... 165
4.3.6. Eingefligte Funktionen ................................... 173
4.3.7. Blockstruktur. Programmablaufsteuerung. Speicherplatzzuweisung ..... 175
5. Probleme beim Einsatz eines Digitalrechners (Dipl.-Math. Becker) ............... 184
6. Anwendungen der Datenverarbeitung im BauwesenI)
6.1. Statik und konstruktiver Ingenieurbau ............................. 189
6.1.1. Querschnittswerte (Dipl.-Ing. Haselbach) ....................... 195
6.1.2. Rahmenberechnung (Dipl.-Ing. Haselbach) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 207
6.1.3. Spannbeton (Dipl.-Ing. Thomsing) ........................... 225
1) Die Einführung zu Abschn. 6 wurde verfaßt von Dipl.-Ing. Haselbach, die zu Abschn. 6.2
von Dipl.-Ing. Weiper.
Inhalt VII
6.2. Straßenbau (Dipl.-Ing. Weiper) ................................... 242
6.2.1. Massenermittlung (Dipl.-Ing. Weiper) ......................... 243
6.2.2. Trassierung (Dr. Schatz) ................................... 256
6.3. Vermessungswesen (Dr. Schatz) ................................. 274
6.3.1. Kleinpunktberechnung ................................... 274
6.3.2. Richtungswinkelberechnung ............................... 279
6.3.3. Vorausberechnung ..................................... 283
6.4. Netzplantechnik (Dipl.-Ing. Burghardt) ............................. 295
6.4.1. Allgemeines ........................................... 295
6.4.2. Voraussetzungen und Verfahren der Netzplantechnik ............... 297
6.4.3. Aufstellung und Berechnung von Netzplänen ..................... 298
6.4.4. Analyse und Optimierung des Programms ....................... 301
6.4.5. Auswertung über Datenverarbeitungsanlagen ..................... 304
6.4.6. Zusammenfassung ....................................... 307
Weiterführendes Schrifttum .......................................... 308
Sachveneichnis ................................................. 313
DIN-Ausgaben (Auswahl)
1333 BI. 1. Zahlenangaben. Dezimalschreibweise
BI. 2. Zahlenangaben. Runden
5474 Zeichen der mathematischen Logik
19226 Regelungstechnik und Steuerungstechnik. Begriffe und Benennungen
19233 Automatik und verwandte Begriffe
40700 BI. 14. Schaltzeichen. Digitale Informationsverarbeitung
BI. 18. Schaltzeichen. Analogrechentechnik
44300 Informationsverarbeitung. Begriffe
44301 Informationsverarbeitung. Begriffe
44302 Datenübertragung. Begriffe
44 302 BI. 11. Datenübertragung. Begriffe
66000 Mathematische Zeichen der Schaltalgebra
66001 Informationsverarbeitung. Sinnbilder für Datenfluß-und Programmablaufpläne
66025 BI. 1. Programmaufbau für numerisch gesteuerte Arbeitsmaschinen. Allgemeines
BI. 2. Programmaufbau für numerisch gesteuerte Arbeitsmaschinen. Weg-
bedingungen und Zusatzfunktionen
BI. 3. Programmaufbau für numerisch gesteuerte Arbeitsmaschinen. Vorschübe
und Spindeldrehzahlen
BI. 4. Programmaufbau für numerisch gesteuerte Arbeitsmaschinen. Beschreibung
der numerisch gesteuerten Arbeitsmaschine
66026 Informationsverarbeitung. Programmiersprache ALGOL
66027 Informationsverarbeitung. Programmiersprache FORTRAN
66201 Prozeßrechensysteme. Begriffe
66900 Netzplantechnik. Begriffe
1. Einführung
1.1. Zielsetzungen der Datenverarbeitung
In allen Gebieten der Technik, der Betriebs· und der Volkswirtschaft hat sich der forschende
Mensch mit immer komplizierteren Problemen auseinanderzusetzen. Ziel ist, die Gesetzmäßig
keiten dieser Probleme zu erfassen, um darauf Vorhersagen, Planungen und Entwicklungen
aufzubauen. Es gibt u. a. zwei Möglichkeiten, ein komplexes Problem zu lösen:
1. durch Erprobung k 0 n k r e t e r M 0 deli e .
2. durch Abbildung auf ab s t r akt e M 0 deli e .
So kann man z. B. Prototypen von Kraftfahrzeugen bauen und dann diese unter unterschied
lichen Anforderungen erproben. Diese Untersuchungen am konkreten Modell werden mit
wachsender Größe der Probleme immer teurer und zeitaufwendiger.
Daher werden mit Hilfe der Gesetze der Physik bzw. der Soziologie abstrakte Modelle
geschaffen. Zur Lösung dieser Modelle, die häufig in Gestalt von Gleichungen, Differential
oder Integralgleichungen dargestellt sind, müssen nun geeignete m a t h e m a t i sc h e
Met h 0 den zu ihrer Lösung gewählt oder entwickelt werden. Bis zur Schaffung von Daten
verarbeitungsanlagen (DV A) bevorzugte man a n a 1 y t i s c h e Met h 0 den, die es
erlaubten, die Lösung in geschlossenen Formeln anzugeben. In diese Formeln können dann
z. B. die technischen Größen eingesetzt und in ihnen variiert werden. Der wesentliche Nachteil
der analytischen Methoden ist, daß die überwiegende Anzahl der gestellten Aufgaben sich mit
diesen Methoden gar nicht oder nur sehr schwierig lösen läßt. Daher haben die nu m e r i -
sc h e n Met h 0 den immer größere Bedeutung gewonnen. Mit diesen Methoden werden
zwar die Lösungen nur angenähert, sie können aber meist mit jeder vorgebbaren Genauigkeit
ermittelt werden. Der Rechenaufwand ist jedoch sehr erheblich, so daß er vor der Entwicklung
von DV A bei größeren Problemen nicht bewältigt werden konnte.
In einer Pro b 1 e man a 1 y s e wird entschieden, welche numerische Methode jeweils
zweckmäßig und welche Genauigkeit zu fordern ist.
Nach dieser Analyse wird ein Al gor i t h mus aufgestellt, der angibt, wie diese numerische
Rechnung in einzelne Schritte aufgelöst werden kann. Besonders wichtig sind dabei Rechen
gänge, die mit unterschiedlichen Zahlen mehrfach durchlaufen werden (Schleifen). Hieraus
entsteht dann ein Pro g r a m m abI auf p I an, der die Grundlage für das Pro g r a m m
bildet. Die Einzelheiten werden in diesem Buch ausführlich entwickelt. Wenn man sich ein
fehlerfreies Programm durch die erforderlichen Tests erarbeitet hat, ist man dann in der Lage,
mit einer DV A das gestellte Problem zu lösen und damit das abstrakte Modell zu prüfen.
1.2. Grundbegriffe der Informationsverarbeitung
In diesem Abschnitt werden in enger Anlehnung an das Normblatt DIN 44 300 (Informations
verarbeitung, Begriffe) die Grundbegriffe der Informationsverarbeitung zusammengestellt.
