@masterthesis{Schumann,
  type      = {Bachelor Thesis},
  author    = {Schumann, Alexander},
  title     = {Untersuchung und Beurteilung des Rissverhaltens eines Betongelenkes anhand unterschiedlicher Methoden},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.1982},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20130722-19829},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {95},
  abstract  = {Die Bruchmechanik hat einen wichtigen Platz im modernen Bauingenieurwesen, um die Ausbreitung von Rissen in Bauteilen und ihre Gef{\"a}hrlichkeit einzusch{\"a}tzen. Dabei kommen verschiedenste Methoden zum Einsatz. In dieser Arbeit soll die Qualit{\"a}tsbewertung f{\"u}r einige dieser Methoden untersucht werden. Zu vergleichen sind u. a. die Genauigkeit, die Schnelligkeit, die Komplexit{\"a}t und die Stabilit{\"a}t. In den Vergleich sind die Finite Elemente Methode, die Extended Finite Elemente Methode und eine Kopplungsmethode (analytische L{\"o}sung f{\"u}r die Rissspitze und Finite Elemente L{\"o}sung f{\"u}r den Rest des Gebietes) einzubeziehen. Als reales Beispiel aus dem Bauingenieurwesen wird ein Betongelenk mit einem vorhandenen Riss betrachtet.},
  subject      = {Finite Elemente Methode},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Reshetnikova,
  author    = {Reshetnikova, Tatiana},
  title     = {Transformation of the Environment: Influence of "Urban Reagents." German and Russian Case Studies},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.4351},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20210128-43517},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {256 (thesis) + 23 (Folder) + 83 (CD)},
  abstract  = {An urban regeneration manifests itself through urban objects operating as change agents. The en-tailed diverse effects on the surroundings demonstrate experimental origin - an experiment as a preplanned but unpredictable method. An understanding of influences and features of urban ob-jects requires scrutiny due to a high potential of the elements to force an alteration and reactions. This dissertation explores the transformation of the milieu and mechanisms of this transformation.},
  subject      = {Stadtentwicklung},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Peters,
  author    = {Peters, Simone},
  title     = {The Influence of Power Ultrasound on Setting and Strength Development of Cement Suspensions},
  isbn      = {ISBN 978-3-00-055602-9},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.2744},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20170210-27446},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {146},
  abstract  = {Ein aktuelles Thema in der Forschung der Betonindustrie ist die gezielte Steuerung des Erstarrens und der Entwicklung der (Fr{\"u}h)Festigkeit von Betonen und M{\"o}rteln. Aus {\"o}konomischer Sicht sind außerdem die Reduktion der CO2-Emission und die Schonung von Ressourcen und Energie wichtige Forschungsschwerpunkte. Eine M{\"o}glichkeit zum Erreichen dieser Ziele ist es, die Reaktivit{\"a}t/Hydratation der silikatischen Klinkerphasen gezielt anzuregen. Neben den bereits bekannten M{\"o}glichkeiten der Hydratationsbeschleunigung (u.a. W{\"a}rmebehandlung, Zugabe von Salzen) bietet die Anwendung von Power-Ultraschall (PUS) eine weitere Alternative zur Beschleunigung der Zementhydratation. Da bis zum jetzigen Zeitpunkt noch keine Erfahrungen zum Einsatz von PUS in der Zementchemie vorliegen, sollen mit der vorliegenden Arbeit grundlegende Kenntnisse zum Einfluss von PUS auf das Fließ- und Erstarrungsverhalten von Zementsuspensionen erarbeitet werden. Dazu wurde die Arbeit in f{\"u}nf Hauptuntersuchungsabschnitte aufgeteilt. Im ersten Teil wurden optimale PUS-Parameter wie Amplitude und Energieeintrag ermittelt, die eine effiziente Beschleunigung der Portlandzement(CEM I)hydratation bei kurzen Beschallzeiten und begrenzter Zementleimtemperaturerh{\"o}hung erlauben. Mit Hilfe unabh{\"a}ngiger Untersuchungsmethoden (Bestimmung des Erstarrungsbeginns, der Festigkeitsentwicklung, zerst{\"o}rungsfreier Ultraschallpr{\"u}fung, isothermer W{\"a}rmeflusskalorimetrie, hochaufl{\"o}sender Rasterelektronmikroskopie (REM) wurde die Wirkung von PUS auf den Hydratationsverlauf von CEM I-Suspensionen charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Behandlung von CEM I-Suspensionen mit PUS grunds{\"a}tzlich ein beschleunigtes Erstarren und eine beschleunigte (Fr{\"u}h)Festigkeitsentwicklung hervorruft. Anhand von REM-Untersuchungen konnte eindeutig nachgewiesen werden, dass die Beschleunigung der CEM I-Hydratation mit einer beschleunigten Hydratation der Hauptklinkerphase Alit korreliert. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden die Ursachen der Aktivierung der Alithydratation untersucht. Dazu wurden Untersuchungen an Einzelsystemen des CEM I (silikatische Klinkerphase) durchgef{\"u}hrt. Es ist bekannt, das die Hydratation der Hauptklinkerphase Alit (in der reinen Form Tricalciumsilikat 3CaO*SiO2; C3S) durch L{\"o}sungs-/F{\"a}llungsreaktionen (Bildung von Calcium-Silikat-Hydrat Phasen, C-S-H Phasen) bestimmt wird. Mit Hilfe von Untersuchungen zur Aufl{\"o}sung (C3S) und Kristallbildung (C-S-H Phasen) in L{\"o}sungen und Suspensionen (Aufzeichnung der elektrischen Leitf{\"a}higkeit sowie Bestimmung der Ionenkonzentrationen der w{\"a}ssrigen Phase, REM-Charakterisierung der Pr{\"a}zipitate) wurde die Beeinflussung dieser durch eine PUS-Behandlung charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in partikelfreien L{\"o}sungen (prim{\"a}re Keimbildung) eine PUS-Behandlung keinen Einfluss auf die Kinetik der Kristallisation von C-S-H Phasen hervorruft. Das heißt, auch die durch PUS eingetragene Energie reicht offensichtlich nicht aus, um in Abwesenheit von Oberfl{\"a}chen die C-S-H Phasen Bildung zu beschleunigen. Das weist darauf hin, dass die Bildung von C-S-H Phasen nicht durch eine Beschleunigung von Ionen in der L{\"o}sung (erh{\"o}hte Diffusion durch Anwendung von PUS) hervorgerufen wird. Eine Beschleunigung des Kristallisationsprozesses (Keimbildung und Wachstum von C-S-H Phasen) durch PUS wird nur in Anwesenheit von Partikeln in der L{\"o}sung (Suspension) erzielt. Das belegen Ergebnisse, bei denen die Bildung erster C-S-H Phasen bei geringer {\"U}bers{\"a}ttigung (heterogene Keimbildung, in Anwesenheit von Oberfl{\"a}chen) erfolgt. Unter diesen Bedingungen konnte gezeigt werden, dass PUS innerhalb der ersten 30 Minuten der Hydratation eine erh{\"o}hte F{\"a}llung von ersten C-S-H Phasen bewirkt. Diese fungieren dann vermutlich w{\"a}hrend der Haupthydratation als Keim bzw. geeignete Oberfl{\"a}che zum beschleunigten Aufwachsen von weiteren C-S-H Phasen. Weiterhin ist vorstellbar, dass (in Analogie zu anderen Bereichen der Sonochemie) PUS durch Kavitation Schockwellen hervorruft, welche Partikel und w{\"a}ssriges Medium beschleunigen und damit erh{\"o}hte Partikelbewegungen und -kollisionen induziert. Dies wiederum bewirkt, dass die anf{\"a}nglich auf der C3S-Oberfl{\"a}che gebildeten C-S-H Phasen teilweise wieder entfernt werden. Damit ist das Inl{\"o}sunggehen von Ca- und Si-Ionen aus dem C3S weiterhin m{\"o}glich. Um den genauen Mechanismus weiter zu charakterisieren sollten mit geeigneten Methoden weitere Untersuchungen durchgef{\"u}hrt werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss von PUS auf das Fließverhalten von CEM I-Suspensionen untersucht. Aus der Anwendung von PUS in anderen technischen Bereichen sind unter anderem Effekte wie das Entl{\"u}ften, das Homogenisieren und das Dispergieren von Suspensionen und Emulsionen mittels PUS bekannt. Mit Hilfe der Bestimmung des Luftporengehaltes, Sedimentationsversuchen und cryo-SEM Untersuchungen wurde der Einfluss von PUS auf CEM I-Suspensionen charakterisiert. Die Ergebnisse belegen, dass durch PUS eine verbesserte Homogenit{\"a}t und Dispergierung der CEM I-Suspension erzielt wird. Damit wird f{\"u}r CEM I-Suspensionen unterschiedlichster w/z-Werte eine verbesserte Fließf{\"a}higkeit festgestellt. Ergebnisse der Bestimmung von Ausbreitmaßen und Trichterauslaufzeiten zeigen, dass PUS einen direkten Einfluss vor allem auf die Viskosit{\"a}t der CEM I-Suspensionen besitzt. Werden Fließmitteln (FM) der CEM I-Suspension zugegeben, wird nicht in jedem Fall eine verbesserte Fließf{\"a}higkeit festgestellt. Hier scheint unter bestimmten Voraussetzungen (w/z-Wert, FM-Gehalt, PUS) die Reaktion zwischen Aluminat- und Sulfatphase des Klinkers gest{\"o}rt. Zur eindeutigen Kl{\"a}rung dieses Sachverhaltes bedarf es jedoch weiterer quantitativer Untersuchungen zum Reaktionsumsatz. Im dritten Teil der Arbeit wurden die am CEM I gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss von PUS auf die Hydratation an Portland-H{\"u}ttensand(H{\"U}S)-Zement-Systemen verifiziert. Daf{\"u}r wurden auch in diesem Teil der Arbeit zun{\"a}chst die optimalen PUS-Parameter festgelegt und der Einfluss auf das Erstarrung- und Erh{\"a}rtungsverhalten dokumentiert. Untersuchungsmethoden sind unter anderem die Bestimmung des Erstarrungsbeginns und der (Fr{\"u}h)Festigkeitsentwicklung, Temperaturaufzeichnungen und isothermale W{\"a}rmeflusskalorimetrie sowie REM. Die Ergebnisse zeigen, dass auch die Reaktion von H{\"U}S-Zementen durch PUS beschleunigt wird. Weiterf{\"u}hrende Untersuchungen belegen, dass die erzielte Beschleunigung vorwiegend auf der Beschleunigung der Alitkomponente des CEM I beruht. Im Fokus der Teile vier und f{\"u}nf dieser Arbeit stand die Anwendbarkeit der PUS-Technik unter praktischen Bedingungen. Zum einen wurde die Anwendbarkeit von PUS in fertig gemischten M{\"o}rteln beurteilt. Anhand des Vergleichs wichtiger Frisch- und Festm{\"o}rteleigenschaften unterschiedlich hergestellter M{\"o}rtel (beschallt im Anschluss an konventionelle Mischtechnik, beschallt im Anschluss an Suspensionsmischtechnik mit anschließender Zumischung der Gesteinsk{\"o}rnung und nicht beschallt) wird gezeigt, dass im Fall von M{\"o}rteln mit hohem Leimanteil eine durch PUS induzierte beschleunigte Festigkeitsentwicklung auch mit herk{\"o}mmlichen Mischabl{\"a}ufen (ohne aufwendige Umstellung des Mischprozesses) m{\"o}glich ist. Abschließend wird untersucht, ob der Herstellungsprozess von Wandbauteilen im Fertigteilwerk durch den Einsatz von PUS optimiert werden kann und ob eine Einbindung der PUS-Technik in den Fertigungsprozess ohne gr{\"o}ßeren Aufwand m{\"o}glich ist. Dazu wurden in einem ersten Schritt die Frisch- und Festbetoneigenschaften eines aktuell angewendeten selbstverdichtenden Betons im Labormaßstab (M{\"o}rtel) in Abh{\"a}ngigkeit einer PUS-Behandlung dokumentiert und mit der seiner unbeschallten Referenz verglichen. Aufgrund der durch PUS verursachten verbesserten Fließ- und Festigkeitseigenschaften kann die beschallte M{\"o}rtelrezeptur hinsichtlich Fließmittelgehalt und Dauer der W{\"a}rmebehandlung optimiert werden. Somit werden ca. 30 \% der Fließmittelzugabe und 40 \% der Dauer der W{\"a}rmebehandlung eigespart. Eine Einbindung der PUS-Technik in das betrachtete Fertigteilwerk ist nach {\"U}berpr{\"u}fung der konstruktiven Gegebenheiten der Fertigungsstrukturen ohne gr{\"o}ßeren Aufwand m{\"o}glich.},
  subject      = {Cement},
  language  = {en}
}
@article{IşıkBueyueksaracLeventEkincietal.,
  author    = {I{\c{s}}{\i}k, Ercan and B{\"u}y{\"u}ksara{\c{c}}, Ayd{\i}n and Levent Ekinci, Yunus and Ayd{\i}n, Mehmet Cihan and Harirchian, Ehsan},
  title     = {The Effect of Site-Specific Design Spectrum on Earthquake-Building Parameters: A Case Study from the Marmara Region (NW Turkey)},
  series = {Applied Sciences},
  volume    = {2020},
  journal   = {Applied Sciences},
  number    = {Volume 10, issue 20, article 7247},
  publisher = {MDPI},
  address   = {Basel},
  doi       = {10.3390/app10207247},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20201022-42758},
  pages     = {23},
  abstract  = {The Marmara Region (NW Turkey) has experienced significant earthquakes (M > 7.0) to date. A destructive earthquake is also expected in the region. To determine the effect of the specific design spectrum, eleven provinces located in the region were chosen according to the Turkey Earthquake Building Code updated in 2019. Additionally, the differences between the previous and updated regulations of the country were investigated. Peak Ground Acceleration (PGA) and Peak Ground Velocity (PGV) were obtained for each province by using earthquake ground motion levels with 2\%, 10\%, 50\%, and 68\% probability of exceedance in 50-year periods. The PGA values in the region range from 0.16 to 0.7 g for earthquakes with a return period of 475 years. For each province, a sample of a reinforced-concrete building having two different numbers of stories with the same ground and structural characteristics was chosen. Static adaptive pushover analyses were performed for the sample reinforced-concrete building using each province's design spectrum. The variations in the earthquake and structural parameters were investigated according to different geographical locations. It was determined that the site-specific design spectrum significantly influences target displacements for performance-based assessments of buildings due to seismicity characteristics of the studied geographic location.},
  subject      = {Erdbeben},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Partschefeld,
  author    = {Partschefeld, Stephan},
  title     = {Synthese von Fließmitteln aus St{\"a}rke und Untersuchung der Wechselwirkung mit Portlandzement},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.4640},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20220505-46402},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {145},
  abstract  = {Das Ziel dieser Arbeit war es, neuartige Fließmittel auf Basis von St{\"a}rke als nachwachsenden Rohstoff zu synthetisieren und die Wechselwirkung mit Portlandzement zu charakterisieren. Die Notwendigkeit, Alternativen zu synthetischen Zusatzmittel zu erforschen, ergibt sich aus der ben{\"o}tigten Menge zur Verarbeitung von ca. 4,1 Gt/a, wobei ca. 85 \% der Zusatzmittel auf die Fließmittel entfallen. Um Fließmittel aus St{\"a}rke zu synthetisieren, wurden drei Basisst{\"a}rken unterschiedlicher Herkunft verwendet. Es wurde eine Maniokst{\"a}rke mit einer niedrigen Molekularmasse und eine Weizenst{\"a}rke mit einer hohen Molekularmasse verwendet. Dar{\"u}ber hinaus wurde eine Kartoffelst{\"a}rke mit einer mittleren Molekularmasse, die ein Abfallprodukt der kartoffelverarbeitenden Industrie darstellt, genutzt. Die St{\"a}rkefließmittel wurden durch chemische Modifikation in einem zweistufigen Prozess synthetisiert. Im ersten Schritt wurde das Molekulargewicht der Weizen- und Kartoffelst{\"a}rke durch s{\"a}urehydrolytischen Abbau verringert. F{\"u}r die kurzkettige Maniokst{\"a}rke war eine Degradation der Molekularmasse nicht notwendig. Im zweiten Syntheseschritt wurden anionische Ladungen durch das Versetzen der degradierten St{\"a}rken und Maniokst{\"a}rke mit Natriumvinylsulfonat in die St{\"a}rkemolek{\"u}le eingef{\"u}hrt. Beurteilung der Synthesemethode zur Erzeugung von St{\"a}rkefließmitteln In diesem Zusammenhang sollten molekulare Parameter der St{\"a}rkefließmittel gezielt eingestellt werden, um eine Fließwirkung im Portlandzement zu erhalten. Insbesondere die Molekularmasse und die Menge anionischer Ladungen sollte variiert werden, um Abh{\"a}ngigkeiten mit der Dispergierleistung zu identifizieren. 1. Es konnte durch GPC-Messungen gezeigt werden, dass die Molekularmasse der langkettigen Weizenst{\"a}rke durch die gew{\"a}hlten Modifizierungsbedingungen zum s{\"a}urehydrolytischen Abbau verringert werden konnte. Durch Variation der s{\"a}urehydrolytischen Bedingungen wurden 4 degradierte Weizenst{\"a}rken erzeugt, die eine Reduzierung der Molekularmasse um 27,5 - 43 \% aufwiesen. Die Molekularmasse der Kartoffelst{\"a}rke konnte durch s{\"a}urehydrolytischen Abbau um ca. 26 \% verringert werden. 2. Durch PCD-Messungen wurde gezeigt, dass anionische Ladungen durch Sulfoethylierung der freien Hydroxylgruppen in die degradierten St{\"a}rken eingef{\"u}hrt werden konnten. Durch Variation der Dauer der Sulfoethylierung konnte die Menge der anionischen Ladungen gesteuert und gezielt variiert werden, so dass St{\"a}rkefließmittel mit steigender Ladungsmenge in folgender Reihenfolge synthetisiert wurden: W-3 < W-2 < K-1 < W¬-4 < W¬1 < M-1 Im Ergebnis der chemischen Modifizierung konnten 6 St{\"a}rkefließmittel mit variierten Molekularmassen und anionischen Ladungen erzeugt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Herkunft der St{\"a}rke f{\"u}r die chemische Modifizierung unerheblich ist. Die Fließmittel lagen synthesebedingt als basische, w{\"a}ssrige Suspensionen mit Wirkstoffgehalten im Bereich von 23,5 - 50 \% vor. Beurteilung der Dispergierleistung der synthetisierten St{\"a}rkefließmittel Die Dispergierperformance wurde durch rheologische Experimente mit einem Rotationsviskosimeter erfasst. Dabei wurden der Einfluss auf die Fließkurven und die Viskosit{\"a}tskurven betrachtet. Durch Vergleich der Dispergierleistung mit einem Polykondensat- und einem PCE-Fließmittel konnte eine Einordnung und Bewertung der Fließmittel vorgenommen werden. 3. Die rheologische Experimente haben gezeigt, dass die St{\"a}rkefließmittel eine vergleichbar hohe Dispergierleistung aufweisen, wie das zum Vergleich herangezogen PCE-Fließmittel. Dar{\"u}ber hinaus zeigte sich, dass die Fließwirkung der 6 St{\"a}rkefließmittel gegen{\"u}ber dem Polykondensatfließmittel deutlich h{\"o}her ist. Das aus der Literatur bekannte Einbrechen der Dispergierleistung der Polykondensat-fließmittel bei w/z-Werten < 0,4 konnte best{\"a}tigt werden. 4. Alle 6 St{\"a}rkefließmittel f{\"u}hrten zu einer Verringerung der Fließgrenze und der dynamischen Viskosit{\"a}t des Zementleimes bei einem w/z-Wert von 0,35. 5. Der Vergleich der Dispergierleistung der St{\"a}rkefließmittel untereinander zeigte, dass die anionische Ladungsmenge einen Schl{\"u}sselparameter darstellt. Die St{\"a}rkefließmittel M-1, K-1, W-1 und W-4 mit anionischen Ladungsmengen > 6 C/g zeigten die h{\"o}chste Dispergier¬performance. Die vergleichend herangezogenen klassischen Fließmittel wiesen anionische Ladungsmengen im Bereich von 1,2 C/g (Polycondensat) und 1,6 C/g (PCE) auf. Die Molekularmasse schien f{\"u}r die Dispergierleistung zun{\"a}chst unerheblich zu sein. Aus diesem Grund wurde die Basisweizenst{\"a}rke erneut chemisch modifiziert, indem anionische Ladungen eingef{\"u}hrt wurden, ohne die Molekularmasse jedoch zu verringern. Das St{\"a}rkederivat wies verdickende Eigenschaften im Zementleim auf. Daraus konnte geschlussfolgert werden, dass eine definierte Grenzmolekularmasse (150.000 Da) existiert, die unterschritten werden muss, um Fließmittel aus St{\"a}rke zu erzeugen. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass durch die chemische Modifizierung sowohl Fließmittel als auch Verdicker aus St{\"a}rke erzeugt werden k{\"o}nnen. Beurteilung der Beeinflussung der Hydratation und der Porenl{\"o}sung des Portlandzementes Aus der Literatur ist bekannt, dass Fließmittel die Hydratation von Portlandzement maßgeblich beeinflussen k{\"o}nnen. Aus diesem Grund wurden kalorimetrische und konduktometrische Untersuchungen an Zementsuspensionen, die mit den synthetisierten St{\"a}rkefließmitteln versetzt wurden, durchgef{\"u}hrt. Erg{\"a}nzt wurden die Untersuchungen durch Porenl{\"o}sungsanalysen zu verschiedenen Zeitpunkten der Hydratation. 6. Die kalorimetrischen Untersuchungen zur Beeinflussung der Hydratation des Portlandzementes zeigten, dass die dormante Periode durch die Zugabe der St{\"a}rkefließmittel z.T. erheblich verl{\"a}ngert wird. Es konnte gezeigt werden, dass, je h{\"o}her die anionische Ladungsmenge der St{\"a}rkefließmittel ist, desto l{\"a}nger dauert die dormante Periode andauert. Dar{\"u}ber hinaus zeigte sich, dass eine niedrige Molekularmasse der St{\"a}rkefließmittel die Verl{\"a}ngerung der dormanten Periode beg{\"u}nstigt. 7. Durch die konduktometrischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass alle St{\"a}rkefließmittel die Dauer des freien- und diffusionskontrollierten CSH-Phasenwachstums verlangsamen. Insbesondere die Ausf{\"a}llung des Portlandits, welches mit dem Erstarrungsbeginn korreliert, erfolgt zu deutlich sp{\"a}teren Zeitpunkten. Des Weiteren korrelierten die konduktometrischen Untersuchungen mit der zeitlichen Entwicklung der Calciumkonzentration der Porenl{\"o}sungen. Der Vergleich der St{\"a}rkefließmittel untereinander zeigte, dass die Molekularmasse ein Schl{\"u}sselparameter ist. Das St{\"a}rkefließmittel M-1 mit der geringsten Molekularmasse, welches geringe Mengen kurzkettiger Anhydroglucoseeinheiten aufweist, verz{\"o}gert die Hydratphasenbildung am st{\"a}rksten. Diese Wirkung ist vergleichbar mit der von Zuckern. Dar{\"u}ber hinaus deuteten die Ergebnisse daraufhin, dass die St{\"a}rkefließmittel auf den ersten Hydratationsprodukten adsorbieren, wodurch die Hydratphasenbildung verlangsamt wird. Die kalorimetrischen und konduktometrischen Daten sowie die Ergebnisse der Porenl{\"o}sungsanalytik des Zementes, erforderten eine genauere Betrachtung der Beeinflussung der Hydratation der Klinkerphasen C3A und C3S, durch die St{\"a}rkefließmittel. Demzufolge wurden die Untersuchungen mit den Klinkerphasen C3A und C3S in Analogie zum Portlandzement durchgef{\"u}hrt. Beurteilung der Beeinflussung der Hydratation und der Porenl{\"o}sung des C3A W{\"a}hrend die kalorimetrischen Untersuchungen zur C3A-Hydratation eine Tendenz zur verlangsamten Hydratphasenbildung durch die St{\"a}rkefließmittel aufzeigten, lieferten die konduktometrischen Ergebnisse grundlegende Erkenntnisse zur Beeinflussung der C3A-Hydratation. Das Stadium I der C3A-Hydratation ist durch einen Abfall der elektrischen Leitf{\"a}higkeit gepr{\"a}gt. Dies korreliert mit dem Absinken der Calciumionenkonzentration und dem Anstieg der Aluminiumionenkonzentration in der Porenl{\"o}sung der C3A-Suspensionen. Im Anschluss an das Stadium I bildet sich ein Plateau in den elektrischen Leitf{\"a}higkeitskurven aus. 8. Es konnte gezeigt werden, dass die St{\"a}rkefließmittel das Stadium I der C3A-Hydratation, d.h. die Aufl{\"o}sung und Bildung erster Calciumaluminathydrate verlangsamen. Insbesondere die St{\"a}rkefließmittel mit h{\"o}herer Molekularmasse erh{\"o}hten die Dauer des Stadium I. Das Stadium II wird durch die St{\"a}rkefließmittel in folgender Reihenfolge am st{\"a}rksten verl{\"a}ngert: M-1 > W-3 > K-1 > W-2 ≥ W-4 und verdeutlicht, dass keine Abh{\"a}ngigkeit von der anionischen Ladungsmenge identifiziert werden konnte. Die Ergebnisse zeigten, dass speziell die kurzkettige St{\"a}rke M-1, das Stadium II l{\"a}nger aufrechterhalten. 9. Das Stadium III und IV der C3A-Hydratation wird insbesondere durch die St{\"a}rkefließmittel mit h{\"o}herer Molekularmasse verl{\"a}ngert. Die Ergebnisse der Porenl{\"o}sungsanalytik korrelieren mit den Ergebnissen der elektrischen Leitf{\"a}higkeit. Speziell die zeitlichen Verl{\"a}ufe der Calciumionenkonzentration bildeten die Verl{\"a}ufe der Konduktivit{\"a}tskurven der C3A-Hydratation mit großer {\"U}bereinstimmung ab. Beurteilung der Beeinflussung der Hydratation und der Porenl{\"o}sung des C3S Die Ergebnisse der kalorimetrischen Untersuchungen zur Beeinflussung der C3S-Hydratation durch die St{\"a}rkefließmittel zeigen, dass diese maßgeblich verlangsamt wird. Das Maximum des Haupthydratationspeaks wird zu sp{\"a}teren Zeiten verschoben und auch die H{\"o}he des Maximums wird deutlich verringert. Durch die konduktometrischen Experimente wurde aufgekl{\"a}rt, welche Stadien der C3S-Hydrataion beeinflusst wurden. 10. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Menge der eingebrachten anionischen Ladungen als auch das Vorhandensein sehr kleiner St{\"a}rkefließmittelmolek{\"u}le (Zucker), Schl{\"u}sselparameter der verz{\"o}gerten Hydratationskinetik des C3S sind. Der grundlegende Mechanismus der Hydratationsverz{\"o}gerung beruht auf einer Kombination aus verminderter CSH-Keimbildung und Adsorptionsprozessen auf den ersten gebildeten CSH-Phasen der C3S-Partikel. Beurteilung des Adsorptionsverhaltens am Zement, C3A und C3S Die Bestimmung des Adsorptionsverhaltens der St{\"a}rkefließmittel erfolgte mit der Phenol-Schwefels{\"a}ure-Methode an Zement,- C3A- und C3S-Suspensionen. Durch den Vergleich der Adsorptionsraten und Adsorptionsmengen in Abh{\"a}ngigkeit von den molekularen Parametern der St{\"a}rkefließmittel wurde ein Wechselwirkungsmodell identifiziert. 11. Die Ursache f{\"u}r die hohe Dispergierleistung der St{\"a}rkefließmittel liegt in Adsorptionsprozessen an den ersten gebildeten Hydratphasen des Zementes begr{\"u}ndet. Die Molekularmasse der St{\"a}rkefließmittel ist ein Schl{\"u}sselparameter der entscheidend f{\"u}r den Mechanismus der Adsorption ist. W{\"a}hrend anionische, langkettige St{\"a}rken an mehreren Zementpartikeln gleichzeitig adsorbieren und f{\"u}r eine Vernetzung der Zementpartikel untereinander sorgen (Verdickerwirkung), adsorbieren kurzkettige anionische St{\"a}rken lediglich an den ersten gebildeten Hydratphasen der einzelnen Zementpartikel und f{\"u}hren zu elektrostatischer Abstoßung (Fließmittelwirkung). 12. Es konnte gezeigt werden, dass die St{\"a}rkefließmittel mit geringerem Molekulargewicht bei h{\"o}heren Konzentrationen an den Hydratphasen des Zementes adsorbieren. Die St{\"a}rkefließmittel mit h{\"o}herer Molekularmasse erreichen bei einer Zugabemenge von 0,7 \% ein Plateau. Daraus wird geschlussfolgert, dass die gr{\"o}ßeren Fließmittelmolek{\"u}le einen erh{\"o}hten Platzbedarf erfordern und zur Abs{\"a}ttigung der hydratisierenden Oberfl{\"a}chen bei geringeren Zugabemengen f{\"u}hren. Dar{\"u}ber hinaus konnte gezeigt werden, dass die St{\"a}rkefließmittel mit h{\"o}herer anionischer Ladungsmenge zu h{\"o}heren Adsorptionsmengen auf den Zement-, C3A- und C3S-Partikeln f{\"u}hren. 13. Die Adsorptionsprozesse finden an den ersten gebildeten Hydratphasen der C3A-Partikel statt, wodurch sowohl die Aufl{\"o}sung des C3A als auch die Bildung der Calciumhydroaluminate verlangsamt wird. Dar{\"u}ber hinaus wurde festgestellt, dass die Verlangsamung des freien- und diffusionskontrollierten Hydratphasenwachstums des C3S, durch die Adsorption der St{\"a}rkefließmittel auf den ersten gebildeten CSH-Phasen hervorgerufen wird. Des Weiteren wurde festgestellt, dass sehr kleine zucker{\"a}hnliche Molek{\"u}le in der kurzkettigen Maniokst{\"a}rke in der Lage sind, die Bildung der ersten CSH-Keime zu unterdr{\"u}cken. Dadurch kann die langanhaltende Plateauphase der elektrischen Leitf{\"a}higkeit der C3S-Hydratation erkl{\"a}rt werden. Beurteilung der Porenstruktur- und Festigkeitsausbildung Die Beurteilung der Qualit{\"a}t der Mikrostruktur erfolgte durch die Bestimmung der Rohdichte und der Porenradienverteilung mit Hilfe der Quecksilberhochdruckporosimetrie. Durch das Versetzen der Zementleime mit den St{\"a}rkefließmitteln konnten bei gleichbleibender Verarbeitbarkeit Zementsteinprobek{\"o}rper mit einem um 17,5 \% geringeren w/z-Wert von 0,35 hergestellt werden. Die Absenkung des w/z-Wertes f{\"u}hrt zu einem Anstieg der Rohdichte des Zementsteins. 14. Durch die Zugabe der St{\"a}rkefließmittel und den verringerten w/z-Wert wird die Porenstruktur der Zementsteinproben im Vergleich zum Referenzzementstein verfeinert, da die Gesamtporosit{\"a}t sinkt. Insbesondere der Kapillarporenanteil wird verringert und der Gelporenanteil erh{\"o}ht. Im Unterschied zu den PCE-Fließmitteln f{\"u}hrt die Zugabe der St{\"a}rkefließmittel zu keinem erh{\"o}hten Eintrag von Luftporen. Dies wiederum hat zur Folge, dass bei der Verwendung der St{\"a}rkefließmittel auf Entsch{\"a}umer verzichtet werden kann. 15. Entsprechend der dichteren Zementsteinmatrix wurden f{\"u}r die Zementsteine mit den St{\"a}rkefließmitteln nach 7 d und 28 d, erh{\"o}hte Biegezug- und Druckfestigkeiten ermittelt. Insbesondere die 28 d Druckfestigkeit wurde durch den verringerten w/z-Wert um die Faktoren 3,5 - 6,6 erh{\"o}ht.},
  subject      = {Bauchemie},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Kavrakov,
  author    = {Kavrakov, Igor},
  title     = {Synergistic Framework for Analysis and Model Assessment in Bridge Aerodynamics and Aeroelasticity},
  publisher = {Bauhaus-Universit{\"a}tsverlag},
  address   = {Weimar},
  isbn      = {978-3-95773-284-2},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.4109},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20200316-41099},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {314},
  abstract  = {Wind-induced vibrations often represent a major design criterion for long-span bridges. This work deals with the assessment and development of models for aerodynamic and aeroelastic analyses of long-span bridges. Computational Fluid Dynamics (CFD) and semi-analytical aerodynamic models are employed to compute the bridge response due to both turbulent and laminar free-stream. For the assessment of these models, a comparative methodology is developed that consists of two steps, a qualitative and a quantitative one. The first, qualitative, step involves an extension of an existing approach based on Category Theory and its application to the field of bridge aerodynamics. Initially, the approach is extended to consider model comparability and completeness. Then, the complexity of the CFD and twelve semi-analytical models are evaluated based on their mathematical constructions, yielding a diagrammatic representation of model quality. In the second, quantitative, step of the comparative methodology, the discrepancy of a system response quantity for time-dependent aerodynamic models is quantified using comparison metrics for time-histories. Nine metrics are established on a uniform basis to quantify the discrepancies in local and global signal features that are of interest in bridge aerodynamics. These signal features involve quantities such as phase, time-varying frequency and magnitude content, probability density, non-stationarity, and nonlinearity. The two-dimensional (2D) Vortex Particle Method is used for the discretization of the Navier-Stokes equations including a Pseudo-three dimensional (Pseudo-3D) extension within an existing CFD solver. The Pseudo-3D Vortex Method considers the 3D structural behavior for aeroelastic analyses by positioning 2D fluid strips along a line-like structure. A novel turbulent Pseudo-3D Vortex Method is developed by combining the laminar Pseudo-3D VPM and a previously developed 2D method for the generation of free-stream turbulence. Using analytical derivations, it is shown that the fluid velocity correlation is maintained between the CFD strips. Furthermore, a new method is presented for the determination of the complex aerodynamic admittance under deterministic sinusoidal gusts using the Vortex Particle Method. The sinusoidal gusts are simulated by modeling the wakes of flapping airfoils in the CFD domain with inflow vortex particles. Positioning a section downstream yields sinusoidal forces that are used for determining all six components of the complex aerodynamic admittance. A closed-form analytical relation is derived, based on an existing analytical model. With this relation, the inflow particles' strength can be related with the target gust amplitudes a priori. The developed methodologies are combined in a synergistic framework, which is applied to both fundamental examples and practical case studies. Where possible, the results are verified and validated. The outcome of this work is intended to shed some light on the complex wind-bridge interaction and suggest appropriate modeling strategies for an enhanced design.},
  subject      = {Br{\"u}cke},
  language  = {en}
}
@phdthesis{SalehiSadaghiani,
  author    = {Salehi Sadaghiani, Mohamad Reza},
  title     = {Suffusion Phenomenon in Widely Graded Soils - Influence of Homogeneity},
  publisher = {Blueprint},
  address   = {Weimar},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.2681},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20161020-26819},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {160},
  abstract  = {Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit D{\"a}mme und Deiche f{\"u}r z.B. Fluß-, Kanal- oder Speicherbauten sind Erdbauwerke mit großer Kubatur, die meistens großen Platzbedarf und enormen Materialverbrauch erfordern. Aus der Vielfalt von Materialien die uns zur Herstellung der D{\"a}mme zur Verf{\"u}gung stehen, muss immer die wirtschaftlichste L{\"o}sung gefunden werden. Aus diesem Grund werden im Dammbau, die im Umfeld nat{\"u}rlich anstehenden B{\"o}den verwendet. Meist handelt es sich um weitgestufte B{\"o}den, so dass bei der Herstellung der Erdbauwerke eine potenzielle Gefahr der Entmischung besteht. Bei einer hydraulischen Beanspruchung solcher B{\"o}den k{\"o}nnen verschiedene Prozesse der inneren Erosion auftreten, deren Ph{\"a}nomene in Filtration, Suffosion, Kolmation und r{\"u}ckschreitende Erosion unterschieden werden. In der Geotechnik beschreibt man den Transport von Feinteilen aus einem Erdstoff mit dem Begriff "Suffosion". Kommt es zum Materialtransport innerhalb des Bodens, verursacht dies eine Erh{\"o}hung der Wasserdurchl{\"a}ssigkeit und des Porenanteils. Gleichzeitig nehmen die Raumdichte des Bodengef{\"u}ges und die Tragf{\"a}higkeit des Bodens ab. Suffosion ist geometrisch m{\"o}glich, wenn die Porenengstellen der groben, skelettbildenden Fraktionen gr{\"o}ßer als die Korngr{\"o}ßen der mobilen feinen Fraktionen des Bodens sind. Sobald ein kritischer hydraulischer Gradient erreicht wird, werden die mobilen feinen Partikel transportiert. Wegen des starken Einfl usses der Struktur spielt die Homogenit{\"a}t des Korngef{\"u}ges bei allen Prozessen der inneren Erosion eine große Rolle. Die Effekte der Suffosion k{\"o}nnen bei verschiedenen Erdbauwerken unterschiedliche Wirkung haben und zur Beeintr{\"a}chtigung der Funktion oder zu Sch{\"a}den f{\"u}hren. Zu den Aufgaben der Ingenieure z{\"a}hlt die Absch{\"a}tzung, inwiefern die hydrodynamischen Einwirkungen einen standsicherheitrelevanten Einfl uss haben. Die Rolle der Partikelzusammensetzung zur Initialisierung und Fortsetzung des Materialtransportes (Suffosion) wurde noch nicht vollst{\"a}ndig untersucht. Alle g{\"a}ngigen Kriterien gehen von einer Homogenit{\"a}t des Gef{\"u}ges aus. Daher ist das Hauptziel dieser Arbeit, ein analytisches Suffosionskriterium unter Ber{\"u}cksichtigung der Homogenit{\"a}t abzuleiten. Das Kriterium soll in der Lage sein, die mobilen, lokal beweglichen, sowie die suffosiven, global beweglichen Fraktionen eines weitgestuften Bodens einzusch{\"a}tzen. Stand der Wissenschaft Geometrische Suffosionskriterien basieren auf Untersuchungen, die zur Dimensionierung von Erdstofffi ltern im Dammbau entwickelt wurden. Als Eingangsparameter werden die Korngr{\"o}ßenverteilungen der B{\"o}den herangezogen. Fundamentale geometrische Suffosionskriterien wurden u. a. von Ziems (1969), Burenkova (1993), Kenney \& Lau (1986), Wan und Fell (2008) und Witt (2013) entwickelt. Mit den verf{\"u}gbaren Kriterien zur Beurteilung der inneren Suffosionsbest{\"a}ndigkeit kann die Wahrscheinlichkeit eines Materialtransportes nicht quantitativ beurteilt werden. Die zahlreichen Kriterien basieren im Wesentlichen auf empirischen Ans{\"a}tzen und sind nur f{\"u}r spezifische Bodenarten und Randbedingungen anwendbar. Die Anwendungsgrenzen der Suffosionskriterien werden hinsichtlich der Bodenart und des Ungleichf{\"o}rmigkeitsgrades meist {\"u}berschritten. Dar{\"u}ber hinaus ist das Ph{\"a}nomen "Suffosion" in erster Linie ein Problem, das auf der Partikelebene untersucht werden muss. Die Homogenit{\"a}t der Kornzusammensetzung der Erdstoffe fi ndet explizit keine Rolle in den verf{\"u}gbaren Kriterien und die aktuellen internationalen Forschungsaktivit{\"a}ten zeigen, dass haupts{\"a}chlich weitere empirische Ans{\"a}tze entwickelt werden. Eingesetzte Methoden F{\"u}r die analytische Beschreibung von suffosiven Materialtransportprozessen in weitgestuften Erdstoffen unter Ber{\"u}cksichtigung der Homogenit{\"a}tseffekte, muss das Ph{\"a}nomen auf der Partikelebene beschrieben werden. Dies setzt drei Arbeitsschritte und Teilziele voraus: i) Die Kenntnis und Beschreibung der Gef{\"u}gestruktur ii) Beschreibung und Dimensionierung eines repr{\"a}sentativen Volumens iii) Konstruktion einer homogenen Packung f{\"u}r beliebige Korngr{\"o}ßßenverteilungslinien und Quantifizierung des vorhandenen Homogenit{\"a}tsgrads. Die granularen Packungen wurden sowohl experimentell als auch numerisch anhand sequentieller Mischversuche (SFT) untersucht. In einer stochastisch homogenen Packung werden der Anteil der skelettbildenden und der mobilen Fraktionen identifi ziert und ein Bereich als Trenndurchmesser, der Skelett und mobile Feinteile abgrenzt, bestimmt. Dadurch kann die Gef{\"u}gestruktur in suffosiv und nicht suffosive Gruppen klassifi ziert werden. Der experimentelle Ansatz wurde numerisch mittels Diskreter Element Methode (DEM) simuliert, um die Kontaktkr{\"a}fte und Anzahl der Nachbarn f{\"u}r verschiedene Bodenfraktionen (Skelett und bis zu gewissen Bereichen auch die F{\"u}llung) zu finden. Das kleinste repr{\"a}sentative Volumen (REV) f{\"u}r solch eine Bodenpackung wird numerisch bestimmt. Eine Methode zur Festlegung der relevanten Skala zur Quantifi zierung der Homogenit{\"a}t wurde vorgeschlagen. Als Bindeglied wurden 2D-Aufnahmen der experimentell oder numerisch erzeugten Packungen angefertigt, um mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung die relevanten Kennwerte der Packung und die Anzahl der skelettbildenden Partikel zu ermitteln. Die erfassten Oberfl{\"a}chen dienen der statistischen Analyse der r{\"a}umlichen Streuung skeletviitbildender Partikel. Anhand der Berechnung der Varianz k{\"o}nnen die unterschiedlichen Parameter miteinander verglichen werden. Eine Varianz von Null bedeutet totale Homogenit{\"a}t. Ein Programm wurde in MATLAB geschrieben, um die Bildanalyse und die Varianzkalkulationen anhand unterschiedlicher Eingangsparameter durchzuf{\"u}hren. Ein analytisch beschreibbares Packungsmodell wird vorgeschlagen, um Homogenit{\"a}t und REV mit Suffosion in Verbindung zu bringen. Basierend auf diesem Modell wird ein Suffosionskriterium entwerfen, das in der Lage ist die Masse des ausgesp{\"u}lten Materials aus einem weitgestuften Boden zu prognostizieren. Wesentliche Ergebnisse Suffosion ist ein Ph{\"a}nomen der Partikelskala und der Partikeltransport ist abh{\"a}ngig von der Partikelanordnung. Die Zusammensetzung der skelettbildenden Partikel bestimmt die Eigenschaft des Porenraums. Die charakteristischen Parameter der Bodenstruktur eines weitgestuften Bodens wurden anhand sequentieller Mischversuche (SFT) festgestellt. Dadurch kann ein weitgestufter Boden in suffosiv oder nicht-suffosiv eingestuft werden. Das granulare Material formt ein Skelett, wenn die ben{\"o}tigte Mindestmasse oder das repr{\"a}{\"a}sentative Volumen erreicht wird. Dies ist eine notwendige Bedingung f{\"u}r die weiteren Untersuchungen. Diese Mindestmasse bzw. das repr{\"a}sentatives Volumen wurde numerisch mittels DEM Simulationen ermittelt. Eine statistische Methode f{\"u}r die Quantifi zierung der Homogenit{\"a}t f{\"u}r 2D-Aufnahmen in Abh{\"a}ngigkeit der Gr{\"o}ße des repr{\"a}sentativen Volumens wurde vorgeschlagen. Diese Methode wurde f{\"u}r komplexe stochastisch homogene, segregierte sowie f{\"u}r homogene Gitter-Packungen getestet. Die Ergebnisse sind vergleichbar mit dem bekannten Verfahren des Voronoi-Diagramms. Der Vorteil dieser Methode ist, dass viele Parameter ber{\"u}cksichtigt und in den Code integriert werden k{\"o}nnen. Eine in-situ Versuchsmethode f{\"u}r die Quantifi zierung der Homogenit{\"a}t wurde vorgeschlagen. Dar{\"u}ber hinaus wurde gezeigt, dass der lockerste und der dichteste Zustand eines weitgestuften Bodens, welcher gem{\"a}ß den Standardrichtlinien ermittelt werden kann, nicht die ultimativen Zust{\"a}nde sind. Die ultimativen Zust{\"a}nde k{\"o}nnen durch die vorgeschlagene Probenvorbereitung ermittelt werden. Ein homogenes Packungsmodell f{\"u}r weitgestufte B{\"o}den mit dominanter Grobmatrix wurde vorgestellt. Die Idee dieses Packungsmodells basiert auf der immer wiederkehrenden Natur der Homogenit{\"a}t und des Segregationsprozesses. Dieses Modell wurde durch Suffosionsversuche getestet und validiert. Basierend auf dem vorgeschlagenen Packungsmodell wurde eine neue experimentelle Methode zur qualitativen Beurteilung der Suffosionsanf{\"a}lligkeit vorgestellt. Ein neues analytisches Suffosionskriterium, basierend auf dem vorgeschlagenen Packungsmodel unter Ber{\"u}cksichtigung der Homogenit{\"a}t im REV wurde entworfen. Damit k{\"o}nnen die mobilen sowie suffosiven Fraktionen eines weitgestuften Bodens ermittelt werden.},
  subject      = {Homogenit{\"a}t},
  language  = {en}
}
@misc{Kavrakov,
  type      = {Master Thesis},
  author    = {Kavrakov, Igor},
  title     = {Structural Optimization of Composite Cross-Sections and Elements using Energy Methods},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.3959},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20190815-39593},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {96},
  abstract  = {Structural optimization has gained considerable attention in the design of structural engineering structures, especially in the preliminary phase. This study introduces an unconventional approach for structural optimization by utilizing the Energy method with Integral Material Behavior (EIM), based on the Lagrange's principle of minimum potential energy. An automated two-level optimization search process is proposed, which integrates the EIM, as an alternative method for nonlinear structural analysis, and the bilevel optimization. The proposed procedure secures the equilibrium through minimizing the potential energy on one level, and on a higher level, a design objective function. For this, the most robust strategy of bilevel optimization, the nested method is used. The function of the potential energy is investigated along with its instabilities for physical nonlinear analysis through principle examples, by which the advantages and limitations using this method are reviewed. Furthermore, optimization algorithms are discussed. A numerical fully functional code is developed for nonlinear cross section, element and 2D frame analysis, utilizing different finite elements and is verified against existing EIM programs. As a proof of concept, the method is applied on selected examples using this code on cross section and element level. For the former one a comparison is made with standard procedure, by employing the equilibrium equations within the constrains. The validation of the element level was proven by a theoretical solution of an arch bridge and finally, a truss bridge is optimized. Most of the principle examples are chosen to be adequate for the everyday engineering practice, to demonstrate the effectiveness of the proposed method. This study implies that with further development, this method could become just as competitive as the conventional structural optimization techniques using the Finite Element Method.},
  subject      = {Strukturoptimierung},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Vu,
  author    = {Vu, Bac Nam},
  title     = {Stochastic uncertainty quantification for multiscale modeling of polymeric nanocomposites},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.2555},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20160322-25551},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {265},
  abstract  = {Nanostructured materials are extensively applied in many fields of material science for new industrial applications, particularly in the automotive, aerospace industry due to their exceptional physical and mechanical properties. Experimental testing of nanomaterials is expensive, timeconsuming,challenging and sometimes unfeasible. Therefore,computational simulations have been employed as alternative method to predict macroscopic material properties. The behavior of polymeric nanocomposites (PNCs) are highly complex. The origins of macroscopic material properties reside in the properties and interactions taking place on finer scales. It is therefore essential to use multiscale modeling strategy to properly account for all large length and time scales associated with these material systems, which across many orders of magnitude. Numerous multiscale models of PNCs have been established, however, most of them connect only two scales. There are a few multiscale models for PNCs bridging four length scales (nano-, micro-, meso- and macro-scales). In addition, nanomaterials are stochastic in nature and the prediction of macroscopic mechanical properties are influenced by many factors such as fine-scale features. The predicted mechanical properties obtained by traditional approaches significantly deviate from the measured values in experiments due to neglecting uncertainty of material features. This discrepancy is indicated that the effective macroscopic properties of materials are highly sensitive to various sources of uncertainty, such as loading and boundary conditions and material characteristics, etc., while very few stochastic multiscale models for PNCs have been developed. Therefore, it is essential to construct PNC models within the framework of stochastic modeling and quantify the stochastic effect of the input parameters on the macroscopic mechanical properties of those materials. This study aims to develop computational models at four length scales (nano-, micro-, meso- and macro-scales) and hierarchical upscaling approaches bridging length scales from nano- to macro-scales. A framework for uncertainty quantification (UQ) applied to predict the mechanical properties of the PNCs in dependence of material features at different scales is studied. Sensitivity and uncertainty analysis are of great helps in quantifying the effect of input parameters, considering both main and interaction effects, on the mechanical properties of the PNCs. To achieve this major goal, the following tasks are carried out: At nano-scale, molecular dynamics (MD) were used to investigate deformation mechanism of glassy amorphous polyethylene (PE) in dependence of temperature and strain rate. Steered molecular dynamics (SMD)were also employed to investigate interfacial characteristic of the PNCs. At mico-scale, we developed an atomistic-based continuum model represented by a representative volume element (RVE) in which the SWNT's properties and the SWNT/polymer interphase are modeled at nano-scale, the surrounding polymer matrix is modeled by solid elements. Then, a two-parameter model was employed at meso-scale. A hierarchical multiscale approach has been developed to obtain the structure-property relations at one length scale and transfer the effect to the higher length scales. In particular, we homogenized the RVE into an equivalent fiber. The equivalent fiber was then employed in a micromechanical analysis (i.e. Mori-Tanaka model) to predict the effective macroscopic properties of the PNC. Furthermore, an averaging homogenization process was also used to obtain the effective stiffness of the PCN at meso-scale. Stochastic modeling and uncertainty quantification consist of the following ingredients: - Simple random sampling, Latin hypercube sampling, Sobol' quasirandom sequences, Iman and Conover's method (inducing correlation in Latin hypercube sampling) are employed to generate independent and dependent sample data, respectively. - Surrogate models, such as polynomial regression, moving least squares (MLS), hybrid method combining polynomial regression and MLS, Kriging regression, and penalized spline regression, are employed as an approximation of a mechanical model. The advantage of the surrogate models is the high computational efficiency and robust as they can be constructed from a limited amount of available data. - Global sensitivity analysis (SA) methods, such as variance-based methods for models with independent and dependent input parameters, Fourier-based techniques for performing variance-based methods and partial derivatives, elementary effects in the context of local SA, are used to quantify the effects of input parameters and their interactions on the mechanical properties of the PNCs. A bootstrap technique is used to assess the robustness of the global SA methods with respect to their performance. In addition, the probability distribution of mechanical properties are determined by using the probability plot method. The upper and lower bounds of the predicted Young's modulus according to 95 \% prediction intervals were provided. The above-mentioned methods study on the behaviour of intact materials. Novel numerical methods such as a node-based smoothed extended finite element method (NS-XFEM) and an edge-based smoothed phantom node method (ES-Phantom node) were developed for fracture problems. These methods can be used to account for crack at macro-scale for future works. The predicted mechanical properties were validated and verified. They show good agreement with previous experimental and simulations results.},
  subject      = {Polymere},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Liu,
  author    = {Liu, Bokai},
  title     = {Stochastic multiscale modeling of polymeric nanocomposites using Data-driven techniques},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.4637},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20220503-46379},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {134},
  abstract  = {In recent years, lightweight materials, such as polymer composite materials (PNCs) have been studied and developed due to their excellent physical and chemical properties. Structures composed of these composite materials are widely used in aerospace engineering structures, automotive components, and electrical devices. The excellent and outstanding mechanical, thermal, and electrical properties of Carbon nanotube (CNT) make it an ideal filler to strengthen polymer materials' comparable properties. The heat transfer of composite materials has very promising engineering applications in many fields, especially in electronic devices and energy storage equipment. It is essential in high-energy density systems since electronic components need heat dissipation functionality. Or in other words, in electronic devices the generated heat should ideally be dissipated by light and small heat sinks. Polymeric composites consist of fillers embedded in a polymer matrix, the first ones will significantly affect the overall (macroscopic) performance of the material. There are many common carbon-based fillers such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT), multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), carbon nanobuds (CNB), fullerene, and graphene. Additives inside the matrix have become a popular subject for researchers. Some extraordinary characters, such as high-performance load, lightweight design, excellent chemical resistance, easy processing, and heat transfer, make the design of polymeric nanotube composites (PNCs) flexible. Due to the reinforcing effects with different fillers on composite materials, it has a higher degree of freedom and can be designed for the structure according to specific applications' needs. As already stated, our research focus will be on SWCNT enhanced PNCs. Since experiments are timeconsuming, sometimes expensive and cannot shed light into phenomena taking place for instance at the interfaces/interphases of composites, they are often complemented through theoretical and computational analysis. While most studies are based on deterministic approaches, there is a comparatively lower number of stochastic methods accounting for uncertainties in the input parameters. In deterministic models, the output of the model is fully determined by the parameter values and the initial conditions. However, uncertainties in the input parameters such as aspect ratio, volume fraction, thermal properties of fiber and matrix need to be taken into account for reliable predictions. In this research, a stochastic multiscale method is provided to study the influence of numerous uncertain input parameters on the thermal conductivity of the composite. Therefore, a hierarchical multi-scale method based on computational homogenization is presented in to predict the macroscopic thermal conductivity based on the fine-scale structure. In order to study the inner mechanism, we use the finite element method and employ surrogate models to conduct a Global Sensitivity Analysis (GSA). The SA is performed in order to quantify the influence of the conductivity of the fiber, matrix, Kapitza resistance, volume fraction and aspect ratio on the macroscopic conductivity. Therefore, we compute first-order and total-effect sensitivity indices with different surrogate models. As stochastic multiscale models are computational expensive, surrogate approaches are commonly exploited. With the emergence of high performance computing and artificial intelligence, machine learning has become a popular modeling tool for numerous applications. Machine learning (ML) is commonly used in regression and maps data through specific rules with algorithms to build input and output models. They are particularly useful for nonlinear input-output relationships when sufficient data is available. ML has also been used in the design of new materials and multiscale analysis. For instance, Artificial neural networks and integrated learning seem to be ideally for such a task. They can theoretically simulate any non-linear relationship through the connection of neurons. Mapping relationships are employed to carry out data-driven simulations of inputs and outputs in stochastic modeling. This research aims to develop a stochastic multi-scale computational models of PNCs in heat transfer. Multi-scale stochastic modeling with uncertainty analysis and machine learning methods consist of the following components: -Uncertainty Analysis. A surrogate based global sensitivity analysis is coupled with a hierarchical multi-scale method employing computational homogenization. The effect of the conductivity of the fibers and the matrix, the Kapitza resistance, volume fraction and aspect ratio on the 'macroscopic' conductivity of the composite is systematically studied. All selected surrogate models yield consistently the conclusions that the most influential input parameters are the aspect ratio followed by the volume fraction. The Kapitza Resistance has no significant effect on the thermal conductivity of the PNCs. The most accurate surrogate model in terms of the R2 value is the moving least square (MLS). -Hybrid Machine Learning Algorithms. A combination of artificial neural network (ANN) and particle swarm optimization (PSO) is applied to estimate the relationship between variable input and output parameters. The ANN is used for modeling the composite while PSO improves the prediction performance through an optimized global minimum search. The thermal conductivity of the fibers and the matrix, the kapitza resistance, volume fraction and aspect ratio are selected as input parameters. The output is the macroscopic (homogenized) thermal conductivity of the composite. The results show that the PSO significantly improves the predictive ability of this hybrid intelligent algorithm, which outperforms traditional neural networks. -Stochastic Integrated Machine Learning. A stochastic integrated machine learning based multiscale approach for the prediction of the macroscopic thermal conductivity in PNCs is developed. Seven types of machine learning models are exploited in this research, namely Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS), Support Vector Machine (SVM), Regression Tree (RT), Bagging Tree (Bag), Random Forest (RF), Gradient Boosting Machine (GBM) and Cubist. They are used as components of stochastic modeling to construct the relationship between the variable of the inputs' uncertainty and the macroscopic thermal conductivity of PNCs. Particle Swarm Optimization (PSO) is used for hyper-parameter tuning to find the global optimal values leading to a significant reduction in the computational cost. The advantages and disadvantages of various methods are also analyzed in terms of computing time and model complexity to finally give a recommendation for the applicability of different models.},
  subject      = {Polymere},
  language  = {en}
}