@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}
}
@phdthesis{Amiri,
  author    = {Amiri, Fatemeh},
  title     = {Computational modelling of fracture with local maximum entropy approximations},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.2631},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20160719-26310},
  school      = {Bauhaus-Universit{\"a}t Weimar},
  pages     = {130},
  abstract  = {The key objective of this research is to study fracture with a meshfree method, local maximum entropy approximations, and model fracture in thin shell structures with complex geometry and topology. This topic is of high relevance for real-world applications, for example in the automotive industry and in aerospace engineering. The shell structure can be described efficiently by meshless methods which are capable of describing complex shapes as a collection of points instead of a structured mesh. In order to find the appropriate numerical method to achieve this goal, the first part of the work was development of a method based on local maximum entropy (LME) shape functions together with enrichment functions used in partition of unity methods to discretize problems in linear elastic fracture mechanics. We obtain improved accuracy relative to the standard extended finite element method (XFEM) at a comparable computational cost. In addition, we keep the advantages of the LME shape functions,such as smoothness and non-negativity. We show numerically that optimal convergence (same as in FEM) for energy norm and stress intensity factors can be obtained through the use of geometric (fixed area) enrichment with no special treatment of the nodes near the crack such as blending or shifting. As extension of this method to three dimensional problems and complex thin shell structures with arbitrary crack growth is cumbersome, we developed a phase field model for fracture using LME. Phase field models provide a powerful tool to tackle moving interface problems, and have been extensively used in physics and materials science. Phase methods are gaining popularity in a wide set of applications in applied science and engineering, recently a second order phase field approximation for brittle fracture has gathered significant interest in computational fracture such that sharp cracks discontinuities are modeled by a diffusive crack. By minimizing the system energy with respect to the mechanical displacements and the phase-field, subject to an irreversibility condition to avoid crack healing, this model can describe crack nucleation, propagation, branching and merging. One of the main advantages of the phase field modeling of fractures is the unified treatment of the interfacial tracking and mechanics, which potentially leads to simple, robust, scalable computer codes applicable to complex systems. In other words, this approximation reduces considerably the implementation complexity because the numerical tracking of the fracture is not needed, at the expense of a high computational cost. We present a fourth-order phase field model for fracture based on local maximum entropy (LME) approximations. The higher order continuity of the meshfree LME approximation allows to directly solve the fourth-order phase field equations without splitting the fourth-order differential equation into two second order differential equations. Notably, in contrast to previous discretizations that use at least a quadratic basis, only linear completeness is needed in the LME approximation. We show that the crack surface can be captured more accurately in the fourth-order model than the second-order model. Furthermore, less nodes are needed for the fourth-order model to resolve the crack path. Finally, we demonstrate the performance of the proposed meshfree fourth order phase-field formulation for 5 representative numerical examples. Computational results will be compared to analytical solutions within linear elastic fracture mechanics and experimental data for three-dimensional crack propagation. In the last part of this research, we present a phase-field model for fracture in Kirchoff-Love thin shells using the local maximum-entropy (LME) meshfree method. Since the crack is a natural outcome of the analysis it does not require an explicit representation and tracking, which is advantageous over techniques as the extended finite element method that requires tracking of the crack paths. The geometric description of the shell is based on statistical learning techniques that allow dealing with general point set surfaces avoiding a global parametrization, which can be applied to tackle surfaces of complex geometry and topology. We show the flexibility and robustness of the present methodology for two examples: plate in tension and a set of open connected pipes.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Hollberg,
  author    = {Hollberg, Alexander},
  title     = {A parametric method for building design optimization based on Life Cycle Assessment - Appendix},
  series = {A parametric method for building design optimization based on Life Cycle Assessment},
  journal   = {A parametric method for building design optimization based on Life Cycle Assessment},
  doi       = {10.25643/bauhaus-universitaet.2688},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:wim2-20161101-26884},
  abstract  = {The building sector is responsible for a large share of human environmental impacts, over which architects and planners have a major influence. The main objective of this thesis is to develop a method for environmental building design optimization based on Life Cycle Assessment (LCA) that is applicable as part of the design process. The research approach includes a thorough analysis of LCA for buildings in relation to the architectural design stages and the establishment of a requirement catalogue. The key concept of the novel method called Parametric Life Cycle Assessment(PLCA) is to combine LCA with parametric design. The application of this method to three examples shows that building designs can be optimized time-efficiently and holistically from the beginning of the most influential early design stages, an achievement which has not been possible until now.},
  subject      = {{\"O}kobilanz},
  language  = {en}
}