TY - THES A1 - Hanna, John T1 - Computational Fracture Modeling and Design of Encapsulation-Based Self-Healing Concrete Using XFEM and Cohesive Surface Technique N2 - Encapsulation-based self-healing concrete (SHC) is the most promising technique for providing a self-healing mechanism to concrete. This is due to its capacity to heal fractures effectively without human interventions, extending the operational life and lowering maintenance costs. The healing mechanism is created by embedding capsules containing the healing agent inside the concrete. The healing agent will be released once the capsules are fractured and the healing occurs in the vicinity of the damaged part. The healing efficiency of the SHC is still not clear and depends on several factors; in the case of microcapsules SHC the fracture of microcapsules is the most important aspect to release the healing agents and hence heal the cracks. This study contributes to verifying the healing efficiency of SHC and the fracture mechanism of the microcapsules. Extended finite element method (XFEM) is a flexible, and powerful discrete crack method that allows crack propagation without the requirement for re-meshing and has been shown high accuracy for modeling fracture in concrete. In this thesis, a computational fracture modeling approach of Encapsulation-based SHC is proposed based on the XFEM and cohesive surface technique (CS) to study the healing efficiency and the potential of fracture and debonding of the microcapsules or the solidified healing agents from the concrete matrix as well. The concrete matrix and a microcapsule shell both are modeled by the XFEM and combined together by CS. The effects of the healed-crack length, the interfacial fracture properties, and microcapsule size on the load carrying capability and fracture pattern of the SHC have been studied. The obtained results are compared to those obtained from the zero thickness cohesive element approach to demonstrate the significant accuracy and the validity of the proposed simulation. The present fracture simulation is developed to study the influence of the capsular clustering on the fracture mechanism by varying the contact surface area of the CS between the microcapsule shell and the concrete matrix. The proposed fracture simulation is expanded to 3D simulations to validate the 2D computational simulations and to estimate the accuracy difference ratio between 2D and 3D simulations. In addition, a proposed design method is developed to design the size of the microcapsules consideration of a sufficient volume of healing agent to heal the expected crack width. This method is based on the configuration of the unit cell (UC), Representative Volume Element (RVE), Periodic Boundary Conditions (PBC), and associated them to the volume fraction (Vf) and the crack width as variables. The proposed microcapsule design is verified through computational fracture simulations. KW - Beton KW - Bruchverhalten KW - Finite-Elemente-Methode KW - Self-healing concrete KW - Computational fracture modeling KW - Capsular clustering; Design of microcapsules KW - XFEM KW - Cohesive surface technique KW - Mikrokapsel KW - Selbstheilendem Beton KW - Computermodellierung des Bruchverhaltens KW - Entwurf von Mikrokapseln KW - Kapselclustern KW - Erweiterte Finite-Elemente-Methode KW - Kohäsionsflächenverfahren Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20221124-47467 ER - TY - THES A1 - Habtemariam, Abinet Kifle T1 - Generalized Beam Theory for the analysis of thin-walled circular pipe members N2 - The detailed structural analysis of thin-walled circular pipe members often requires the use of a shell or solid-based finite element method. Although these methods provide a very good approximation of the deformations, they require a higher degree of discretization which causes high computational costs. On the other hand, the analysis of thin-walled circular pipe members based on classical beam theories is easy to implement and needs much less computation time, however, they are limited in their ability to approximate the deformations as they cannot consider the deformation of the cross-section. This dissertation focuses on the study of the Generalized Beam Theory (GBT) which is both accurate and efficient in analyzing thin-walled members. This theory is based on the separation of variables in which the displacement field is expressed as a combination of predetermined deformation modes related to the cross-section, and unknown amplitude functions defined on the beam's longitudinal axis. Although the GBT was initially developed for long straight members, through the consideration of complementary deformation modes, which amend the null transverse and shear membrane strain assumptions of the classical GBT, problems involving short members, pipe bends, and geometrical nonlinearity can also be analyzed using GBT. In this dissertation, the GBT formulation for the analysis of these problems is developed and the application and capabilities of the method are illustrated using several numerical examples. Furthermore, the displacement and stress field results of these examples are verified using an equivalent refined shell-based finite element model. The developed static and dynamic GBT formulations for curved thin-walled circular pipes are based on the linear kinematic description of the curved shell theory. In these formulations, the complex problem in pipe bends due to the strong coupling effect of the longitudinal bending, warping and the cross-sectional ovalization is handled precisely through the derivation of the coupling tensors between the considered GBT deformation modes. Similarly, the geometrically nonlinear GBT analysis is formulated for thin-walled circular pipes based on the nonlinear membrane kinematic equations. Here, the initial linear and quadratic stress and displacement tangent stiffness matrices are built using the third and fourth-order GBT deformation mode coupling tensors. Longitudinally, the formulation of the coupled GBT element stiffness and mass matrices are presented using a beam-based finite element formulation. Furthermore, the formulated GBT elements are tested for shear and membrane locking problems and the limitations of the formulations regarding the membrane locking problem are discussed. N2 - Eine detaillierte Strukturanalyse dünnwandiger, kreisförmiger Rohrelemente erfordert oft die Verwendung von Schalenelementen in der Finite Elemente Methode. Diese Methode ermöglicht eine sehr gute Approximation des Verformungszustandes, erfordert jedoch einen hohen Grad der Diskretisierung, welcher wiederum einen hohen Rechenaufwand verursacht. Eine alternative Methode hierzu basiert auf klassischen Balkentheorien, welche eine einfache Modellierung ermöglichen und wesentlich geringeren Rechenaufwand erfordern. Diese weisen jedoch Einschränkungen bei der Approximation von Verformungen auf, da Querschnittsverformungen nicht berücksichtigt werden können. Schwerpunkt dieser Dissertation ist eine Untersuchung der Verallgemeinerten Technischen Biegetheorie (VTB), die sowohl eine genaue als auch eine effiziente Analyse von dünnwandigen Tragwerkselementen ermöglicht. Diese Theorie basiert auf einer Trennung der Variablen, in der das Verschiebungsfeld als eine Kombination von vorbestimmten Verformungsmoden der Querschnitts und unbekannten Amplitudenfunktionen in Längsrichtung ausgedrückt wird. Obwohl die VTB ursprünglich für lange, gerade Elemente entwickelt wurde, können durch die Berücksichtigung komplementärer Verformungsmoden, welche die Null-Annahmen der klassischen VTB für Quer- und Schubmembrandehnung abändern, Probleme mit kurzen Elementen, Rohrbögen und geometrischer Nichtlinearität analysiert werden. In dieser Dissertation wird die VTB-Formulierung für die Analyse dieser Probleme entwickelt. Die Anwendung und Möglichkeiten der Methode werden anhand mehrerer numerischer Beispiele veranschaulicht, deren Verschiebungs- und Spannungsfeldanalysen anhand eines äquivalenten, verfeinerten, schalenbasierten Finite-Elemente-Modells verifiziert werden. Die entwickelten statischen und dynamischen VTB-Formulierungen für Rohrbogenelemente basieren auf der linearen kinematischen Beschreibung der Theorie gekrümmter Schalen. In diesen Formulierungen wird das komplexe Problem in Rohrbögen aufgrund des starken Kopplungseffekts der Längsbiegung, der Verwölbung und der Querschnittsovalisierung durch die Herleitung der Kopplungstensoren zwischen den betrachteten VTB-Verformungsmoden präzise behandelt. In ähnlicher Weise wird die geometrisch nichtlineare VTB-Analyse für gerade Rohrelemente auf der Grundlage der nichtlinearen kinematischen Membrangleichungen formuliert. Die anfänglichen linearen und quadratischen Spannungs- und Verschiebungs-Tangentensteifigkeitsmatrizen werden dabei unter Verwendung der VTB-Kopplungstensoren dritter und vierter Ordnung aufgebaut. In Längsrichtung wird die Formulierung der gekoppelten VTB-Element-Steifigkeits- und Massenmatrizen unter Verwendung einer balkenbasierten Finite-Elemente Formulierung dargestellt. Weiterhin werden die VTB-Elemente auf Schub- und Membran-Locking-Probleme getestet und die Einschränkungen der Formulierungen bezüglich des Membran-Locking-Problems diskutiert. T3 - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2022,2 KW - Finite-Elemente-Methode KW - Dynamische Analyse KW - Generalized Beam Theory (GBT) KW - Finite Element Method KW - Dynamic Analysis KW - Geometrically nonlinear analysis KW - Curved thin-walled circular pipes Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20220127-45723 ER - TY - THES A1 - Zacharias, Christin T1 - Numerical Simulation Models for Thermoelastic Damping Effects N2 - Finite Element Simulations of dynamically excited structures are mainly influenced by the mass, stiffness, and damping properties of the system, as well as external loads. The prediction quality of dynamic simulations of vibration-sensitive components depends significantly on the use of appropriate damping models. Damping phenomena have a decisive influence on the vibration amplitude and the frequencies of the vibrating structure. However, developing realistic damping models is challenging due to the multiple sources that cause energy dissipation, such as material damping, different types of friction, or various interactions with the environment. This thesis focuses on thermoelastic damping, which is the main cause of material damping in homogeneous materials. The effect is caused by temperature changes due to mechanical strains. In vibrating structures, temperature gradients arise in adjacent tension and compression areas. Depending on the vibration frequency, they result in heat flows, leading to increased entropy and the irreversible transformation of mechanical energy into thermal energy. The central objective of this thesis is the development of efficient simulation methods to incorporate thermoelastic damping in finite element analyses based on modal superposition. The thermoelastic loss factor is derived from the structure's mechanical mode shapes and eigenfrequencies. In subsequent analyses that are performed in the time and frequency domain, it is applied as modal damping. Two approaches are developed to determine the thermoelastic loss in thin-walled plate structures, as well as three-dimensional solid structures. The realistic representation of the dissipation effects is verified by comparing the simulation results with experimentally determined data. Therefore, an experimental setup is developed to measure material damping, excluding other sources of energy dissipation. The three-dimensional solid approach is based on the determination of the generated entropy and therefore the generated heat per vibration cycle, which is a measure for thermoelastic loss in relation to the total strain energy. For thin plate structures, the amount of bending energy in a modal deformation is calculated and summarized in the so-called Modal Bending Factor (MBF). The highest amount of thermoelastic loss occurs in the state of pure bending. Therefore, the MBF enables a quantitative classification of the mode shapes concerning the thermoelastic damping potential. The results of the developed simulations are in good agreement with the experimental results and are appropriate to predict thermoelastic loss factors. Both approaches are based on modal superposition with the advantage of a high computational efficiency. Overall, the modeling of thermoelastic damping represents an important component in a comprehensive damping model, which is necessary to perform realistic simulations of vibration processes. N2 - Die Finite-Elemente Simulation von dynamisch angeregten Strukturen wird im Wesentlich durch die Steifigkeits-, Massen- und Dämpfungseigenschaften des Systems sowie durch die äußere Belastung bestimmt. Die Vorhersagequalität von dynamischen Simulationen schwingungsanfälliger Bauteile hängt wesentlich von der Verwendung geeigneter Dämpfungsmodelle ab. Dämpfungsphänomene haben einen wesentlichen Einfluss auf die Schwingungsamplitude, die Frequenz und teilweise sogar die Existenz von Vibrationen. Allerdings ist die Entwicklung von realitätsnahen Dämpfungsmodellen oft schwierig, da eine Vielzahl von physikalischen Effekten zur Energiedissipation während eines Schwingungsvorgangs führt. Beispiele hierfür sind die Materialdämpfung, verschiedene Formen der Reibung sowie vielfältige Wechselwirkungen mit dem umgebenden Medium. Diese Dissertation befasst sich mit thermoelastischer Dämpfung, die in homogenen Materialien die dominante Ursache der Materialdämpfung darstellt. Der thermoelastische Effekt wird ausgelöst durch eine Temperaturänderung aufgrund mechanischer Spannungen. In der schwingenden Struktur entstehen während der Deformation Temperaturgradienten zwischen benachbarten Regionen unter Zug- und Druckbelastung. In Abhängigkeit von der Vibrationsfrequenz führen diese zu Wärmeströmen und irreversibler Umwandlung mechanischer in thermische Energie. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Entwicklung recheneffizienter Simulationsmethoden, um thermoelastische Dämpfung in zeitabhängigen Finite-Elemente Analysen, die auf modaler Superposition beruhen, zu integrieren. Der thermoelastische Verlustfaktor wird auf der Grundlage der mechanischen Eigenformen und -frequenzen bestimmt. In nachfolgenden Analysen im Zeit- und Frequenzbereich wird er als modaler Dämpfungsgrad verwendet. Zwei Ansätze werden entwickelt, um den thermoelastischen Verlustfaktor in dünn-wandigen Plattenstrukturen, sowie in dreidimensionalen Volumenbauteilen zu simulieren. Die realitätsnahe Vorhersage der Energiedissipation wird durch die Verifizierung an experimentellen Daten bestätigt. Dafür wird ein Versuchsaufbau entwickelt, der eine Messung von Materialdämpfung unter Ausschluss anderer Dissipationsquellen ermöglicht. Für den Fall der Volumenbauteile wird ein Ansatz verwendet, der auf der Berechnung der Entropieänderung und damit der erzeugte Wärmeenergie während eines Schwingungszyklus beruht. Im Verhältnis zur Formänderungsenergie ist dies ein Maß für die thermoelastische Dämpfung. Für dünne Plattenstrukturen wird der Anteil an Biegeenergie in der Eigenform bestimmt und im sogenannten modalen Biegefaktor (MBF) zusammengefasst. Der maximale Grad an thermoelastischer Dämpfung kann im Zustand reiner Biegung auftreten, sodass der MBF eine quantitative Klassifikation der Eigenformen hinsichtlich ihres thermoelastischen Dämpfungspotentials zulässt. Die Ergebnisse der entwickelten Simulationsmethoden stimmen sehr gut mit den experimentellen Daten überein und sind geeignet, um thermoelastische Dämpfungsgrade vorherzusagen. Beide Ansätze basieren auf modaler Superposition und ermöglichen damit zeitabhängige Simulationen mit einer hohen Recheneffizienz. Insgesamt stellt die Modellierung der thermoelastischen Dämpfung einen Baustein in einem umfassenden Dämpfungsmodell dar, welches zur realitätsnahen Simulation von Schwingungsvorgängen notwendig ist. T3 - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2022,8 KW - Werkstoffdämpfung KW - Finite-Elemente-Methode KW - Strukturdynamik KW - Thermoelastic damping KW - modal damping KW - decay experiments KW - energy dissipation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20221116-47352 ER -