TY - THES A1 - Oucif, Chahmi T1 - Analytical Modeling of Self-Healing and Super Healing in Cementitious Materials N2 - Self-healing materials have recently become more popular due to their capability to autonomously and autogenously repair the damage in cementitious materials. The concept of self-healing gives the damaged material the ability to recover its stiffness. This gives a difference in comparing with a material that is not subjected to healing. Once this material is damaged, it cannot sustain loading due to the stiffness degradation. Numerical modeling of self-healing materials is still in its infancy. Multiple experimental researches were conducted in literature to describe the behavior of self-healing of cementitious materials. However, few numerical investigations were undertaken. The thesis presents an analytical framework of self-healing and super healing materials based on continuum damage-healing mechanics. Through this framework, we aim to describe the recovery and strengthening of material stiffness and strength. A simple damage healing law is proposed and applied on concrete material. The proposed damage-healing law is based on a new time-dependent healing variable. The damage-healing model is applied on isotropic concrete material at the macroscale under tensile load. Both autonomous and autogenous self-healing mechanisms are simulated under different loading conditions. These two mechanisms are denoted in the present work by coupled and uncoupled self-healing mechanisms, respectively. We assume in the coupled self-healing that the healing occurs at the same time with damage evolution, while we assume in the uncoupled self-healing that the healing occurs when the material is deformed and subjected to a rest period (damage is constant). In order to describe both coupled and uncoupled healing mechanisms, a one-dimensional element is subjected to different types of loading history. In the same context, derivation of nonlinear self-healing theory is given, and comparison of linear and nonlinear damage-healing models is carried out using both coupled and uncoupled self-healing mechanisms. The nonlinear healing theory includes generalized nonlinear and quadratic healing models. The healing efficiency is studied by varying the values of the healing rest period and the parameter describing the material characteristics. In addition, theoretical formulation of different self-healing variables is presented for both isotropic and anisotropic maerials. The healing variables are defined based on the recovery in elastic modulus, shear modulus, Poisson's ratio, and bulk modulus. The evolution of the healing variable calculated based on cross-section as function of the healing variable calculated based on elastic stiffness is presented in both hypotheses of elastic strain equivalence and elastic energy equivalence. The components of the fourth-rank healing tensor are also obtained in the case of isotropic elasticity, plane stress and plane strain. Recent research revealed that self-healing presents a crucial solution also for the strengthening of the materials. This new concept has been termed ``Super Healing``. Once the stiffness of the material is recovered, further healing can result as a strengthening material. In the present thesis, new theory of super healing materials is defined in isotropic and anisotropic cases using sound mathematical and mechanical principles which are applied in linear and nonlinear super healing theories. Additionally, the link of the proposed theory with the theory of undamageable materials is outlined. In order to describe the super healing efficiency in linear and nonlinear theories, the ratio of effective stress to nominal stress is calculated as function of the super healing variable. In addition, the hypotheses of elastic strain and elastic energy equivalence are applied. In the same context, new super healing matrix in plane strain is proposed based on continuum damage-healing mechanics. In the present work, we also focus on numerical modeling of impact behavior of reinforced concrete slabs using the commercial finite element package Abaqus/Explicit. Plain and reinforced concrete slabs of unconfined compressive strength 41 MPa are simulated under impact of ogive-nosed hard projectile. The constitutive material modeling of the concrete and steel reinforcement bars is performed using the Johnson-Holmquist-2 damage and the Johnson-Cook plasticity material models, respectively. Damage diameters and residual velocities obtained by the numerical model are compared with the experimental results and effect of steel reinforcement and projectile diameter is studied. KW - Schaden KW - Beschädigung KW - Selbstheilung KW - Zementbeton KW - Damage KW - Healing KW - Concrete KW - Autonomous KW - Autogenous KW - Super Healing Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200831-42296 ER - TY - THES A1 - Sowoidnich, Thomas T1 - A Study of Retarding Effects on Cement and Tricalcium Silicate Hydration induced by Superplasticizers N2 - Fließmittel werden in Betonen verwendet, um deren Fließeigenschaften während der Verarbeitung zu verbessern und Wasser einzusparen. Beide Faktoren beeinflussen nicht nur den Frischbeton, sondern auch signifikant die Festbetoneigenschaften. Nachteilig wirken sich Fließmittel auf die Festigkeitsentwicklung aus, die z.T. sehr stark verzögert wird. Dies ist vor allem bei Bauteilen, die im Rahmen eines Vorfertigungsprozesses hergestellt werden, ein ökonomischer Nachteil. Die vorliegende Arbeit widmet sich den Ursachen für die Verzögerung der Portlandzementhydratation bei Verwendung von Fließmitteln. Um die komplexen Reaktionen, die während der Portlandzementhydratation auftreten, zu vereinfachen, betrachtet ein überwiegender Teil der Arbeit die Wechselwirkung Fließmittel-Tricalciumsilikat (Abk. Ca3SiO5 oder C3S, Hauptbestandteil von Portlandzementklinker). Die Untersuchungen werden in drei Hauptteilen durchgeführt, wobei Methoden wie u.a. isotherme Wärmeflusskalorimetrie, Elektrische Leitfähigkeit, Elektronenmikroskopie, ICP-OES, TOC als auch Analytische Ultrazentrifugation Anwendung finden. Basierend auf der Wechselwirkung von Kationen mit anionischen Ladungsträgern von Polymeren wird die Interaktion von Calcium mit Fließmitteln im ersten Teil der Arbeit untersucht. Dabei kommt es überwiegend zur Komplexierung von Calciumionen durch die funktionellen Gruppen der Plymere (Carboxyl- bzw. Sulfonguppen), die in zementären Umgebungen sowohl gelöst in der wässrigen Phase als auch als Bestandteil von Partikelgrenzflächen vorhanden sind. Neben diesen Effekten kann auch gezeigt werden, dass Fließmittel die Bildung von nanoskaligen Partikeln hervorrufen, die infolge der sterischen Wirkung von Fließmitteln dispergiert in der wässrigen Phase vorliegen (Clusterbildung). Analog zu neuesten Erkenntnissen aus dem Bereich der Biomineralisation ist daher davon auszugehen, dass diese Nanopartikel durch Agglomeration das Kristallwachtsum beeinflussen. Ausgehend von der Annahme, dass die Auflösungs- und/ oder Fällungskinetik durch die Wirkung von Fließmitteln behindert und damit für den Verzögerungseffekt der Fließmittel während der komplexen Hydratationsreaktion verantwortlich seien können, werden die zugrundeliegenden Vorgänge im zweiten Abschnitt getrennt voneinander untersucht. Es wird anhand von Lösungsuntersuchungen an C-S-H Phasen und Portlandit herausgestellt, dass die Komplexierung von gelösten Calciumionen durch funktionelle Gruppen der Polymere die Löslichkeit von Portlandit erhöht. Im Gegensatz führt die Komplexierung von Calciumionen in der wässrigen Phase zu einer Verringerung der Calciumionenkonzentration in der wässrigen Phase. Diese Effekte werden auf die unterschiedlich starke Adsorptionsneigung der Polymere an C-S-H-Phasen und Portlandit zurückgeführt. Es wird davon ausgegangen, dass die Adsorption aufgrund der größeren spezifischen Oberfläche stärker an den C-S-H-Phasen als am Portlandit auftritt. Demnach stellt sich dar, dass die Polymere erst nachdem die funktionellen Gruppen Calciumionen aus der wässrigen Phase komplexiert haben an den C-S-H-Phasen adsorbieren. Weiterhin kann gezeigt werden, dass die freie C3S Auflösungsrate in Anwesenheit von Fließmitteln keinen direkten Zusammenhang zur Verzögerung erkennen lässt. Teilweise kommt es zu einer in Bezug zur Kontrollprobe ohne Fließmittel erhöhten sowie auch verringerten Auflösungsrate. Wird das Komplexierungsvemögen der Fließmittel berücksichtigt, so kann durchaus eine verlangsamte freie Auflösungsrate ermittelt werden. Doch auch Calcit zeigt einen verzögernden Einfluss auf die freie C3S Auflösung, obwohl es den Gesamtprozess der Hydratation signifikant beschleunigt. Somit kann die behinderte Auflösung als mögliche Ursache für die verzögernde Wirkung während der Zementhydratation weder bestätigt noch widerlegt werden. Dieser Punkt sollte in zukünftigen Arbeiten weiter untersucht werden. Im letzten Schritt dieses Untersuchungsabschnitts wird die reine Kristallisation von C-S-H-Phasen und Portlandit untersucht. Es stellt sich heraus, dass Fließmittel insbesondere durch die Wirkung der Komplexierung von Ionen in der wässrigen Phase sowohl die Induktionszeit verlängern als auch die Kristallwachstumsrate verändern. Dies allein kann aber nicht die komplette Verzögerungswirkung erklären. Ein wichtiger Verzögerungsfaktor ist die Adsorption der Polymere an Kristalloberflächen als auch eine fließmittelbedingte Dispergierung von nanoskaligen Einzelpartikeln, die deren Agglomeration zu Kristallen behindert. Im letzten Hauptuntersuchungsabschnitt werden die gewonnenen Erkenntnisse auf die während der Zement- und Tricalciumsilikathydratation parallel ablaufenden Reaktionen analysiert. Dabei wird insbesondere die ionische Zusammensetzung der wässrigen Phase von C3S Pasten und Suspensionen untersucht, um Hinweise für eine kinetische Hemmung der Hydratationsreaktion zu identifizieren. Zusammenfassend wird festgestellt, dass die Ursachen der verzögernden Wirkung von Fließmitteln auf die Hydratation von C3S auf die starke Verzögerung der Kristallisation von Hydratphasen zurückzuführen ist. Dabei kommt den zwei Faktoren Komplexierung von Calciumionen an Oberflächen und Stabilisierung von nanoskaligen Partikeln eine zentrale Bedeutung zu. Diese Effekte können durch die Wirkung als Templat als auch durch Erhöhung der Löslichkeit infolge Komplexierung freier/gelöster Ionen teilkompensiert werden. Dass die Auflösungsreaktion durch die Anwesenheit von Fließmitteln behindert wird, kann nur indirekt anhand der Entwicklung von Ionenkonzentrationen festgestellt werden. Ob dieser Vorgang die Ursache oder die Folge des Lösungs-Fällungs-Mechanismus der Hydratation ist und damit die verzögernde Wirkung durch behinderte Auflösung des Edukts hervorgerufen wird, bleibt Gegenstand weiterer Untersuchungen. Im Rahmen der Arbeit kann auch gezeigt werden, dass Fließmittel chemisch als Inhibitoren wirken indem sie den Frequenzfaktor verringern. Darüber hinaus wird erstmalig eine Methode entwickelt, die die Bestimmung der Ionenkonzentration in Pasten in-situ erlaubt. Mit deren Hilfe wird dargestellt, dass die Entwicklung der Ionenkonzentration als auch die allgemein verwendete Wärmefreisetzungsrate (Kalorimetrie) miteinander korrespondiert. Darüber hinaus erlaubt die entwickelte Methode die weitere Differenzierung der Accelerationsperiode in drei Stadien. Die Kristallisation von C-S-H-Phasen und Portlandit ist für den Beginn der Haupthydratationsperiode entscheidend. N2 - Superplasticizers are utilized both to improve the fluidity during the placement and to reduce the water content of concretes. Both effects have also an impact on the properties of the hardened concrete. As a side effect the presence of superplasticizers affects the strength development of concretes that is strongly retarded. This may lead to an ecomomical drawback of the concrete manufacturing. The present work is aimed at gaining insights on the causes of the retarding effect of superplasticizers on the hydration of Portland cement. In order to simplify the complex interactions occurring during the hydration of Portland cement the majority of the work focuses on the interaction of superplasticizer and tricalcium silicate (Ca3SiO5 or C3S, the main compound of Portland cement clinker). The tests are performed in three main parts accompanied by methods as for example isothermal conduction calorimetry, electrical conductivity, Electron Microscopy, ICP-OES, TOC, as well as Analytical Ultracentrifugation. In the first main part and based on the interaction of cations and anionic charges of polymers, the interactions between calcium ions and superplasticizers are investigated. As a main effect calcium ions are complexed by the functional groups of the polymers (carboxy, sulfonic). Calcium ions may be both dissolved in the aqueous phase and a constitute of particle interfaces. Besides these effects it is furthermore shown that superplasticizers induce the formation of nanoscaled particles which are dispersed in the aqueous phase (cluster formation). Analogous to recent findings in the field of biomineralization, it is reasonable to assume that these nanoparticles influence the crystal growth by their assembly process. Based on the assumption that superplasticizers hinder either or both dissolution and precipitation and by that retard the cement hydration, the impact on separate reactions is investigated. On experiments that address the solubility of C-S-H phases and portlandite, it is shown that complexation of calcium ions in the aqueous phase by functional groups of polymers increases the solubility of portlandite. Contrary, in case of C-S-H solubility the complexation of calcium ions in solution leads to decrease of the calcium ion concentration in the aqueous phase. These effects are explained by differences in adsorption of polymers on C-S-H phases and portlandite. It is proposed that adsorption is stronger on C-S-H phases compared to portlandite due to the increased specific surface area of C-S-H phases. Following that, it is claimed that before polymers are able to adsorb on C-S-H phases the functional groups must be screened by calcium ions in the aqueous phase. It is further shown that data regarding the impact of superplasticizers on the unconstrained dissolution rate of C3S does not provide a clear relation to the overall retarding effect occurring during the hydration of C3S. Both increased and decreased dissolution rate with respect to the reference sample are detected. If the complexation capability of the superplasticizers is considered then also a reduced dissolution rate of C3S is determined. Despite the fact that the global hydration process is accelerated, the addition of calcite leads to a slower dissolution rate. Thus, a hindered unconstrained dissolution of C3S as possibly cause for the retarding effect still remains open for discussion. In the last section of this part, the pure crystallization of hydrate phases (C-S-H phases, portlandite) is fathomed. Results clearly show that superplasticizers prolong the induction time and modify the rate of crystal growth during pure crystallization in particular due to the complexation of ions in solution. But this effect is insufficient to account for the overall retarding effect. Further important factors are the blocking of crystal growth faces by adsorbed polymers and the dispersion of nanoscaled particles which hinders their agglomeration in order to build up crystals. In the last main part of the work, the previously gathered results are utilized in order to investigate hydration kinetics. During hydration, dissolution and precipitation occur in parallel. Thereby, special attention is laid on the ion composition of the aqueous phase of C3S pastes and suspensions in order to determine the rate limiting step. All in all it is concluded that the retarding effect of superplasticizers on the hydration of tricalcium silicate is based on the retardation of crystallization of hydrate phases (C-S-H phases and portlandite). Thereby, the two effects complexation of calcium ions on surfaces and stabilization of nanoscaled particles are of major importance. These mechanisms may partly be compensated by template performance and increase in solubility by complexation of ions in solution. The decreased dissolution rate of C3S by the presence of superplasticizers during the in parallel occuring hydration process can only be assessed indirectly by means of the development of the ion concentrations in the aqueous phase (reaction path). Whether this observation is the cause or the consequence within the dissolution-precipitation process and therefore accounts for the retarding effect remains a topic for further investigations. Besides these results it is shown that superplasticizers can be associated chemically with inhibitors because they reduce the frequency factor to end the induction period. Because the activation energy is widely unaffected it is shown that the basic reaction mechanism sustain. Furthermore, a method was developed which permits for the first time the determination of ion concentrations in the aqueous phase of C3S pastes in-situ. It is shown that during the C3S hydration the ion concentration in the aqueous phase is developed correspondingly to the heat release rate (calorimetry). The method permits the differentiation of the acceleration period in three stages. It is emphasized that crystallization of the product phases of C3S hydration, namely C-S-H phases and portlandite, are responsible for the end of the induction period. KW - Cement KW - Tricalcium silicate KW - Superplasticizer KW - Complexation KW - Retardation Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20160224-25444 SN - 978-3-00-052204-8 ER - TY - THES A1 - Fauth, Judith T1 - A process-oriented decision model for determining the permitability of construction projects N2 - In recent years, the discussion of digitalization has arrived in the media, at conferences, and in committees of the construction and real estate industry. While some areas are producing innovations and some contributors can be described as pioneers, other topics still show deficits with regard to digital transformation. The building permit process can also be counted in this category. Regardless of how architects and engineers in planning offices rely on innovative methods, building documents have so far remained in paper form in too many cases, or are printed out after electronic submission to the authority. Existing resources – for example in the form of a building information model, which could provide support in the building permit process – are not being taken advantage of. In order to use digital tools to support decision-making by the building permit authorities, it is necessary to understand the current situation and to question conditions before pursuing the overall automation of internal authority processes as the sole solution. With a substantive-organizational consideration of the relevant areas that influence building permit determination, an improvement of the building permit procedure within authorities is proposed. Complex areas – such as legal situations, the use of technology, as well as the subjective alternative action – are determined and structured. With the development of a model for the determination of building permitability, both an understanding of influencing factors is conveyed and an increase in transparency for all parties involved is created. In addition to an international literature review, an empirical study served as the research method. The empirical study was conducted in the form of qualitative expert interviews in order to determine the current state in the field of building permit procedures. The collected data material was processed and subsequently subjected to a software-supported content analysis. The results were processed, in combination with findings from the literature review, in various analyses to form the basis for a proposed model. The result of the study is a decision model that closes the gap between the current processes within the building authorities and an overall automation of the building permit review process. The model offers support to examiners and applicants in determining building permit eligibility, through its process-oriented structuring of decision-relevant facts. The theoretical model could be transferred into practice in the form of a web application. KW - Baugenehmigung KW - Entscheidungsmodell KW - Bauantrag KW - Prozessmanagement KW - Projektmanagement KW - Building permit KW - Building application KW - Decision-making KW - Process management KW - Project management Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20220309-46020 UR - https://e-pub.uni-weimar.de/opus4/frontdoor/index/index/docId/4509 N1 - This work is a translation of the original dissertation (German language) which is accessible at: https://doi.org/10.25643/bauhaus-universitaet.4509 and deposited here as URL link. ER - TY - THES A1 - Mizrak Bilen, Burcin T1 - A Power-Centered Approach to the Capitalization of Climate Change in Property Sector and Strategic Limitation N2 - The capitalization of ‘certified’ sustainable building sector will be investigated over the power theory of value approach of Jonathan Nitzan and Shimshon Bichler. The study will be initiated by questioning why the environment problems are one of the first items on the agenda and by sharing the ideas of scholars who approaches the subject skeptically, because the predominant literature underlying the necessity and prominence of the topic is already well-known and adapted by the majority. Over the theory developed by Nitzan and Bichler, the concepts of capitalization, strategic sabotage, power, legitimacy, and obedience will be discussed. The hypothesis of “the absentee owners of the construction sector, holding the whip hand and capitalizing the ecology, control the growth and the creativity of green building production and make it carbon-dependent, in order to increase their profit margin” will be questioned. To strengthen the arguments in the hypothesis, the factors, the institutional arrangements, value measurement methods, which affect directly the net present value, will be investigated both in corporation and in building scale in detail, because net present value/ capitalization is asserted as the most important criteria by Nitzan and Bichler to make the investment decisions in the capitalist economic system. To trace the implications of power and the strategic sabotage that power caused, as the empirical dimension of this dissertation, an interface exploring the correlational ties between the climate responsive architecture and the ever changing political, economical, and social contexts and building economics praxis by decades will be developed and the expert interviews will be conducted with the design teams and the appraisers. N2 - Die Kapitalisierung des "zertifizierten" nachhaltigen Gebäudesektors wird im Rahmen des Ansatzes der Machttheorie des Wertes von Jonathan Nitzan und Shimshon Bichler untersucht. Die Studie wird mit der Frage beginnen, warum die Umweltprobleme zu den ersten Punkten auf der Tagesordnung gehören und mit der Teilung von Ideen von Gelehrten, die sich dem Thema skeptisch nähern. Denn die vorherrschende Literatur, die der Notwendigkeit und Bedeutung des Themas zugrunde liegt, ist bereits von der Mehrheit bekannt und angewandt. Über die von Nitzan und Bichler entwickelte Theorie werden die Begriffe Kapitalisierung, strategische Sabotage, Macht, Legitimität und Gehorsam diskutiert. Die Hypothese "Die abwesenden Eigentümer des Bausektors, die die Peitsche halten und die Ökologie kapitalisieren, kontrollieren das Wachstum und die Kreativität der grünen Gebäudeproduktion und machen sie CO2-abhängig, um ihre Gewinnspanne zu erhöhen" wird in Frage gestellt. Um die Argumente in der Hypothese zu stärken, werden die Faktoren, institutionellen Arrangements und Wertmessmethoden, die sich direkt auf den Kapitalwert auswirken, sowohl im Unternehmens- als auch im Gebäudebereich detailliert untersucht. Denn der Barwert/die Kapitalisierung wird von Nitzan und Bichler als wichtigstes Kriterium für die Investitionsentscheidungen im kapitalistischen Wirtschaftssystem herangezogen. Nach der Vorbereitung einer Schnittstelle, die die historische Entwicklung der nachhaltigen Architektur in Verbindung mit dem sich ständig verändernden politisch-ökonomischen System und mit den sich ständig ändernden Prioritäten der Bauökonomie, Architektur-, Umwelt- und Sozialwissenschaften darstellt, wurden die halbstrukturierten Tiefeninterviews mit Experten - Architekten, Immobiliengutachtern, einem Mitarbeiter einer Investmentbank und einem CEO, aus aller Welt, durchgeführt um die wahrscheinlichen restriktiven und begrenzenden Auswirkungen der institutionellen Macht, ihres Netzes von Machtverhältnissen, ihrer Kontrollmechanismen, die im Streben nach unterschiedlichem Gewinnwachstum eingesetzt werden, und ihrer Gründe hinter dieser institutionellen Kontrolle auf dem zertifizierten Markt für umweltfreundliches Bauen und den damit verbundenen Materialien und Energiemärkte zu erforschen. Die Interviews sind in vier Titel unterteilt: die Vorteile (warum), die Kontrollmechanismen (wie), die Machtverhältnisse (wer) und die strategische Sabotage (was). Dies dient dazu, um einen Beitrag zur Lesbarkeit von Macht im zertifizierten für umweltfreundliches Bauen zu leisten. KW - Klimaänderung KW - Machttheorie KW - Kapitalisierung KW - capitalization KW - power theory of value KW - climate change KW - property sector KW - strategic limitation Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20190107-38406 ER - TY - THES A1 - Hollberg, Alexander T1 - A parametric method for building design optimization based on Life Cycle Assessment - Appendix T2 - A parametric method for building design optimization based on Life Cycle Assessment N2 - 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. KW - Ökobilanz Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20161101-26884 ER - TY - THES A1 - Vogler, Verena T1 - A framework for artificial coral reef design: Integrating computational modelling and high precision monitoring strategies for artificial coral reefs – an Ecosystem-aware design approach in times of climate change N2 - Tropical coral reefs, one of the world’s oldest ecosystems which support some of the highest levels of biodiversity on the planet, are currently facing an unprecedented ecological crisis during this massive human-activity-induced period of extinction. Hence, tropical reefs symbolically stand for the destructive effects of human activities on nature [4], [5]. Artificial reefs are excellent examples of how architectural design can be combined with ecosystem regeneration [6], [7], [8]. However, to work at the interface between the artificial and the complex and temporal nature of natural systems presents a challenge, i.a. in respect to the B-rep modelling legacy of computational modelling. The presented doctorate investigates strategies on how to apply digital practice to realise what is an essential bulwark to retain reefs in impossibly challenging times. Beyond the main question of integrating computational modelling and high precision monitoring strategies in artificial coral reef design, this doctorate explores techniques, methods, and linking frameworks to support future research and practice in ecology led design contexts. Considering the many existing approaches for artificial coral reefs design, one finds they often fall short in precisely understanding the relationships between architectural and ecological aspects (e.g. how a surface design and material composition can foster coral larvae settlement, or structural three-dimensionality enhance biodiversity) and lack an integrated underwater (UW) monitoring process. Such a process is necessary in order to gather knowledge about the ecosystem and make it available for design, and to learn whether artificial structures contribute to reef regeneration or rather harm the coral reef ecosystem. For the research, empirical experimental methods were applied: Algorithmic coral reef design, high precision UW monitoring, computational modelling and simulation, and validated through parallel real-world physical experimentation – two Artificial Reef Prototypes (ARPs) in Gili Trawangan, Indonesia (2012–today). Multiple discrete methods and sub techniques were developed in seventeen computational experiments and applied in a way in which many are cross valid and integrated in an overall framework that is offered as a significant contribution to the field. Other main contributions include the Ecosystem-aware design approach, Key Performance Indicators (KPIs) for coral reef design, algorithmic design and fabrication of Biorock cathodes, new high precision UW monitoring strategies, long-term real-world constructed experiments, new digital analysis methods and two new front-end web-based tools for reef design and monitoring reefs. The methodological framework is a finding of the research that has many technical components that were tested and combined in this way for the very first time. In summary, the thesis responds to the urgency and relevance in preserving marine species in tropical reefs during this massive extinction period by offering a differentiated approach towards artificial coral reefs – demonstrating the feasibility of digitally designing such ‘living architecture’ according to multiple context and performance parameters. It also provides an in-depth critical discussion of computational design and architecture in the context of ecosystem regeneration and Planetary Thinking. In that respect, the thesis functions as both theoretical and practical background for computational design, ecology and marine conservation – not only to foster the design of artificial coral reefs technically but also to provide essential criteria and techniques for conceiving them. Keywords: Artificial coral reefs, computational modelling, high precision underwater monitoring, ecology in design. N2 - Charakteristisch für das Zeitalter des Klimawandels sind die durch den Menschen verursachte Meeresverschmutzung sowie ein massiver Rückgang der Artenvielfalt in den Weltmeeren. Tropische Korallenriffe sind als eines der ältesten und artenreichsten Ökosysteme der Erde besonders stark gefährdet und stehen somit symbolisch für die zerstörerischen Auswirkungen menschlicher Aktivitäten auf die Natur [4], [5]. Um dem massiven Rückgang der Korallenriffe entgegenzuwirken, wurden von Menschen künstliche Riffsysteme entwickelt [6], [7]. Sie sind Beispiele dafür, wie Architektur und die Regenerierung von Ökosystemen miteinander verbunden werden können [8]. Eine Verknüpfung von einerseits künstlichen und andererseits komplexen, sich verändernden natürlichen Systemen, stellt jedoch eine Herausforderung dar, u.a. in Bezug auf die Computermodellierung (B-Rep Modellierung). Zum Erhalt der Korallenriffe werden in der vorliegende Doktorarbeit Strategien aus der digitalen Praxis neuartig auf das Entwerfen von künstlichen Korallenriffen angewendet. Die Hauptfrage befasst sich damit, wie der Entwurfsprozess von künstlichen Korallenriffen unter Einbeziehung von Computermodellierung und hochpräzisen Überwachungsstrategien optimiert werden kann. In diesem Zusammenhang werden Techniken, Methoden sowie ein übergeordnetes Framework erforscht, welche zukünftige Forschung und Praxis in Bezug auf Ökologie-geleitete Entwurfsprozesse fördern soll. In Anbetracht der vielen vorhandenen künstlichen Riffsysteme, kann man feststellen, dass die Zusammenhänge zwischen Architektur- und Ökosystem-Anforderungen nicht genau untersucht und dadurch bei der Umsetzung nicht entsprechend berücksichtigt werden. Zum Beispiel wie Oberflächenbeschaffenheit und Materialität eine Ansiedlung von Korallenlarven begünstigt oder wie eine räumlich vielseitige Struktur die Artenvielfalt verbessern kann. Zudem fehlt ein integrierter Unterwasser-Überwachungsprozess, welcher Informationen über das Ökosystem liefert und diese dem Entwurf bereitstellt. Zusätzlich ist eine Unterwasser-Überwachung notwendig, um herauszufinden, ob die künstlichen Riffstrukturen zur Regenerierung beitragen oder dem Ökosystem gänzlich schaden. In dieser Forschungsarbeit werden empirische und experimentelle Methoden angewendet: Algorithmisches Entwerfen für Korallenriffe, hochpräzise Unterwasser-Überwachung, Computermodellierung und -simulation. Die Forschung wird seit 2012 bis heute durch zwei Riffprototypen (Artificial Reef Prototypes – ARPs) in Gili Trawangan, Indonesien validiert. Zusätzlich wurden weitere separate Methoden und Techniken in insgesamt siebzehn computergestützten Experimenten entwickelt und so angewendet, dass viele kreuzvalidiert und in ein Framework integriert sind, welches dann als bedeutender Beitrag dem Forschungsgebiet zur Verfügung steht. Weitere Hauptbeiträge sind der Ökosystem-bewusste Entwurfsansatz (Ecosystem-aware design approach), Key Performance Indicators (KPIs) für das Gestalten von Korallenriffen, algorithmisches Entwerfen und die Herstellung von Biorock-Kathoden, neue hochpräzise Unterwasser-Überwachungsstrategien, reale Langzeitexperimente, neue digitale Analysemethoden, sowie zwei webbasierte Softwareanwendungen für die Gestaltung und die Überwachung von künstlichen Korallenriffen. Das methodische Framework ist das Hauptergebnis der Forschung, da die vielen technischen Komponenten in dieser Weise zum ersten Mal getestet und kombiniert wurden. Zusammenfassend reagiert die vorliegende Doktorarbeit sowohl auf die Dringlichkeit als auch auf die Relevanz der Erhaltung von Artenvielfalt in tropischen Korallenriffen in Zeiten eines massiven Aussterbens, indem sie einen differenzierten Entwurfsansatz für künstliche Korallenriffe offeriert. Die Arbeit zeigt auf, dass ein digitales Entwerfen einer solchen „lebendigen Architektur“ unter Berücksichtigung vielfältiger Anforderungen und Leistungsparametern machbar ist. Zusätzlich bietet sie eine ausführliche kritische Diskussion über die Rolle von computergestützten Entwerfen und Architektur im Zusammenhang mit Regenerierung von Ökosystemen und “Planetary Thinking”. In dieser Hinsicht fungiert die Doktorarbeit als theoretischer und praktischer Hintergrund für computergestütztes Entwerfen, Ökologie und Meeresschutz. Eine Verbesserung des Entwerfens von künstlichen Korallenriffen wird nicht nur auf technischer Ebene aufgezeigt, sondern es werden auch die wesentlichen Kriterien und Techniken für deren Umsetzung benannt. Schlüsselwörter: Künstliche Korallenriffe, Computermodellierung, hochpräzise Unterwasser-Überwachung, Ökologie im Architekturentwurf. KW - Korallenriff KW - Algorithmus KW - Architektur KW - Meeresökologie KW - Software KW - Artificial coral reefs KW - Computational modelling KW - High precision underwater monitoring KW - Ecology in design KW - Künstliche Korallenriffe KW - Unterwasserarchitektur Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20220322-46115 UR - https://artificialreefdesign.com/ SN - 978-3-00-074495-2 N1 - Die URL führt zu 3D Modelle von echten Korallenriffen. ER -