TY  - THES
A1  - Dimmig, Andrea
T1  - Einflüsse von Polymeren auf die Mikrostruktur und die Dauerhaftigkeit kunststoffmodifizierter Mörtel (PCC)
T1  - The effects of polymers on microstructure and durability of polymer-modified mortars (PCC)
N2  - Die Einflüsse polymerer Zusätze auf die Ausbildung der Mikrostruktur im frühen Stadium der Erhärtung und auf die Eigenschaften, insbesondere die Dauerhaftigkeit der modifizierten Mörtel wurden erforscht. Es sollte die Frage beantwortet werden, ob durch die Modifizierung die Dauerhaftigkeit von Mörteln mehr verbessert werden kann, als dies durch übliche betontechnologische Maßnahmen möglich ist. Die Ausbildung der Mikrostruktur in den ersten 24 Stunden der Erhärtung wurde mit verschiedenen Methoden, u.a. mittels ESEM, untersucht. Es wurden Modellvorstellungen zur Ausbildung der organischen Matrix und der anorganischen Matrix entwickelt: Interaktionen sind Adsorptionsreaktionen, Agglomerationen und Behinderung der Hydratation. Es wurden Frisch- und Festmörteluntersuchungen beschrieben und interpretiert. Unterschiedliche Dauerhaftigkeitsuntersuchungen wurden durchgeführt und bewertet. Die Mikrostruktur der Festmörtel wurde hinsichtlich ihres Einflusses auf die Dauerhaftigkeit betrachtet.
N2  - The effects of polymeric additives on the formation of the microstructure at an early stage of hardening and on the properties, especially the durabiliy of modified mortars, were investigated. The question was whether the durability of mortars may be increased to a larger extent by the modification or by the usual measures taken in concrete technology. The formation of the microstructure within the first 24 hours of hardening was investigated by various methods, e.g. by ESEM (environmental scanning electron microscope). Models of the formation of the organic and anorganic matrix were developed: interactions are adsorbtion reactions, agglomerations, and impediments to hydration. Tests on fresh and hardened mortar are described and interpreted. Several durability tests were conducted and evaluated. The microstructure of the hardened mortars was studied with regard to its influence on the durability.
KW  - Kunststoffmörtel
KW  - Gefüge <Werkstoffkunde>
KW  - Erhärtungsprüfung
KW  - Langzeitverhalten
KW  - Kunstharzmodifizierter Zementbeton
KW  - Mikrostruktur
KW  - Mikroskopie
KW  - Porenlösung
KW  - Frischmörtel
KW  - Festmörtel
KW  - microstructure
KW  - microscopy
KW  - pore solution
KW  - fresh mortar
KW  - hardened mortar
Y1  - 2002
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20040311-653
ER  - 
TY  - THES
A1  - Keitel, Holger
T1  - Bewertungsmethoden für die Prognosequalität von Kriechmodellen des Betons
T1  - Evaluation Methods for Prediction Quality of Concrete Creep Models
N2  - Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Methoden, mit denen die Prognosequalität von Kriechmodellen des Betons bestimmt werden kann. Die Methoden werden in zwei Ausgangsszenarien unterschieden: die Bewertung ohne und die Bewertung mit Verwendung von spezifischen Versuchsdaten zum Kriechverhalten des Betons. Die Modellqualität wird anhand der Gesamtunsicherheit der prognostizierten Kriechnachgiebigkeit quantifiziert. Die Unsicherheit wird für die Kriechprognose ohne Versuchsdaten über eine Unsicherheitsanalyse unter Berücksichtigung korrelierter Eingangsparameter ermittelt. Bei der Verwendung experimenteller Daten werden die stochastischen Eigenschaften der Modellparameter mittels Bayesian Updating bestimmt. Die Bewertung erfolgt erneut basierend auf einer Unsicherheitsanalyse sowie alternativ mittels Modellselektion nach Bayes.
Weiterhin wird eine auf Graphentheorie und Sensitivitätsanalysen basierende Methode zur Bewertung von gekoppelten Partialmodellen entwickelt. Damit wird der Einfluss eines Partialmodells auf das Verhalten einer globalen Tragstruktur quantifiziert, Interaktionen von Partialmodellen festgestellt und ein Maß für die Qualität eines Gesamtmodells ermittelt.
N2  - The goal of this doctoral thesis is the development of methods for the evaluation of the prediction quality of concrete creep models. The methods are distinguished into two scenarios: the evaluation with and without experimental data about the creep behavior of concrete. The model quality is quantified by the total uncertainty of the predicted creep compliance. The uncertainty of the creep prognosis without using measurement data is quantified by an uncertainty analysis taking into account the parameter correlation. When experimental data is considered the stochastic properties of the creep model parameters are found by means of Bayesian Updating. The evaluation is once more based on an uncertainty analysis or, alternatively, applying Bayesian model selection. 
Further, an assessment method of coupled partial models based on graph theory and sensitivity analysis is developed. Therewith, the influence of classes of partial models on the global model response is quantified, interactions of partial models are detected, and a measure for the quality of the global model is derived.
T3  - Schriftenreihe des DFG Graduiertenkollegs 1462 Modellqualitäten // Graduiertenkolleg Modellqualitäten <Weimar> - 2 
KW  - Kriechen
KW  - Bewertung
KW  - Prognosequalität
KW  - Bayes-Inferenz
KW  - Unsicherheitsanalyse
KW  - Gekoppelte Modelle
KW  - Coupled models
KW  - Bewertungsmethode
KW  - Evaluation methods
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20120207-15569
SN  - 978-3-86068-466-5
PB  - Verlag der Bauhaus-Universität Weimar
CY  - Weimar
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TY  - THES
A1  - Voland, Katja
T1  - Einfluss der Porosität von Beton auf den Ablauf einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion
N2  - Der Dissertation liegt die Frage zugrunde, welchen Einfluss die Porosität von Beton auf den Ablauf einer schädigenden AKR hat. Insbesondere soll geklärt werden, ob der Einsatz von Gleitschalungsfertigern – anstelle von klassischen schienengeführten Betondeckenfertigern – und die damit verbundene verringerte Porosität der Betone den Ablauf einer schädigenden AKR begünstigt. Eine verringerte Porosität führt zu einer reduzierten Duktilität des Betons, so dass infolge AKR entstehende Zugspannungen schlechter abgebaut werden können. Weiterhin steht ein geringerer Expansionsraum für das entstehende AKR-Gel zur Verfügung. Diese Faktoren können den Ablauf einer AKR begünstigen. Allerdings können extern anstehende Alkalien schlechter in den Beton mit einer verringerten Porosität eindringen. Ferner wird die Diffusion der Alkalien zu den potenziell reaktiven Gesteinskörnungen verlangsamt. 

Zur Beantwortung der aufgeworfenen Frage wird unter Einsatz einer neuartigen Prüfmethodologie und bei variierender Porosität untersucht, welche Schädigungsparameter maßgebend für den Ablauf und die Intensität einer schädigenden AKR sind. Die berücksichtigten Schädigungsparameter sind die mechanischen Eigenschaften des Betons, der zur Verfügung stehende Expansionsraum und die im Beton ablaufenden Transportvorgänge. Um den Einfluss der jeweiligen Schädigungsparameter spezifizieren zu können, gehen die Prüfungen einerseits von einem hohen internen und andererseits von einem hohen externen AKR-Schädigungspotenzial aus. In beiden Fällen erfolgen die Untersuchungen an langsam reagierenden alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen. Die unterschiedlichen Porositäten ergeben sich hauptsächlich durch Variation des w/z-Wertes.

Bei dem hohen internen AKR-Schädigungspotenzial stehen die mechanischen Eigenschaften und der Expansionsraum im Vordergrund; außerdem ist der Einfluss der Zugabe eines LP-Bildners zu analysieren. Um ein hohes internes AKR-Schädigungspotenzial zu erreichen, kommt bei der Herstellung der Betonprobekörper ein Zement mit einem hohen Alkaligehalt zum Einsatz. Die Betonprobekörper werden der 40 °C-Nebelkammerlagerung und dem 60 °C-Betonversuch über Wasser unterzogen. Dabei findet eine neue Prüfmethodologie Anwendung, die der kontinuierlichen Messung der Dehnung und der ablaufenden Erhärtungs- und Rissbildungsprozesse dient. Diese Prüfmethodologie umfasst die Messung der Ultraschallgeschwindigkeit, die Schallemissionsanalyse und die µ-3D-Computertomografie. 

Hingegen richtet sich der Fokus bei dem hohen externen AKR-Schädigungspotenzial auf die Transportvorgänge. Zur Provokation eines hohen externen AKR-Schädigungspotenzials werden die Probekörper der FIB-Klimawechsellagerung ausgesetzt.
N2  - This thesis deals with the question of how the porosity of concrete influences the process of a damaging alkali-silica-reaction (“ASR”). In particular, it is examined whether the use of slip form pavers and the reduced porosity resulting from this use have an effect on the process of a damaging ASR. A reduced porosity leads to a lower ductility of the concrete. Thus it is more difficult for the tensile stress to be reduced. Moreover, the space for the ASR gel to expand is reduced. These consequences promote the ASR. By contrast, the permeability of the concrete is lower. Hence, the penetration of external alkalis is reduced and the diffusion of the alkalis to the potentially reactive aggregate slowed down.

An innovative non-destructive testing methodology is applied to answer this question. Based on variations of the porosity it is examined which damage parameters influence the process and intensity of a damaging ASR. The damaging parameters taken into consideration are the mechanical properties of the concrete, the expansion space and the transport processes within the concrete.

In order to determine the influence of the relevant damaging parameters two categories of tests are conducted: one category is based on a high internal potential for damages due to ASR, the other one on a high external potential. In both cases alkali-reactive slow/late aggregates are tested. The different porosities of the concrete mainly result from a variation of the w/c-ratio. 

In case of a high internal potential for ASR-damages the mechanical properties and the expansion space play the most important role. Furthermore; the influence of an air-entraining agent on the process of a damaging ASR is taken into account.

The high internal potential for ASR-damages is provoked by the use of cement with a high amount of alkalises for the production of the concrete samples. These samples are stored in the 40 °C fog chamber storage and the 60 °C concrete prisms test. On the one hand the expansion and the change in mass as well as the eigenfrequency are measured discon-tinuously in the conventional way. On the other hand the innovative testing methodology applied to these ASR-provoked stored concrete samples serves to continuously measure the expansion and the hardening as well as crack formation processes. This methodology comprises a determination of the ultrasonic velocity and of acoustic emissions as well as 3-dimensional micro X-ray computed tomography (µ-3D-CT).

The high external potential for ASR-damages is provoked by the cyclic climate storage, designed by FIB. The analysis of these concretes focuses on transportation processes.
KW  - Alkali-Kieselsäure-Reaktion
KW  - Beton
KW  - Porosität
KW  - Auslaugung
KW  - Natriumchlorid
KW  - FIB-Klimawechsellagerung
KW  - 40 °C Nebelkammer
KW  - 60 °C-Betonversuch über Wasser
KW  - Schallemissionsanalyse
KW  - µ-3D Computertomografie
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20160418-25598
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TY  - THES
A1  - Tartsch, Enrico
T1  - Bewertung der Dauerstandfestigkeit von dampfgehärtetem Porenbeton auf der Grundlage von Kurzzeitversuchen
T1  - Prediction of the Sustained Load Strength of Autoclaved Aerated Concrete on a Short-term Basis
N2  - Im Rahmen der Arbeit wird das Tragverhalten von dampfgehärtetem Porenbeton unter einachsiger Druckbeanspruchung untersucht. Ziel ist es, einen Zusammenhang zwischen makroskopischen Spannungs-Dehnungs-Beziehungen, beanspruchungsbedingten Strukturänderungen und der Dauerstandfestigkeit herzustellen. Die Dauerstandfestigkeit stellt im Sinne der Arbeit eine elementare Gefügeschwelle dar, durch sie wird das stabile vom instabilen Tragverhalten abgegrenzt. Der Zusammenhang zwischen Strukturänderungen und Spannungs-Dehnungs-Verhalten wird anhand mechanischer Modelle analysiert. Diese Untersuchungen liefern die konzeptionelle Orientierung für die durchzuführenden Laborversuche. Die experimentelle Basis der Arbeit bilden Kurzzeit- und Langzeitversuche an Porenbetonzylindern unter einachsiger Druckbeanspruchung. Es werden Probekörper von drei Porenbetonwerken untersucht. Um den Einfluss der Lastgeschichte aufzuzeigen, wird die Versuchsdauer zwischen einer Sekunde und mehreren Wochen variiert. Die Versuche werden mit unterschiedlichen Lastregimen durchgeführt: sowohl mit monoton gesteigerter Beanspruchung bis zum Versagen bzw. bis zum vorgesehenen Beanspruchungsniveau als auch mit niederzyklischer Beanspruchung. Die Messdaten werden unter Einbeziehung der dreidimensionalen Ansätze der Spannungs- und Deformationstheorie hinsichtlich des sphärischen und des deviatorischen Anteils des Spannungs- und Verformungszustandes ausgewertet. Diese auf die separate Betrachtung der Volumen- und Gestaltänderung gestützte Auswertung liefert zusätzliche Erkenntnisse hinsichtlich der Zuordnung von reversiblen und irreversiblen Verformungen zu den Teiltensoräquivalenten. Entsprechend den Versuchsergebnissen ändert sich die Kompressibilität des Porenbetons belastungsabhängig. Bereits kurzzeitige Überlastungen oberhalb der experimentell ermittelten Dauerstandgrenze sind von signifikanten Änderungen der Kompressionssteifigkeit begleitet. Das qualitative Tragverhalten des Porenbetons, das bei Beanspruchungen oberhalb der Dauerstandfestigkeit grundsätzliche Änderungen erfährt, lässt sich so bereits im Kurzzeitversuch abgrenzen. Zusätzliche Auswertungen für Normalbeton und selbstverdichtenden hochfesten Beton weisen auf analoges Verhalten hin. Auf der Basis der durchgeführten Untersuchungen werden Konzepte vorgestellt, mit denen die Dauerstandfestigkeit im Kurzzeitversuch, das heißt mit einer Versuchsdauer von wenigen Stunden, prognostiziert werden kann. Damit können Untersuchungen zur Dauerstandfestigkeit, die eine grundlegende Größe zur Beurteilung der Tragfähigkeit darstellt, routinemäßig durchgeführt werden.
N2  - This thesis is concerned with the behaviour of autoclaved aerated concrete (AAC) when it is subjected to uniaxial compressive loads. The objective is to ascertain the relationship between textural changes, macroscopic stress-strain relations and the sustained load strength of the material itself. Throughout the thesis, the sustained load strength is considered as a basic threshold level, i.e. as the boundary between stable and unstable load-bearing behaviour. First, the effect of textural changes on the stress-strain behaviour was analysed on a theoretical basis with the aid of mechanical models. Based on the results, experimental tests were then planned. Short-term as well as long-term tests were carried out using cylindrical specimens made of AAC. Three different types of AAC were tested. Different load histories were used: monotonically increased loads and low-cycle loads with the load level increased step by step. Within the context of the test data analysis, three-dimensional textural responses are taken into account. Uniaxial loading is regarded as a special case of multi-axial loading. The decomposition of the stress tensor and strain tensor respectively opens up the opportunity to obtain more detailed information about elastic and inelastic material properties. It can be shown that compressibility of AAC undergoes load-dependent changes. Even short-term overloads lead to significant textural changes; these can be detected by analysing the bulk modulus. On this basis, it is possible to give clear statements about the sustained load strength of AAC. Additional tests carried out on normal-strength concrete and self-compacting concrete display similar behaviour. This study outlines a way of predicting sustained load strength on a short-term basis. As a result, it will be possible to carry out routine investigations into the sustained load strength in the future.
T3  - Schriftenreihe des Instituts für Konstruktiven Ingenieurbau - 12 
KW  - Porenbeton
KW  - Beton
KW  - Tragverhalten
KW  - Dauerstandfestigkeit
KW  - Bruchverhalten
KW  - Experiment
KW  - Deformationsverhalten
KW  - zyklisch
KW  - Strukturänderung
KW  - elastische Eigenschaften
KW  - sphärisch
KW  - deviatorisch
KW  - Kompressibilität
KW  - textural changes
KW  - elastic properties
KW  - spherical
KW  - deviatoric
KW  - compressibility
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20080213-12926
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TY  - THES
A1  - Mansfeld, Thomas
T1  - Das Quellverhalten von Alkalisilikatgelen unter Beachtung ihrer Zusammensetzung
T1  - The swelling behaviour of alkali silicate gels considering their composition
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit wurden über verschiedene Herstellungsverfahren 48 Gelproben erzeugt und auf ihr Quellverhalten untersucht. Dabei wurde eine Wiederholbarkeit der Messungen mit anderen Bearbeitern überprüft und nachgewiesen. Es zeigt sich in den Quellversuchen, dass hohe Alkaligehalte in den Gelproben bei einer niedrigen Löslichkeit (durch geringe Mengen Calcium in der Probe hervorgerufen) hohe Quelldrücke erzeugen. Ein Einfluss des Natrium-Kalium-Verhältnisses (Alkaliverhältnis) auf das Quellverhalten der Gelproben ist nicht zu erkennen. Der Einfluss des Calciums im Gel zeichnet sich deutlich ab, ohne Calcium bauen die Proben keine Quelldrücke auf, bei zu hohen Calciumgehalten entstehen nicht quellfähige Alkali-Calcium-Silikat-Hydrate. Ein quellfähiger Bereich kann von ca. 5 % bis zu ca. 30 % Calciumanteil im Gel angegeben werden. Neben dem Einfluss des Calciumgehaltes auf das Quellverhalten der Gele ist auch ein Einfluss des Alkali-Silika-Verhältnisses in den Proben nachweisbar. Wird dieses Verhältnis in den Proben stark Richtung Kieselsäure verschoben, d. h. niedrige Alkalianteile im Gel, kommt es zu keinen Quellerscheinungen. Somit kann die Wirkung von AKR-vermeidenden Zusätzen (FA, Silika usw.) mit diesen Messungen bestätigt werden. Es kann gezeigt werden, dass die ermittelten Quelldrücke eines Alkalikiesel-Gels ein Gesteinskorn oder/und die umgebende Matrix zerstören können. Aus diesen oben genannten Erkenntnissen wird ein Bereich einer quellfähigen Zusammensetzung eines Gels in einem Dreistoffdiagramm angegeben und es können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: •Ein Quelldruck kann in einem AK-Gel nur bei einer bestimmten Menge an eingebautem Calcium aufgebaut werden. •Diese Quelldrücke können deutlich Werte über 10 N/mm² erreichen. •Die im Beton verwendeten Gesteinskörnungen und auch die sie umschließende Mörtelmatrix können mit Quelldrücken in den hier bestimmten Größenordnungen zerstört werden. •Die bekannten Modelle zur Alkali-Kieselsäure-Reaktion müssen um den Einbau des Calciums in ein entstandenes AK-Gel erweitert werden.
N2  - In the context of this work over different manufacturing processes 48 gel samples were produced and examined for their swelling behaviour. A repeatability of the measurements with other editors was examined and proven. It shows up in the swelling tests that high alkali contents in the gel samples produce high swelling pressures. An influence of the sodium potassium relationship (alkali relationship) on the swelling behaviour of the gel samples is not to be recognized. The influence of the calcium in the gel appears clearly, without calcium develops the samples no swelling pressures, with to high calcium contents develops not swelling alkali calcium silicate hydrates. A swelling range can be indicated from approx 5% to approx 30% calcium content in the gel. Apart from the influence of the calcium content on the swelling behaviour of the gels also an influence of the alkali Silika relationship is in the samples provable. If this relationship in the samples is shifted strongly direction silicic acid, i.e. low alkali portions in the gel, it comes to no swelling pressure. Thus the effect of ASR avoiding additives (fly asch, silica etc.) with these measurements can be confirmed. It can be shown that the determined swelling pressures of an alkali silicate gel can destroy a rock grain and/or the surrounding matrix. From these realizations specified above a range of a pourable composition of a gel will be able to do it indicated in a three material diagram and the following conclusions to be pulled: •A swelling pressure can be developed in a alkali silcate gel only with a certain quantity of inserted calcium. •These swelling pressures can reach values over 10 N/mm². •The rock granulations used in the concrete and also the mortar matrix enclosing them can be destroyed with swelling pressures in the orders of magnitude determined here. •The well-known models for alkali silicic acid reaction must be extended by the installation of the calcium into a developed Alkali silcate gel.
KW  - Alkalilösliche Kieselsäure
KW  - Beton
KW  - Quellen
KW  - Quelldruck
KW  - Alkali-Kieselsäure-Reaktion
KW  - Alkali-Kieselsäure-Gel
KW  - alkali silicate gels
KW  - swelling
KW  - alkali silicate reaction
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20090106-14572
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TY  - THES
A1  - Eberhardt, Arnd Bernd
T1  - On the mechanisms of shrinkage reducing admixtures in self con-solidating mortars and concretes
N2  - 'Zur Wirkungsweise schwindreduzierender Zusatzmittel in selbstverdichtenden Mörteln und Betonen' Problemstellung und Zielsetzung 1. Der Einsatz selbstverdichtender Mörtel und Betone im Bauwesen erbringt klare Vorteile. Dies sind im Wesentlichen eine erhöhte Betonierleistung, verbesserte Betonierqualität für bewehrten Beton im Allgemeinen und für filigrane, eng bewehrte Bauteile im Besonderen. Die mit den traditionellen Methoden des Betonbaus verbundenen Lärmemissionen werden erheblich reduziert. Der Wegfall der für herkömmlichen Beton notwendigen Verdichtungsarbeit reduziert den manuellen Aufwand und die damit verbundenen Gesundheitsrisiken. Das im selbstverdichtenden Beton benötigte hohe Bindemittelleimvolumen ist der Betondauerhaftigkeit abträglich. Es bewirkt, dass selbstverdichtende Betone ein erhöhtes Schwindmaß sowie eine höhere Rissneigung aufweisen. Ersteres kann für Betonbauteile zu erheblichen Verformungen oder Zwangsspannungen führen, während Letzteres die Dauerhaftigkeit des Baustoffes Beton aufgrund einer Begünstigung rissinduzierter Schädigungsmechanismen stark beeinträchtigt. 2. Herkömmliche Methoden zur Schwindreduktion und Rissvermeidung verfolgen hauptsächlich das Ziel, die im Beton einzusetzenden Bindemittelmengen zu reduzieren. Für selbstverdichtende Betone ist dieses Konzept nur sehr begrenzt anwendbar, da die Selbstverdichtung dieser Betone relativ hohe Bindemittelleimvolumen erfordert. Eine Möglichkeit das Ausmaß des Schwindens und damit die Rissanfälligkeit selbstverdichtender Betone zu senken, besteht in der Anwendung schwindreduzierender Betonzusatzmittel. Eingeführt in den achtziger Jahren des 20ten Jahrhunderts in Japan, erweisen sich diese Zusatzmittel als effiziente Methode zur Verbesserung der Qualität bindemittelreicher Hochleistungsbetone im Allgemeinen und selbstverdichtender Betone im Besonderen. 3. Während die Wirksamkeit schwindreduzierender Betonzusatzmittel in zahlreichen anwendungsorientierten Studien nachgewiesen werden konnte, ist das Wirkprinzip nur unzureichend erforscht. Eines der Hauptziele dieser Arbeit ist deshalb die gründliche Erforschung des Wirkmechanismus schwindreduzierender Betonzusatzmittel. 4. Weiterhin besteht Unklarheit, wie diese Zusätze in den Chemismus der Zementhydratation eingreifen und ob dies der allgemeinen Dauerhaftigkeit des Baustoffes Beton abträglich ist. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit ist deshalb die gründliche Erforschung der Zementhydratation in Gegenwart einer repräsentativen Auswahl verschiedener Typen schwindreduzierender Betonzusatzmittel. 5. Die Nachhaltigkeit der Anwendung schwindreduzierender Zusatzmittel ist bedeutend für die Betondauerhaftigkeit. Ob schwindreduzierende Zusatzmittel auslaugbar sind und ob eine Auslaugung die Schwindreduktion langfristig beeinträchtigt, sind weitere Fragen, denen im Rahmen dieser Arbeit nachgegangen wird. Stand der Wissenschaft 6. Schwinden und Quellen von zementären Baustoffen wird im Allgemeinen mittels makroskopisch-thermodynamischer Ansätze beschrieben. Der stark vereinfachte Ansatz kapillaren Unterdrucks bzw. hydrostatischen Drucks als treibende Kraft für hygrische Verformungen wird weitgehend abgelehnt. Vielmehr wird im Bereich moderater Luftfeuchten der Spaltdruck und im Bereich niedriger Luftfeuchten die Oberflächenenergie zur Beschreibung der hygrischen Volumenstabilität herangezogen. 7. Schwindreduzierende Betonzusatzmittel bestehen überwiegend aus synergistischen Abmischungen nicht-ionischer Tenside mit Glykolen. Die amphiphilen Eigenschaften der nicht-ionischen Tenside führen zu einer Senkung der Oberflächenspannung des Zementporenwassers. In Abhängigkeit ihrer Konzentration in wässrigen Elektrolyten bilden nicht-ionische Tenside Mizellen und/oder Flüssigkristalle. Beobachtet wurden Mischungslücken und Aussalzungen dieser organischen, oberflächenaktiven Substanzen. Durch die Zugabe von Glykolen wird die Mischbarkeit nicht-ionischer Tenside mit wässrigen Elektrolyten stark erhöht und führt zu einer Absenkung der Bildung von Flüssigkristallen und organischen Aussalzungen sowie zu einer verminderten Adsorption des Tensides an Feststoffoberflächen. Der ausschließlich in der Patentliteratur erwähnte Synergieeffekt bei der Abmischung nicht-ionischer Tenside mit Glykolen zu Schwindreduzierern bezieht sich auf eine erhöhte Schwindreduktionskapazität des Zusatzmittels und beruht auf der Abmilderung aller Effekte, die zu einer Abscheidung des Tensides aus der wässrigen Lösung führen. 8. Eine Implementierung der spezifischen chemisch-physikalischen Eigenschaften schwind-reduzierender Zusatzmittel in bestehende Modelle zur Beschreibung des Trocknungsschwindens ist der Fachliteratur nicht zu entnehmen. Mit Ausnahme des Kapillardruckmodells zur Vorhersage des Trocknungsschwindens lassen sich Charakteristika schwindreduzierender Betonzusatzmittel, im Speziellen ihrer Oberflächenaktivität, nicht bzw. nur unzureichend in bestehende Modelle zum Trocknungsschwinden implementieren. Methodik 9. Die Oberflächenaktivität einer repräsentativen Auswahl an Schwindreduzierern wurde in makroskopischen Versuchen an synthetischen als auch an extrahierten Zementporenwässern quantifiziert. Dies umfasste auch die Quantifizierung von Mischungslücken und organischen Aussalzungen. 10. Ein in dieser Arbeit entwickelter theoretischer Ansatz zur Auswertung herkömmlicher Messungen der Oberflächenspannung erlaubt eine Abschätzung der Oberflächenspannung der Porenlösung im trocknenden, zementären Porensystem. 11. Der Einfluss schwindreduzierender Zusatzmittel auf den Hydratationsmechanismus, d.h. Hydratphasenbestand und Hydratationskinetik, wurde mittels Thermogravimetrie, Röntgenphasenanalyse bzw. isothermer Wärmeleitungskalorimetrie erfasst. Zusätzlich wurde Elektronenmikroskopie zur Beschreibung der Mikrostrukturen und energiedispersive Röntgenspektroskopie zur qualitativen Bestimmung von niedrig konzentrierten Hydratphasen eingesetzt. Die Veränderungen der Komposition des Zementporenwassers in Gegenwart schwindreduzierender Zusatzmittel wurden analysiert. Die spezifische Adsorption schwindreduzierender Zusatzmittel an Zementhydraten wurde an hydratisierendem Zement als auch an synthetischen Hydratphasen untersucht. 12. Der Mechanismus der Auslaugung schwindreduzierender Zusatzmittel wurde in Standtests untersucht, während praxisnahe Konditionen mittels zyklischer Auslaugung und Trocknung in Langzeittests simuliert wurden. 13. Die Beschreibung der hygrischen Eigenschaften von Zementstein und Mörteln erfolgte anhand von Schwind- und Desorptionsisothermen. Basierend auf thermodynamischen Ansätzen wurden unter Verwendung dieser Schwind- und Desorptionsisothermen Energiebilanzen erstellt, die eine Unterscheidung zwischen Verformungsenergie und Energie zur Erzeugung von Oberfläche im Trocknungsprozess zementärer Baustoffe zulassen und somit eine Abgrenzung der Einflussnahme von Schwindreduzierern auf diese spezifische Energieverteilung ermöglichen. Im Wesentlichen erzielte Ergebnisse 14. Schwindreduzierende Betonzusatzmittel nehmen aufgrund ihrer amphiphilen Eigenschaften Einfluss auf den Hydratationsmechanismus von Portlandzementen. In Gegenwart dieser Zusatzmittel ist die Löslichkeit für anorganische Salze verringert. Die Konzentration von Calcium-, Kalium- und Sulfationen sinkt mit zunehmender Konzentration des Zusatzmittels. Während der Induktionsperiode der Portlandzementhydratation führt dies zur temporären Ausfällung von Calcium-Kalium-Sulfathydrat. Eine Veränderung des Hydratphasenbestandes in Gegenwart von schwindreduzierenden Zusatzmitteln kann nicht signifikant unterschieden werden. Somit sind nachteilige Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit derartig modifizierter Betone aufgrund eines veränderten Hydratphasenbestandes nicht zu erwarten. 15. Die stark verzögernde Wirkung von Schwindreduzierern in Kombination mit polycarboxylat-basierten Fließmitteln beruht nicht auf der Adsorption des Schwindreduzierers am hydratisierenden Klinker. Vielmehr kann davon ausgegangen werden, dass die verminderte Löslichkeit für Salze in der Porenlösung den Reaktionsumsatz absenkt und/oder eine spezifische Adsorption des nicht-ionischen Tensides an Portlanditkeimen deren Wachstum hemmt und damit die Auflösung von silikatischen Klinkerphasen. 16. Schwindreduzierende Zusatzmittel weisen eine spezifische Adsorption an Portlandit auf, einem Nebenprodukt der Hydratationsreaktionen eines Hauptbestandteils von Portlandzement. Ein verstärktes Kristallwachstum von Portlandit in lateraler Dimension führt zu einer Zunahme der spezifischen Oberfläche des hydratisierten Zementsteines. Für nass nachbehandelte Zementsteine bedeutet dies eine Zunahme der Gelporosität auf Kosten der Kapillarporosität. Eine Einflussnahme auf die Gesamtporosität lässt sich nicht feststellen. 17. Die Zunahme der spezifischen Oberfläche von Zementstein in Gegenwart von Schwindreduzierern bewirkt eine verstärkte physikalische Adsorption von Zementporenwasser am Feststoff. Für Betone mit niedrigem w/z-Wert oder unzureichender Nachbehandlung kann dieser Prozess zu einer Reduktion des für die Hydratation verfügbaren Wassers führen und in einem vermindertem Hydratationsgrad resultieren. Dies könnte eine Ursache für die in der Literatur beschriebenen Einbußen bezüglich mechanischer Eigenschaften beim Einsatz von Schwindreduzieren sein. 18. Schwindreduzierer sind im hohen Maße auslaugbar. Jedoch zeigen zyklische Langzeittests, dass ein signifikanter Austrag des Zusatzmittels in vorwiegend trockener Exposition nicht zu erwarten ist. Die Nachhaltigkeit des Einsatzes dieser Zusatzmittel ist gegeben, wenn die Anwendung im Beton das Ziel der Reduktion des Trocknungsschwindens verfolgt. 19. Die schwindreduzierende Wirkung der nicht-ionischen Tenside beruht vorwiegend auf der Reduktion der Oberflächenspannung der Grenzfläche „flüssig/gasförmig“ des trocknenden Zementsteines. Inwieweit diese Oberflächenspannung durch das nicht-ionischeTensid herabgesetzt wird, ist von der Gesamtkonzentration im Allgemeinen und im Speziellen von der Konzentration des Tensides in der Oberfläche abhängig. Da im Zuge des Trocknens diese Grenzfläche wächst, kann bei gegebener Gesamtkonzentration des Zusatzmittels im Beton dessen Konzentration in der Grenzfläche sinken, woraufhin die Oberflächenspannung ansteigt und die Schwindreduktion sinkt. 20. Im Ergebnis dieser Arbeit ist es möglich, die Entwicklung sowohl der Oberfläche als auch ihrer Oberflächenspannung im Trocknungsprozess zu quantifizieren und diese Ergebnisse in einen einfachen konzeptionellen, thermodynamischen Ansatz zur Minimierung der freien Energie des trocknenden, zementären Porensystems zu überführen. Die Verwendung dieses konzeptionellen Ansatzes erlaubt es, den Wirkmechanismus schwindreduzierender Betonzusatzmittel zu beschreiben.
N2  - Self Consolidating Concrete – a dream has come true!(?) Self Consolidating Concrete (SCC) is mainly characterised by its special rheological properties. With-out any vibration this concrete can be placed and compacted under its own weight, without segrega-tion or bleeding. The use of such concrete can increase the productivity on construction sites and en-able the use of a higher degree of well distributed reinforcement for thin walled structural members. This new technology also reduces health risks since in contrast to the traditional handling of concrete, the emission of noise and vibration are substantially decreased. The specific mix design for self consolidating concretes was introduced around the 1980s in Japan. In comparison to normal vibrated concrete an increased paste volume enables a good distribution of aggregates within the paste matrix, minimising the influence of aggregates friction on the concrete flow property. The introduction of inert and/or pozzolanic additives as part of the paste provides the required excess paste volume without using disproportionally high amounts of plain cement. Due to further developments of concrete admixtures such as superplasticizers, the cement paste can gain self levelling properties without causing segregation of aggregates. Whereas SCC differs from normal vibrated concrete in its fresh attributes, it should reach similar properties in the hardened state. Due to the increased paste volume it usually shows higher shrinkage. Furthermore, owing to strength requirements, SCC is often produced at low water to cement ratios and hence may additionally suffer from autogenous shrinkage. This means that cracking caused by drying or autogenous shrinkage is a real risk for SCC and can compromise its durability as cracks may serve as ingression paths for gases and salts or might permit leaching. For the time being SCC still exhibits increased shrinkage and cracking probability and hence may be discarded in many practical applications. This can be overcome by a better understanding of those mechanisms and the ways to mitigate them. It is a target of this thesis to contribute to this. How to cope with increased shrinkage of SCC? In general, engineers are facing severe problems related to shrinkage and cracking. Even for normal and high performance concrete, containing moderate amounts of binder, a lot of effort was put on counteracting shrinkage and avoiding cracking. For the time being these efforts resulted in the knowledge of how to distribute cracks rather to avoid them. The most efficient way to decrease shrinkage turned out to be to decrease the cement content of concrete down to a minimum but still sufficient amount. For SCC this obviously seems to be contradictory with the requirement of a high paste volume. Indeed, the potential for shrinkage reduction is limited to some small range modifications in the mix design following two major concepts. The first one is the reduction of the required paste volume by optimising the aggregate grading curve. The second one involves high volume substitution of cement, preferentially using inert mineral additives. The optimization of grading curves is limited by several severe practical issues. Problems start with the availability of sufficiently fractionated aggregates. Usually attempts fail because of the enormous effort in composing application-optimized grading curves or mix designs. Due to durability reasons, the substitution rate for cement is limited depending on the application purpose and on environmental exposure of the hardened concrete. In the early 1980s Shrinkage Reducing Admixtures (SRA) were introduced to counteract drying shrinkage of concrete. The first publications explicitly dealing with SRA go back to Goto and Sato (Japan). They were published in 1983, which is also the time when the SCC concept was introduced. SRA modified concretes showed a substantial reduction of free drying shrinkage contributing to crack prevention or at least a significant decrease of crack width in situations of restrained drying shrinkage. Will shrinkage reducing admixtures contribute to a broader application of SCC? Within the last three decades performance tests on several types of concrete proved the efficiency of shrinkage reducing admixtures. So, at least in terms of shrinkage and cracking, concretes in general and SCC in particular can benefit from SRA application. But "One man's meat is another man's poison" and with respect to long term performance of SRA modified concretes there are still several issues to be clarified. One of these concerns the impact of SRAs on cement hydration. It is therefore an issue to know if changes in the hydrated phase composition, induced by SRA, result in undesired properties or decreased durability. Another issue is that the long term shrinkage reduction has to be evaluated. For example, one can wonder if SRA leaching may diminish or even eliminate long term shrinkage reduction and if the release of admixtures could be a severe environmental issue. It should also be noted that the basic mechanism or physical impact of SRA as well as its implementation in recent models for shrinkage of concrete is still being discussed. The present thesis tries to shed light on the role of SRA in self consolidating concrete focusing on the three questions outlined above: basic mechanisms of cement hydration, physical impact on shrinkage and the sustainability of SRA-application. Which contributions result from this study? Based on an extensive patent search, commercial SRAs could be identified to be synergistic mixtures of non-ionic surfactants and glycols. This turns out to be most important information for more than one reason and is the subject of chapter 4. An abundant literature focuses on properties of these non-ionic surfactants. Moreover, from this rich pool of information, the behaviour of SRAs and their interactions in cementitious systems were better understood through this thesis. For example, it could be anticipated how SRAs behave in strong electrolytes and how surface activity, i.e. surface tension, and interparticle forces might be affected. The synergy effect regarding enhanced performance induced by the presence of additional glycol in SRAs could be derived from the literature on the co-surfactant nature of glycols. Generally it now can be said that glycols ensure that the non-ionic surfactant is properly distributed onto the paste interfaces to efficiently reduce surface tension. In literature, the impact of organic matter on cement hydration was extensively studied for other admixtures like superplasticizer. From there, main impact factors related to the nature of these molecules could be identified. In addition, here again, the literature on non-ionic surfactants provides sufficient information to anticipate possible interactions of SRA with cement hydration based on the nature of non-ionic surfactants. All in all, the extensive study on the nature of non-ionic surfactants, presented in chapter 4, provides fundamental understanding of the behaviour of SRAs in cement paste. Taking a step further to relate this to the impact on drying and shrinkage required to review recent models for drying and shrinkage of cement paste as presented in chapter 3. There, it is shown that macroscopic thermodynamics of the open pore systems can be successfully applied to predict drying induced deformation, but that surface activity of SRA still has to be implemented to explain the shrinkage reduction it causes. Because of severe issues concerning the importance of capillary pressure on shrinkage, a new macroscopic thermodynamic model was derived in a way that meets requirements to properly incorporate surface activity of SRA. This is the subject of chapter 5. Based on theoretical considerations, in chapter 5 the broader impact of SRA on drying cementitious matter could be outlined. In a next step, cement paste was treated as a deformable, open drying pore system. Thereby, the drying phenomena of SRA modified mortars and concrete observed by other authors could be retrieved. This phenomenological consistency of the model constitutes an important contribution towards the understanding of SRA mechanisms. Another main contribution of this work came from introducing an artificial pore system, denominated the normcube. Using this model system, it could be shown how the evolution of interfacial area and its properties interact in presence of SRAs and how this impacts drying characteristics. In chapter 7, the surface activity of commercial SRAs in aqueous solution and synthetic pore solution was investigated. This shows how the electrolyte concentration of synthetic pore solution impacts the phase behaviour of SRA and conversely, how the presence of SRA impacts the aqueous electrolyte solution. Whilst electrolytes enhance self-aggregation of SRAs into micelles and liquid crystals, the presence of SRAs leads to precipitation of minerals as syngenite and mirabilite. Moreover, electrolyte solutions containing SRAs comprise limited miscibility or rather show miscibility gaps, where the liquid separates into isotropic micellar solutions and surfactant rich reverse micellar solutions. The investigation of surface activity and phase behaviour of SRA unravelled another important contribution. From macroscopic surface tension measurements, a relationship between excess surface concentration of SRA, bulk concentration of SRA and exposed interfacial area could be derived. Based on this, it is now possible to predict the actual surface tension of the pore fluid in the course of drying once the evolution of internal interfacial area is known. This is used later in this thesis to describe the specific drying and shrinkage behaviour of SRA modified pastes and mortars. Calorimetric studies on normal Portland cement and composite binders revealed that SRA alone show only minor impact on hydration kinetics. In presence of superplasticizer however the cement hydration can be significantly decelerated. The delaying impact of SRA could be related to a selective deceleration of silicate phase hydration. Moreover, it could be shown that portlandite precipitation in presence of SRA is changed, turning the compact habitus into more or less layered structures. Thereby, the specific surface increases, causing the amount of physically bound water to increase, which in turn reduces the maximum degree of hydration achievable for sealed systems. Extensive phase analysis shows that the hydrated phase composition of SRA modified binders re-mains almost unaffected. The appearance of a temporary mineral phase could be detected by environmental scanning electron microscopy. As could be shown for synthetic pore solutions, syngenite precipitates during early hydration stages and is later consumed in the course of aluminate hydration, i.e. when sulphates are depleted. Moreover, for some SRAs, the salting out phenomena supposed to be enhanced in strong electrolytes could also be shown to take place. The resulting organic precipitates could be identified by SEM-EDX in cement paste and by X-ray diffraction on solid residues of synthetic pore solution. The presence of SRAs could also be identified to impact microstructure of well cured cement paste. Based on nitrogen adsorption measurements and mercury intrusion porosimetry the amount of small pores is seen to increase with SRA dosage, whilst the overall porosity remains unchanged. The question regarding sustainability of SRA application is the subject of chapter 10. By means of leaching studies it could be shown that SRA can be leached significantly. The mechanism could be identified as a diffusion process and a range of effective diffusion coefficients could be estimated. Thereby, the leaching of SRA can now be estimated for real structural members. However, while the admixture can be leached to high extents in tank tests, the leaching rates in practical applications can be assumed to be low because of much reduced contact with water. This could be proven by quantifying admixture loss during long term drying and rewetting cycles. Despite a loss of admixture shrinkage reduction is hardly impacted. Moreover, the cyclic tests revealed that the total deformations in presence of SRA remain low due to a lower extent of irreversibly shrinkage deformations. Another important contribution towards the better understanding of the working mechanism of SRA for drying and shrinkage came from the same leaching tests. A significant fraction of SRA is found to be immobile and does not diffuse in leaching. This fraction of SRA is probably strongly associated to cement phases as the calcium-silicate-hydrates or portlandite. Based on these findings, it is now also possible to quantify the amount of admixture active at the interfaces. This means that, the evolution of surface tension in the course of drying can be approximated, which is a fundamental requirement for modeling shrinkage in presence of SRA. The last experimental chapter of this study focuses on the working mechanism and impact of SRA on drying and shrinkage. Based on the thermodynamics of the open deformable pore system introduced in chapter 5, energy balances are set up using desorption and shrinkage isotherms of actual samples. Information on distribution of SRA in the hydrated paste is used to estimate the actual surface tensions of the pore solution. In other words, this is the first time that the surface activity of the SRA in the course of the drying is fully accounted for. From the energy balances the evolution and properties of the internal interface are then obtained. This made it possible to explain why SRAs impact drying and shrinkage and in what specific range of relative humidity they are active. Summarising the findings of this thesis it can be said that the understanding of the impact of SRAs on hydration, drying and shrinkage was brought forward. Many of the new insights came from the careful investigation of the theory of non-ionic surfactants, something that the cement community had generally overlooked up to now.
T2  - Zur Wirkungsweise schwindreduzierender Zusatzmittel in selbstverdichtenden Mörteln und Betonen
KW  - Schwinden
KW  - Bauchemie
KW  - Betonzusatzmittel
KW  - schwindreduzierendes Zusatzmittel
KW  - Zementhydratation
KW  - Schwindreduktion
KW  - Schwindmechanismus
KW  - Schwindisotherme
KW  - Sorptionsisotherme
KW  - shrinkage
KW  - shrinkage reduction
KW  - crack mitigation
KW  - construction chemicals
KW  - shrinkage reducing admixtures
KW  - shrinkage reducing agents
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20110620-15491
UR  - http://www.shaker.eu/en/content/catalogue/index.asp?lang=de&ID=8&ISBN=978-3-8440-0027-6
SN  - 978-3-8440-0027-6
ER  - 
TY  - THES
A1  - Luther, Torsten
T1  - Adaptation of atomistic and continuum methods for multiscale simulation of quasi-brittle intergranular damage
N2  - The numerical simulation of damage using phenomenological models on the macroscale was state of the art for many decades. However, such models are not able to capture the complex nature of damage, which simultaneously proceeds on multiple length scales. Furthermore, these phenomenological models usually contain damage parameters, which are physically not interpretable. Consequently, a reasonable experimental determination of these parameters is often impossible. In the last twenty years, the ongoing advance in computational capacities provided new opportunities for more and more detailed studies of the microstructural damage behavior. Today, multiphase models with several million degrees of freedom enable for the numerical simulation of micro-damage phenomena in naturally heterogeneous materials. Therewith, the application of multiscale concepts for the numerical investigation of the complex nature of damage can be realized. The presented thesis contributes to a hierarchical multiscale strategy for the simulation of brittle intergranular damage in polycrystalline materials, for example aluminum. The numerical investigation of physical damage phenomena on an atomistic microscale and the integration of these physically based information into damage models on the continuum meso- and macroscale is intended. Therefore, numerical methods for the damage analysis on the micro- and mesoscale including the scale transfer are presented and the transition to the macroscale is discussed. The investigation of brittle intergranular damage on the microscale is realized by the application of the nonlocal Quasicontinuum method, which fully describes the material behavior by atomistic potential functions, but reduces the number of atomic degrees of freedom by introducing kinematic couplings. Since this promising method is applied only by a limited group of researchers for special problems, necessary improvements have been realized in an own parallelized implementation of the 3D nonlocal Quasicontinuum method. The aim of this implementation was to develop and combine robust and efficient algorithms for a general use of the Quasicontinuum method, and therewith to allow for the atomistic damage analysis in arbitrary grain boundary configurations. The implementation is applied in analyses of brittle intergranular damage in ideal and nonideal grain boundary models of FCC aluminum, considering arbitrary misorientations. From the microscale simulations traction separation laws are derived, which describe grain boundary decohesion on the mesoscale. Traction separation laws are part of cohesive zone models to simulate the brittle interface decohesion in heterogeneous polycrystal structures. 2D and 3D mesoscale models are presented, which are able to reproduce crack initiation and propagation along cohesive interfaces in polycrystals. An improved Voronoi algorithm is developed in 2D to generate polycrystal material structures based on arbitrary distribution functions of grain size. The new model is more flexible in representing realistic grain size distributions. Further improvements of the 2D model are realized by the implementation and application of an orthotropic material model with Hill plasticity criterion to grains. The 2D and 3D polycrystal models are applied to analyze crack initiation and propagation in statically loaded samples of aluminum on the mesoscale without the necessity of initial damage definition.
N2  - Strukturmechanische Ermüdungs- und Lebensdaueranalysen basieren meist auf der Anwendung phänomenologischer Modelle der Schädigungs- und Bruchmechanik zur numerischen Simulationen des makroskopischen Schädigungsverhaltens. Ausgehend von einer definierten Anfangsschädigung sind diese Modelle nicht in der Lage, die tatsächlichen Vorgänge der Rissinitiierung und unterschiedlichen Rissausbreitung zu erfassen. Eine physikalische Interpretation der phänomenologisch eingeführten Schädigungsparameter ist oftmals nicht möglich und deren experimentelle Bestimmung schwierig. Die Berücksichtigung des mikrostrukturellen Aufbaus von Materialien in numerischen Modellen der Schädigungs- und Bruchmechanik bietet neue Möglichkeiten, die für die Rissinitiierung und Rissausbreitung ursächlichen physikalischen Phänomene abzubilden. Zunehmende Erkenntnisse über gleichzeitig auftretende Mikro- und Makroschädigungsvorgänge resultieren in verbesserten numerischen Modellen, mit denen aufwändige und kostenintensive Experimente in der Materialentwicklung zum Teil ersetzt werden können. In Kenntnis einer Vielfalt von unterschiedlichen Schädigungsphänomenen in technischen Materialien fokussiert die vorliegende Dissertation auf die Entwicklung und Verbesserung numerischer Methoden der Atomistik und der Kontinuumsmechanik zur Mehrskalenuntersuchung quasi-spröder Korngrenzenschädigung in polykristallinen Werkstoffen, z.B. Aluminium. Die kombinierte Anwendung dieser Methoden ist Teil eines hierarchischen Mehrskalenansatzes zur Integration des physikalisch beschriebenen Materialverhaltens der Atomistik in ein ingenieurmäßiges Kontinuumsschädigungsmodell. Ziel der Dissertation ist die Entwicklung einer Methodik, die es erlaubt, den Verlust atomarer Bindungen als physikalische Ursache spröder Schädigung zu simulieren und Ergebnisse aus diesen atomistischen Mikroskalen-Simulationen zur Parametrisierung von kohäsiven Materialmodellen der Kontinuumsmechanik zu nutzen. Diese beschreiben den intergranularen Sprödbruch in heterogenen Polykristallmodellen der Mesoskala. Der Einfluss der Heterogenität wird in nichtlinearen Finite-Elemente-Simulationen durch explizite Abbildung der Kornstruktur im mesoskopischen Polykristallmodell berücksichtigt. Durch den Einsatz des kohäsiven Interface-Gesetzes erlaubt das auf der Mesoskala angewandte Kontinuumsmodell die Simulation spröder Korngrenzenschädigung in statisch belasteten 2D und 3D Modellen ohne die Notwendigkeit der Definition einer Anfangsschädigung, wie dies in klassischen Modellen der linear-elastischen Bruchmechanik notwendig ist. Zur effizienten Realisierung der atomistischen Mikroskalen-Simulationen wird eine Implementation der nichtlokalen 3D Quasikontinuumsmethode angewandt. Diese Methode basiert auf einem atomistischen Ansatz und beschreibt das Materialverhalten auf Grundlage atomarer Bindungskräfte. In Modellgebieten mit gleichmäßigem Verformungsfeld werden kinematische Kopplungen atomarer Freiheitsgrade eingeführt, sodass sich die Zahl unabhängiger Freiheitsgrade stark reduziert. Deren effizienter Einsatz erlaubt Simulationen an größeren Modellen ohne Kopplung mit kontinuumsmechanischen Methoden. Eine verbesserte Vernetzung, ein robuster Optimierungsalgorithmus und die vorgenommene Parallelisierung machen die implementierte nichtlokale 3D Quasikontinuumsmethode zu einem effizienten Werkzeug für die robuste Simulation von physikalischen Schädigungsphänomenen in beliebigen atomistischen Konfigurationen. In quasistatischen Simulationen wird eine deutliche Beschleunigung gegenüber der Methode der Gitterstatik bei vergleichbarer Qualität der Ergebnisse erreicht.
T2  - Weiterentwicklung numerischer Methoden der Atomistik und Kontinuumsmechanik zur Multiskalen-Simulation quasi-spröder intergranularer Schädigung
T3  - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2010,2 
KW  - Mechanik
KW  - Computersimulation
KW  - Mikro-Scale
KW  - Meso-Scale
KW  - Polykristall
KW  - intergranular damage
KW  - atomistic simulation methods
KW  - continuum mechanics
KW  - quasicontinuum method
KW  - scale transition
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20101101-15245
ER  - 
TY  - THES
A1  - Eckardt, Stefan
T1  - Adaptive heterogeneous multiscale models for the nonlinear simulation of concrete
N2  - The nonlinear behavior of concrete can be attributed to the propagation of microcracks within the heterogeneous internal material structure. In this thesis, a mesoscale model is developed which allows for the explicit simulation of these microcracks. Consequently, the actual physical phenomena causing the complex nonlinear macroscopic behavior of concrete can be represented using rather simple material formulations. On the mesoscale, the numerical model explicitly resolves the components of the internal material structure. For concrete, a three-phase model consisting of aggregates, mortar matrix and interfacial transition zone is proposed. Based on prescribed grading curves, an efficient algorithm for the generation of three-dimensional aggregate distributions using ellipsoids is presented. In the numerical model, tensile failure of the mortar matrix is described using a continuum damage approach. In order to reduce spurious mesh sensitivities, introduced by the softening behavior of the matrix material, nonlocal integral-type material formulations are applied. The propagation of cracks at the interface between aggregates and mortar matrix is represented in a discrete way using a cohesive crack approach. The iterative solution procedure is stabilized using a new path following constraint within the framework of load-displacement-constraint methods which allows for an efficient representation of snap-back phenomena. In several examples, the influence of the randomly generated heterogeneous material structure on the stochastic scatter of the results is analyzed. Furthermore, the ability of mesoscale models to represent size effects is investigated. Mesoscale simulations require the discretization of the internal material structure. Compared to simulations on the macroscale, the numerical effort and the memory demand increases dramatically. Due to the complexity of the numerical model, mesoscale simulations are, in general, limited to small specimens. In this thesis, an adaptive heterogeneous multiscale approach is presented which allows for the incorporation of mesoscale models within nonlinear simulations of concrete structures. In heterogeneous multiscale models, only critical regions, i.e. regions in which damage develops, are resolved on the mesoscale, whereas undamaged or sparsely damage regions are modeled on the macroscale. A crucial point in simulations with heterogeneous multiscale models is the coupling of sub-domains discretized on different length scales. The sub-domains differ not only in the size of the finite elements but also in the constitutive description. In this thesis, different methods for the coupling of non-matching discretizations - constraint equations, the mortar method and the arlequin method - are investigated and the application to heterogeneous multiscale models is presented. Another important point is the detection of critical regions. An adaptive solution procedure allowing the transfer of macroscale sub-domains to the mesoscale is proposed. In this context, several indicators which trigger the model adaptation are introduced. Finally, the application of the proposed adaptive heterogeneous multiscale approach in nonlinear simulations of concrete structures is presented.
N2  - Das nichtlineare Materialverhalten von Beton ist durch die Entwicklung von Mikrorissen innerhalb der heterogenen Materialstruktur gekennzeichnet. In dieser Arbeit wird ein Mesoskalenmodell entwickelt, welches die einzelnen Bestandteile der Materialstruktur explizit auflöst und somit die Simulation dieser Mikrorisse erlaubt. Dadurch können die wirklichen physikalischen Vorgänge, welche das komplexe nichtlineare Verhalten von Beton verursachen, durch relativ einfache Materialformulierungen abgebildet werden. Für Beton wird auf der Mesoskala ein 3-Phasenmodell vorgeschlagen, bestehend aus groben Zuschlägen, Mörtelmatrix und Übergangszone zwischen Zuschlag und Matrix. In diesem Zusammenhang wird ein effizienter Algorithmus vorgestellt, welcher ausgehend von einer gegebenen Sieblinie dreidimensionale Kornstrukturen mittels Ellipsoiden simuliert. Im Mesoskalenmodell wird das Zugversagen der Mörtelmatrix durch einen Kontinuumsansatz beschrieben. Um Netzabhängigkeiten, welche durch das Entfestigungsverhalten des Materials hervorgerufen werden, zu reduzieren, kommen nichtlokale Materialformulierungen zum Einsatz. Risse innerhalb der Übergangszone zwischen Zuschlag und Matrix werden, basierend auf einem kohäsiven Modell, mittels eines diskreten Rissansatzes abgebildet. Die Verwendung einer neuen Nebenbedingung innerhalb der Last-Verschiebungs-Zwangsmethode führt zu einer Stabilisierung des iterativen Lösungverfahrens, so dass eine effiziente Simulation von Snap-back Phänomenen möglich wird. Anhand von Beispielen wird gezeigt, dass Mesoskalenmodelle die stochastische Streuung von Ergebnissen und Maßstabseffekte abbilden können. Da auf der Mesoskala die Diskretisierung der inneren Materialstruktur erforderlich ist, steigt im Vergleich zu Simulationen auf der Makroskala der numerische Aufwand erheblich. Aufgrund der Komplexität des numerischen Modells sind Mesoskalensimulationen in der Regel auf kleine Probekörper beschränkt. In dieser Arbeit wird ein adaptiver heterogener Mehrskalenansatz vorgestellt, welcher die Verwendung von Mesoskalenmodellen in nichtlinearen Simulationen von Betonstrukturen erlaubt. In heterogenen Mehrskalenmodellen werden nur kritische Bereiche auf der Mesoskala aufgelöst, während ungeschädigte Bereiche auf der Makroskala abgebildet werden. Ein wichtiger Aspekt in Simulationen mit heterogenen Mehrskalenmodellen ist die Kopplung der auf unterschiedlichen Längenskalen diskretisierten Teilgebiete. Diese unterscheiden sich nicht nur in der Größe der finiten Elemente sondern auch in der Beschreibung des Materials. Verschiedene Methoden zur Kopplung nicht übereinstimmender Vernetzungen - Kopplungsgleichungen, die Mortar-Methode und die Arlequin-Methode - werden untersucht und ihre Anwendung in heterogenen Mehrskalenmodellen wird gezeigt. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Bestimmung kritischer Regionen. Eine adaptive Lösungsstrategie wird entwickelt, welche die Umwandlung von Makroskalengebieten auf die Mesoskala erlaubt. In diesem Zusammenhang werden Indikatoren vorgestellt, die eine Modellanpassung auslösen. Anhand nichtlinearer Simulationen von Betonstrukturen wird die Anwendung des vorgestellten adaptiven heterogenen Mehrskalenansatzes demonstriert.
T2  - Adaptive heterogene Mehrskalenmodelle zur nichtlinearen Simulation von Beton
T3  - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2010,1 
KW  - Beton
KW  - Mehrskalenanalyse
KW  - Finite-Elemente-Methode
KW  - Nichtlineare Finite-Elemente-Methode
KW  - Schadensmechanik
KW  - Mehrskalenmodell
KW  - Adaptives Verfahren
KW  - concrete
KW  - multiscale method
KW  - finite element method
KW  - continuum damage mechanics
KW  - adaptive simulation
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20100317-15023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schäffel, Patrick
T1  - Zum Einfluss schwindreduzierender Zusatzmittel und Wirkstoffe auf das autogene Schwinden und weitere Eigenschaften von Zementstein
T1  - About the influence of shrinkage reducing admixtures and active agents on the autogenous shrinkage and other properties of hardened cement paste
N2  - Seit Anfang der 80er Jahre stehen Zusatzmittel (engl. Shrinkage Reducing Admixture – SRA) der bauchemischen Industrie zur Verfügung, die das Schwinden von Zementstein und Beton reduzieren können. In der vorliegenden Arbeit wurden die Wirkungsmechanismen schwindreduzierender Zusatzmittel (SRA) und darin enthaltener Wirkstoffe in Zementstein systematisch untersucht. Es hat sich gezeigt, dass das autogene Schwinden von Zementstein wurde durch handelsübliche Schwindreduzierer und darin enthaltene Wirkstoffe im Alter von einem halben Jahr um bis zu 77 % reduziert. Durch Schwindreduzierer wurden in Bezug auf die jeweiligen Referenzproben ohne SRA die Anteile an Gelporen im Zementstein erhöht und die Anteile an Kapillarporen verringert. Gleichzeitig stellte sich in den Zementsteinen mit Schwindreduzierer bzw. den darin enthaltenen Wirkstoffen bei konservierender Lagerung eine höhere innere Ausgleichsfeuchte ein als in den jeweiligen Referenzproben ohne SRA. Die bisherige Annahme, die Abminderung des Schwindens durch SRA sei nur auf die Reduzierung der Oberflächenspannung der Porenlösung zurückzuführen, ist nur bedingt zutreffend. Während der Hydratation des Zements wird Wasser verbraucht und in Hydratphasen eingebaut. Hierbei reichern sich die SRA-Moleküle in der Porenlösung des Zementsteins an und verstärken die Spaltdruckwirkung der Porenlösung zwischen den Gelpartikeln. Dadurch wird das autogene Schwinden des Zementsteins vermindert.
N2  - From the beginning of the 1980s on Shrinkage Reducing Admixtures – SRA, which can reduce the shrinkage of hardened cement paste and concrete, are available for the industry of construction chemistry. In the present thesis the mechanisms of shrinkage reducing admixtures and their active agents of hardened cement paste were investigated systematically. It turned out that the autogenous shrinkage of hardened cement paste at the age of half a year could be reduced up to 77 % by using commercially available SRA and their active agents. By using SRA concerning the respective reference samples without SRA the proportion of gel pores in the hardened cement paste was higher and the proportion of capillary pores was lower. At the same time, sealed storage conditions given, a higher internal relative humidity occurred in the case of hardened cement paste with SRA and their active agents than in the respective reference samples without SRA. The present assumption that the reduction of shrinkage by using SRA can only be attributed to the decline of surface tension of the pore solution, is only limited correct. During the hydration of the cement water is consumed and integrated in hydrates. Here the SRA molecules in the pore solution of the hardened cement paste concentrate and enforce the disjoining pressure of the pore solution between the gel particles. Consequently, the autogenous shrinkage of hardened cement paste is reduced.
KW  - Schwinden
KW  - Zementstein
KW  - Porosität
KW  - Oberflächenspannung
KW  - Tensiometer
KW  - Porenwasser
KW  - Porenwasserdruck
KW  - Portlandzement
KW  - Hochofenzement
KW  - Wirkungsmechanismen
KW  - Portlandkalksteinzement
KW  - autogenes Schwinden
KW  - Zusatzmittel
KW  - Schwindreduzierer
KW  - innere relative Feuchte
KW  - Spaltdruck
KW  - action mechanism
KW  - portland limestone cement
KW  - autogenous shrinkage
KW  - admixture
KW  - shrinkage reducer
KW  - internal relative humidity
KW  - disjoining pressure
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20091007-14885
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwarz-Tatrin, Anja
T1  - Wirkmechanismen anorganischer Sekundärrohstoffe in silicatkeramischen Massen
N2  - Keramische Werkstoffe stellen bewährte, ästhetisch ansprechende und dauerhafte Baustoffe dar. Sie können als ökologisch wertvoll, gesund und wirtschaftlich eingestuft werden (Wagner et al. 1998)... Zum Einsatz von Sekundärrohstoffen in keramische Massen, d.h. zur Herstellung keramischer Erzeugnisse wurden bereits zahlreiche Untersuchungen durchgeführt. ... Die Zielstellung der vorliegenden Arbeit liegt daher in der umfassenden Beurteilung des Einsatzes von Sekundärrohstoffen in silikatkeramische Massen. Als Sekundärrohstoffe wurden Gesteins- sowie Glas- bzw. glashaltige Reststoffe unterschiedlicher Zusammensetzungen gewählt. ...
KW  - Wertstoff
KW  - Baustoff
KW  - Keramischer Baustoff
KW  - Sekundärrohstoff
KW  - keramische Masse
KW  - Wirkmechanismus
KW  - silikatkeramische Masse
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20090804-14836
ER  - 
TY  - THES
A1  - Abeltshauser, Rainer
T1  - Identification and separation of physical effects of coupled systems by using defined model abstractions
N2  - The thesis investigates at the computer aided simulation process for operational vibration analysis of complex coupled systems. As part of the internal methods project “Absolute Values” of the BMW Group, the thesis deals with the analysis of the structural dynamic interactions and excitation interactions. The overarching aim of the methods project is to predict the operational vibrations of engines.
Simulations are usually used to analyze technical aspects (e. g. operational vibrations, strength, ...) of single components in the industrial development. The boundary conditions of submodels are mostly based on experiences. So the interactions with neighboring components and systems are neglected. To get physically more realistic results but still efficient simulations, this work wants to support the engineer during the preprocessing phase by useful criteria.
At first suitable abstraction levels based on the existing literature are defined to identify structural dynamic interactions and excitation interactions of coupled systems. So it is possible to separate different effects of the coupled subsystems. On this basis, criteria are derived to assess the influence of interactions between the considered systems. These criteria can be used during the preprocessing phase and help the engineer to build up efficient models with respect to the interactions with neighboring systems. The method was developed by using several models with different complexity levels. Furthermore, the method is proved for the application in the industrial environment by using the example of a current combustion engine.
T2  - Identifikation und Separation physikalischer Effekte von gekoppelten Systemen mittels definierter Modellabstraktionen
T3  - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2017,1 
KW  - Strukturdynamik
KW  - Wechselwirkung
KW  - Schwingung
KW  - Berechnung
KW  - Numerische Berechnung
KW  - Modellbildung
KW  - Schwingungsanalyse
KW  - Simulationsprozess
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20170314-28600
ER  - 
TY  - THES
A1  - Higuchi, Shoko
T1  - Cost-Benefit Based Maintenance Optimization for Deteriorating Structures
N2  - In recent years increasingly consideration has been given to the lifetime extension of existing structures. This is based on the fact that a growing percentage of civil infrastructure as well as buildings is threatened by obsolescence and that due to simple monetary reasons this can no longer be countered by simply re-building everything anew. Hence maintenance interventions are required which allow partial or complete structural rehabilitation. However, maintenance interventions have to be economically reasonable, that is, maintenance expenditures have to be outweighed by expected future benefits. Is this not the case, then indeed the structure is obsolete - at least in its current functional, economic, technical, or social configuration - and innovative alternatives have to be evaluated. An optimization formulation for planning maintenance interventions based on cost-benefit criteria is proposed herein. The underlying formulation is as follows: (a) between maintenance interventions structural deterioration is described as a random process; (b) maintenance interventions can take place anytime throughout lifetime and comprise the rehabilitation of all deterioration states above a certain minimum level; and (c) maintenance interventions are optimized by taking into account all expected life-cycle costs (construction, failure, inspection and state-dependent repair costs) as well as state- or time-dependent benefit rates. The optimization is performed by an evolutionary algorithm. The proposed approach also allows to determine optimal lifetimes and acceptable failure rates. Numerical examples demonstrate the importance of defining benefit rates explicitly. It is shown, that the optimal solution to maintenance interventions requires to take action before reaching the acceptable failure rate or the zero expected net benefit rate level. Deferring decisions with respect to maintenance not only results, in general, in higher losses, but also results in overly hazardous structures.
N2  - Die Verlängerung der Nutzungsdauer bestehender Tragwerke hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dies liegt in der Tatsache begründet, dass ein nicht unerheblicher Anteil der Infrastruktur wie auch an Gebäuden durch Überalterung bedroht ist, und dass es aus rein wirtschaftlichen Gründen nicht länger möglich ist diesen Zustand durch Neubau zu entgegnen. Es sind also Instandhaltungsstrategien notwendig, die eine teilweise oder vollständige Revitalisierung von Tragwerken erlauben. Allerdings müssen diese Instandhaltungsstrategien auch einen volkswirtschaftlichen Sinn haben, das heißt die entsprechenden Aufwendungen müssen durch einen zukünftig zu erwartenden Nutzen aufgewogen werden. Ist dies nicht der Fall, so sind die Tragwerke in der Tat veraltet - zumindest in ihrer momentanen funktionellen, wirtschaftlichen, technischen oder gesellschaftlichen Bedeutung - und Alternativvorschläge müssen untersucht werden. In dieser Arbeit wird die Planung von Instandhaltungsmaßnahmen als Optimierungsaufgabe unter Verwendung von Kosten-Nutzen-Kriterien formuliert. Die zugrunde liegende Beschreibung ist wie folgt: (a) die Abnahme der Tragfähigkeit zwischen den Instandhaltungsmaßnahmen wird als Zufallsprozess beschrieben; (b) die Instandhaltungsmaßnahmen können jederzeit während der Nutzungsdauer stattfinden und bestehen in der Reparatur von Schadenszuständen eines gewissen Niveaus; (c) die Instandhaltungsmaßnahmen werden hinsichtlich aller Lebensdauerkosten (Errichtungs-, Versagens-, Inspektions- und schadensabhängiger Reparaturkosten) sowie des zustands- und zeitabhängigen Nutzens optimiert. Die Optimierung erfolgt mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus. Die vorgeschlagene Formulierung erlaubt darüber hinaus auch die Bestimmung von optimalen Nutzungsdauern und zulässigen Versagensraten. Die Rechenbeispiele weisen die Bedeutung einer expliziten Ausweisung des Nutzens aus. Es wird gezeigt, dass eine optimale Strategie für Instandhaltungsmaßnahmen ein aktiv werden vor Erreichen zulässiger Versagensraten oder dem Verschwinden des Nettonutzens je Zeiteinheit erfordert. Das Aufschieben von Entscheidungen bezüglich der Durchführung von Instandhaltungsmaßnahmen zieht in der Regel nicht nur höhere Folgekosten nach sich, sondern resultiert auch in Tragwerke mit unzulässig hohem Gefährdungspotential.
T2  - Kosten-Nutzen orientierte Optimierung von Instandhaltungsmaßnahmen für alternde Tragwerke
KW  - Kosten-Nutzen-Analyse
KW  - Zuverlässigkeitstheorie
KW  - Optimierung
KW  - Instandhaltung
KW  - Markov-Kette mit stetiger Zeit
KW  - Cost-Benefit Analysis
KW  - Reliability Theory
KW  - Optimization
KW  - Rehabilitation
KW  - Continuous-Time Markov Chain
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20080513-13616
ER  - 
TY  - THES
A1  - Will, Johannes
T1  - Beitrag zur Standsicherheitsberechnung im geklüfteten Fels in der Kontinuums- und Diskontinuumsmechanik unter Verwendung impliziter und expliziter Berechnungsstrategien
T1  - Structural safety analysis for jointed rock with continuum and discontinuum mechanics in implizit and explizit codes
KW  - Staumauer
KW  - Standsicherheit
KW  - Klüftung
KW  - Finite-Elemente-Methode
KW  - Diskrete-Elemente-Methode
KW  - Kontinuumsmechanik
KW  - Diskontinuumsmechanik
KW  - jointed rock
KW  - continuum mechanics
KW  - diskontinuum mechanics
Y1  - 1999
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20040310-613
ER  - 
TY  - THES
A1  - Unger, Jörg F.
T1  - Neural networks in a multiscale approach for concrete
N2  - From a macroscopic point of view, failure within concrete structures is characterized by the initiation and propagation of cracks. In the first part of the thesis, a methodology for macroscopic crack growth simulations for concrete structures using a cohesive discrete crack approach based on the extended finite element method is introduced. Particular attention is turned to the investigation of criteria for crack initiation and crack growth. A drawback of the macroscopic simulation is that the real physical phenomena leading to the nonlinear behavior are only modeled phenomenologically. For concrete, the nonlinear behavior is characterized by the initiation of microcracks which coalesce into macroscopic cracks. In order to obtain a higher resolution of this failure zones, a mesoscale model for concrete is developed that models particles, mortar matrix and the interfacial transition zone (ITZ) explicitly. The essential features are a representation of particles using a prescribed grading curve, a material formulation based on a cohesive approach for the ITZ and a combined model with damage and plasticity for the mortar matrix. Compared to numerical simulations, the response of real structures exhibits a stochastic scatter. This is e.g. due to the intrinsic heterogeneities of the structure. For mesoscale models, these intrinsic heterogeneities are simulated by using a random distribution of particles and by a simulation of spatially variable material parameters using random fields. There are two major problems related to numerical simulations on the mesoscale. First of all, the material parameters for the constitutive description of the materials are often difficult to measure directly. In order to estimate material parameters from macroscopic experiments, a parameter identification procedure based on Bayesian neural networks is developed which is universally applicable to any parameter identification problem in numerical simulations based on experimental results. This approach offers information about the most probable set of material parameters based on experimental data and information about the accuracy of the estimate. Consequently, this approach can be used a priori to determine a set of experiments to be carried out in order to fit the parameters of a numerical model to experimental data. The second problem is the computational effort required for mesoscale simulations of a full macroscopic structure. For this purpose, a coupling between mesoscale and macroscale model is developed. Representative mesoscale simulations are used to train a metamodel that is finally used as a constitutive model in a macroscopic simulation. Special focus is placed on the ability of appropriately simulating unloading.
N2  - Makroskopisch betrachtet kann das Versagen von Beton durch die Entstehung und das Wachstum von Rissen beschrieben werden. Im ersten Teil der Arbeit wird eine Methode zur Simulation der makroskopischen Rissentwicklung von Beton unter Verwendung von kohäsiven diskreten Rissen basierend auf der erweiterten Finiten Elemente Methode vorgestellt. Besondere Bedeutung liegt dabei auf der Untersuchung von Kriterien zur Rissentstehung und zum Risswachstum. Ein Nachteil von makroskopischen Simulationen liegt in der nur phänomenologischen Berücksichtigung der tatsächlichen Vorgänge. Nichtlineares Verhalten von Beton ist durch die Entstehung von Mikrorissen gekennzeichnet, die bei weiterer Belastung zu makroskopischen Rissen zusammenwachsen. Um die Versagenszone realitätsnah abbilden zu können, wurde ein Mesoskalenmodell von Beton entwickelt, welches Zuschläge, Matrix und Übergangszone zwischen beiden Materialien (ITZ) direkt abbildet. Hauptmerkmal sind die Simulation der Zuschläge nach einer Sieblinie, eine kohäsive Materialformulierung der ITZ und ein kombiniertes Model aus Schädigung und Plastizität für das Matrixmaterial. Im Gegensatz zu numerischen Simulationen ist die Systemantwort reeller Strukturen eine unscharfe Größe. Dies liegt u.a. an Heterogenitäten innerhalb der Struktur, die im Rahmen der Arbeit durch eine zufällige Verteilung der Zuschläge und über räumlich variierende Materialparameter unter Verwendung von Zufallsfeldern simuliert werden. Zwei Hauptprobleme sind bei den Mesoskalensimulationen aufgetreten. Einerseits sind Materialparameter auf der Mesoskala oft schwer zu bestimmen. Deswegen wurde eine Methode basierend auf Bayes neuronalen Netzen entwickelt, die eine Parameteridentifikation unter Verwendung von makroskopischen Versuchen erlaubt. Diese Methode ist aber universell anwendbar auf alle Parameteridentifikationsprobleme in numerischen Simulationen basierend auf experimentellen Daten. Der Ansatz liefert sowohl Informationen über den wahrscheinlichsten Parametersatz des Models zur numerischen Simulation eines Experiments als auch eine Einschätzung der Genauigkeit dieses Schätzers. Die Methode kann auch verwendet werden, um a priori einen Satz von Experimenten auszuwählen der notwendig ist, um die Parameter eines numerischen Modells zu bestimmen. Ein zweites Problem ist der numerische Aufwand von Mesoskalensimulationen für makroskopische Strukturen. Aus diesem Grund wurde eine Kopplungsstrategie zwischen Meso- und Makromodell entwickelt, bei dem repräsentative Simulationen auf der Mesoebene verwendet werden, um ein Metamodell zu generieren, welches dann die Materialformulierung in einer makroskopischen Simulation darstellt. Ein Fokus liegt dabei auf der korrekten Abbildung von Entlastungen.
T2  - Neuronale Netze in einem Multiskalenansatz für Beton
T3  - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2009,1 
KW  - Beton
KW  - Mehrskalenmodell
KW  - Mehrskalenanalyse
KW  - Neuronales Netz
KW  - Monte-Carlo-Simulation
KW  - Simulation
KW  - Monte-Carlo-Integration
KW  - Kontinuierliche Simul
KW  - Bayes neuronale Netze
KW  - Parameteridentification
KW  - Bayesian neural networks
KW  - parameter identification
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20090626-14763
ER  - 
TY  - THES
A1  - Marschetzky, Manuela
T1  - Einfluss von Alkalisalzen und Fließmitteln auf die Hydratation von Calciumsulfathalbhydrat
N2  - In der praktischen Anwendung werden den Calciumsulfatbindemitteln Kombinationen verschiedenster Zusätze beigegeben. Ein Verständnis für die Wirkungsweise der verschiedenen Zusätze wird folglich mit steigender Komplexität moderner Bindemittelrezepturen zunehmend wichtiger. In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen von Alkalisalzen und Fließmitteln auf die verschiedenen Phasen der Hydratation von Calciumsulfathalbhydrat systematisch analysiert und anschließend diskutiert.

Im ersten Teil der Arbeit wird gezeigt, dass Alkalisulfate und Alkalichloride die Hydratation von Calciumsulfathalbhydrat in unterschiedlicher Weise beeinflussen.  Die Beschleunigungswirkung der gleichionigen Zusätzen K2SO4 und Na2SO4 wird sowohl durch eine verbesserte Keimbildung als auch durch einen Anstieg der Kristallwachstumsgeschwindigkeit verursacht. Während Alkalisulfate die Dihydratkeimbildung begünstigen, wird diese bei Zugabe von KCl und NaCl verzögert. Ein Beschleunigungseffekt setzt erst später in der Phase des Kristallwachstums ein. Die Wirkung der zugegebenen Ionen lässt sich entsprechend der Hofmeister-Serie einordnen.

Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit präsentiert eine systematische Betrachtung der Wirkungsweise dreier Fließmittelgruppen im Calciumsulfatsystem (Polykondensat, Polycarboxylatether, Kammpolymer mit Phosphatgruppen). Untersuchungen zur Verflüssigungswirkung der Fließmittel zeigen, dass diese in der Reihenfolge Polykondensat < Polycarboxylatether < Kammpolymer mit Phosphatgruppen zunimmt. Eine direkte Korrelation zwischen Verflüssigungswirkung und Adsorptionsneigung besteht nicht. Neben den gewünschten Effekten weisen Fließmittel häufig auch eine Verzögerung der Hydratation des Bindemittels als unerwünschte Nebenwirkung auf. Ursächlich für diese fließmittelinduzierte Verzögerung ist eine Behinderung der Keimbildung und des Kristallwachstums. Untersuchungen zur Auflösung von Calciumsulfathalbhydrat zeigen eine Behinderung des Auflösungsprozesses in Anwesenheit der Fließmittel. Die Ergebnisse lassen eine partielle Belegung der Halbhydratoberflächen mit Fließmittelmolekülen vermuten. Die veränderte Morphologie der Dihydratkristalle verweist auf eine selektive Belegung der Dihydratoberflächen mit Fließmittelmolekülen.
KW  - Calciumsulfat
KW  - Alkalisulfate
KW  - Gips
KW  - Verflüssigung
KW  - Calciumsulfatbindemittel
KW  - Alkalisulfat
KW  - Fließmittel
KW  - Beschleuniger
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20131211-20861
SN  - 978-3-00-044319-0
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TY  - THES
A1  - Häfner, Stefan
T1  - Grid-based procedures for the mechanical analysis of heterogeneous solids
N2  - The importance of modern simulation methods in the mechanical analysis of heterogeneous solids is presented in detail. Thereby the problem is noted that even for small bodies the required high-resolution analysis reaches the limits of today's computational power, in terms of memory demand as well as acceptable computational effort. A further problem is that frequently the accuracy of geometrical modelling of heterogeneous bodies is inadequate. The present work introduces a systematic combination and adaption of grid-based methods for achieving an essentially higher resolution in the numerical analysis of heterogeneous solids. Grid-based methods are as well primely suited for developing efficient and numerically stable algorithms for flexible geometrical modeling. A key aspect is the uniform data management for a grid, which can be utilized to reduce the effort and complexity of almost all concerned methods. A new finite element program, called Mulgrido, was just developed to realize this concept consistently and to test the proposed methods. Several disadvantages which generally result from grid discretizations are selectively corrected by modified methods. The present work is structured into a geometrical model, a mechanical model and a numerical model. The geometrical model includes digital image-based modeling and in particular several methods for the theory-based generation of inclusion-matrix models. Essential contributions refer to variable shape, size distribution, separation checks and placement procedures of inclusions. The mechanical model prepares the fundamentals of continuum mechanics, homogenization and damage modeling for the following numerical methods. The first topic of the numerical model introduces to a special version of B-spline finite elements. These finite elements are entirely variable in the order k of B-splines. For homogeneous bodies this means that the approximation quality can arbitrarily be scaled. In addition, the multiphase finite element concept in combination with transition zones along material interfaces yields a valuable solution for heterogeneous bodies. As the formulation is element-based, the storage of a global stiffness matrix is superseded such that the memory demand can essentially be reduced. This is possible in combination with iterative solver methods which represent the second topic of the numerical model. Here, the focus lies on multigrid methods where the number of required operations to solve a linear equation system only increases linearly with problem size. Moreover, for badly conditioned problems quite an essential improvement is achieved by preconditioning. The third part of the numerical model discusses certain aspects of damage simulation which are closely related to the proposed grid discretization. The strong efficiency of the linear analysis can be maintained for damage simulation. This is achieved by a damage-controlled sequentially linear iteration scheme. Finally a study on the effective material behavior of heterogeneous bodies is presented. Especially the influence of inclusion shapes is examined. By means of altogether more than one hundred thousand random geometrical arrangements, the effective material behavior is statistically analyzed and assessed.
N2  - Die wichtige Bedeutung moderner Simulationsverfahren in der mechanischen Analyse heterogener Festkörper wird eingangs ausführlich dargestellt. Dabei wird als Problem festgestellt, dass die erforderliche hochauflösende Analyse bereits für relativ kleine Körper an die Grenzen heutiger Rechenleistung stößt, sowohl bezüglich Speicherbedarf als auch akzeptablen Rechenaufwands. Ein weiteres Problem stellt die häufig unzureichend genaue geometrische Modellierung der Zusammensetzung heterogener Körper dar. Die vorliegende Arbeit führt eine systematische Kombination und Anpassung von gitterbasierten Methoden ein, um dadurch eine wesentlich höhere Auflösung in der numerischen Analyse heterogener Körper zu erzielen. Gitterverfahren eignen sich ebenfalls ausgezeichnet, um effiziente und numerisch stabile Algorithmen zur flexiblen geometrischen Modellierung zu entwickeln. Ein Schlüsselaspekt stellt ein gleichmäßiges Datenmanagement für Gitter dar, welches dafür eingesetzt werden kann, um den Aufwand und die Komplexität von nahezu allen beteiligten Methoden zu reduzieren. Ein neues Finite-Elemente Programm, namens Mulgrido, wurde eigens dafür entwickelt, um das vorgeschlagene Konzept konsistent zu realisieren und zu untersuchen. Einige Nachteile, die sich klassischerweise aus Gitterdiskretisierungen ergeben, werden gezielt durch modifizierte Verfahren korrigiert. Die gegenwärtige Arbeit gliedert sich in ein geometrisches Modell, ein mechanisches Modell und ein numerisches Modell. Das geometrische Modell beinhaltet neben Methoden der digitalen Bildverarbeitung, insbesondere sämtliche Verfahren zur künstlichen Generierung von Einschluss-Matrix Geometrien. Wesentliche Beiträge werden bezüglich variabler Form, Größenverteilung, Überschneidungsabfragen und Platzierung von Einschlüssen geleistet. Das mechanische Modell bereitet durch Grundlagen der Kontinuumsmechanik, der Homogenisierung und der Schädigungsmodellierung auf eine numerische Umsetzung vor. Als erstes Thema des numerischen Modells wird eine besondere Umsetzung von B-Spline Finiten Elementen vorgestellt. Diese Finite Elemente können generisch für eine beliebige Ordnung k der B-Splines erzeugt werden. Für homogene Körper verfügen diese somit über beliebig skalierbare Approximationseigenschaften. Mittels des Konzepts mehrphasiger Finite Elemente in Kombination mit Übergangszonen entlang von Materialgrenzen gelingt eine hochwertige Erweiterung für heterogene Körper. Durch die Formulierung auf Elementebene, kann die Speicherung der globalen Steifigkeitsmatrix und somit wesentlicher Speicherplatz eingespart werden. Dies ist möglich in Kombination mit iterativen Lösungsverfahren, die das zweite Thema des numerischen Modells darstellen. Dabei liegt der Fokus auf Mehrgitterverfahren. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass die Anzahl der erforderlichen Operationen um ein lineares Gleichungssystem zu lösen, nur linear mit der Problemgröße ansteigt. Durch Vorkonditionierung wird für schlecht konditionierte Probleme eine ganz wesentliche Verbesserung erreicht. Als drittes Thema des numerischen Modells werden Aspekte der Schädigungssimulation diskutiert, die in engem Zusammenhang mit der Gitterdiskretisierung stehen. Die hohe Effizienz der linearen Analyse kann durch ein schädigungskontrolliertes, schrittweise lineares Iterationsschema für die Schädigungsanalyse aufrecht erhalten werden. Abschließend wird eine Studie über das effektive Materialverhalten heterogener Körper vorgestellt. Insbesondere wird der Einfluss der Form von Einschlüssen untersucht. Mittels insgesamt weit über hunderttausend zufälliger geometrischer Anordnungen wird das effektive Materialverhalten statistisch analysiert und bewertet.
T2  - Gitterbasierte Verfahren zur mechanischen Analyse heterogener Festkörper
KW  - B-Spline
KW  - Finite-Elemente-Methode
KW  - Mehrgitterverfahren
KW  - Homogenisieren
KW  - Schädigung
KW  - Festkörpermechanik
KW  - Numerische Mathematik
KW  - B-Spline Finite Elemente
KW  - Homogenisierung
KW  - mehrphasig
KW  - Lösungsverfahren
KW  - Modellierung
KW  - B-spline
KW  - finite element
KW  - multigrid
KW  - multiphase
KW  - effective properties
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20070830-9185
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brehm, Maik
T1  - Vibration-based model updating: Reduction and quantification of uncertainties
N2  - Numerical models and their combination with advanced solution strategies are standard tools for many engineering disciplines to design or redesign structures and to optimize designs with the purpose to improve specific requirements. As the successful application of numerical models depends on their suitability to represent the behavior related to the intended use, they should be validated by experimentally obtained results. If the discrepancy between numerically derived and experimentally obtained results is not acceptable, a model revision or a revision of the experiment need to be considered. Model revision is divided into two classes, the model updating and the basic revision of the numerical model. The presented thesis is related to a special branch of model updating, the vibration-based model updating. Vibration-based model updating is a tool to improve the correlation of the numerical model by adjusting uncertain model input parameters by means of results extracted from vibration tests. Evidently, uncertainties related to the experiment, the numerical model, or the applied numerical solving strategies can influence the correctness of the identified model input parameters. The reduction of uncertainties for two critical problems and the quantification of uncertainties related to the investigation of several nominally identical structures are the main emphases of this thesis. First, the reduction of uncertainties by optimizing reference sensor positions is considered. The presented approach relies on predicted power spectral amplitudes and an initial finite element model as a basis to define the assessment criterion for predefined sensor positions. In combination with geometry-based design variables, which represent the sensor positions, genetic and particle swarm optimization algorithms are applied. The applicability of the proposed approach is demonstrated on a numerical benchmark study of a simply supported beam and a case study of a real test specimen. Furthermore, the theory of determining the predicted power spectral amplitudes is validated with results from vibration tests. Second, the possibility to reduce uncertainties related to an inappropriate assignment for numerically derived and experimentally obtained modes is investigated. In the context of vibration-based model updating, the correct pairing is essential. The most common criterion for indicating corresponding mode shapes is the modal assurance criterion. Unfortunately, this criterion fails in certain cases and is not reliable for automatic approaches. Hence, an alternative criterion, the energy-based modal assurance criterion, is proposed. This criterion combines the mathematical characteristic of orthogonality with the physical properties of the structure by modal strain energies. A numerical example and a case study with experimental data are presented to show the advantages of the proposed energy-based modal assurance criterion in comparison to the traditional modal assurance criterion. Third, the application of optimization strategies combined with information theory based objective functions is analyzed for the purpose of stochastic model updating. This approach serves as an alternative to the common sensitivity-based stochastic model updating strategies. Their success depends strongly on the defined initial model input parameters. In contrast, approaches based on optimization strategies can be more flexible. It can be demonstrated, that the investigated nature inspired optimization strategies in combination with Bhattacharyya distance and Kullback-Leibler divergence are appropriate. The obtained accuracies and the respective computational effort are comparable with sensitivity-based stochastic model updating strategies. The application of model updating procedures to improve the quality and suitability of a numerical model is always related to additional costs. The presented innovative approaches will contribute to reduce and quantify uncertainties within a vibration-based model updating process. Therefore, the increased benefit can compensate the additional effort, which is necessary to apply model updating procedures.
N2  - Eine typische Anwendung von numerischen Modellen und den damit verbundenen numerischen Lösungsstrategien ist das Entwerfen oder Ertüchtigen von Strukturen und das Optimieren von Entwürfen zur Verbesserung spezifischer Eigenschaften. Der erfolgreiche Einsatz von numerischen Modellen ist abhängig von der Eignung des Modells bezüglich der vorgesehenen Anwendung. Deshalb ist eine Validierung mit experimentellen Ergebnissen sinnvoll. Zeigt die Validierung inakzeptable Unterschiede zwischen den Ergebnissen des numerischen Modells und des Experiments, sollte das numerische Modell oder das experimentelle Vorgehen verbessert werden. Für die Modellverbesserung gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten, zum einen die Kalibrierung des Modells und zum anderen die grundsätzliche Änderung von Modellannahmen. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Kalibrierung von numerischen Modellen auf der Grundlage von Schwingungsversuchen. Modellkalibrierung ist eine Methode zur Verbesserung der Korrelation zwischen einem numerischen Modell und einer realen Struktur durch Anpassung von Modelleingangsparametern unter Verwendung von experimentell ermittelten Daten. Unsicherheiten bezüglich des numerischen Modells, des Experiments und der angewandten numerischen Lösungsstrategie beeinflussen entscheidend die erzielbare Qualität der identifizierten Modelleingangsparameter. Die Schwerpunkte dieser Dissertation sind die Reduzierung von Unsicherheiten für zwei kritische Probleme und die Quantifizierung von Unsicherheiten extrahiert aus Experimenten nominal gleicher Strukturen. Der erste Schwerpunkt beschäftigt sich mit der Reduzierung von Unsicherheiten durch die Optimierung von Referenzsensorpositionen. Das Bewertungskriterium für vordefinierte Sensorpositionen basiert auf einer theoretischen Abschätzung von Amplituden der Spektraldichtefunktion und einem dazugehörigen Finite Elemente Modell. Die Bestimmung der optimalen Konfiguration erfolgt durch eine Anwendung von Optimierungsmethoden basierend auf genetischen Algorithmen und Schwarmintelligenzen. Die Anwendbarkeit dieser Methoden wurde anhand einer numerischen Studie an einem einfach gelagerten Balken und einem real existierenden komplexen Versuchskörper nachgewiesen. Mit Hilfe einer experimentellen Untersuchung wird die Abschätzung der statistischen Eigenschaften der Antwortspektraldichtefunktionen an diesem Versuchskörper validiert. Im zweiten Schwerpunkt konzentrieren sich die Untersuchungen auf die Reduzierung von Unsicherheiten, hervorgerufen durch ungeeignete Kriterien zur Eigenschwingformzuordnung. Diese Zuordnung ist entscheidend für Modellkalibrierungen basierend auf Schwingungsversuchen. Das am Häufigsten verwendete Kriterium zur Zuordnung ist das modal assurance criterion. In manchen Anwendungsfällen ist dieses Kriterium jedoch kein zuverlässiger Indikator. Das entwickelte alternative Kriterium, das energy-based modal assurance criterion, kombiniert das mathematische Merkmal der Orthogonalität mit den physikalischen Eigenschaften der untersuchten Struktur mit Hilfe von modalen Formänderungsarbeiten. Ein numerisches Beispiel und eine Sensitivitätsstudie mit experimentellen Daten zeigen die Vorteile des vorgeschlagenen energiebasierten Kriteriums im Vergleich zum traditionellen modal assurance criterion. Die Anwendung von Optimierungsstrategien auf stochastische Modellkalibrierungsverfahren wird im dritten Schwerpunkt analysiert. Dabei werden Verschiedenheitsmaße der Informationstheorie zur Definition von Zielfunktionen herangezogen. Dieser Ansatz stellt eine Alternative zu herkömmlichen Verfahren dar, welche auf gradientenbasierten Sensitivitätsmatrizen zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen beruhen. Deren erfolgreicher Einsatz ist abhängig von den Anfangswerten der Eingangsgrößen, wobei die vorgeschlagenen Optimierungsstrategien weniger störanfällig sind. Der Bhattacharyya Abstand und die Kullback-Leibler Divergenz als Zielfunktion, kombiniert mit stochastischen Optimierungsverfahren, erwiesen sich als geeignet. Bei vergleichbarem Rechenaufwand konnten ähnliche Genauigkeiten wie bei den Modellkalibrierungsverfahren, die auf Sensitivitätsmatrizen basieren, erzielt werden. Die Anwendung von Modellkalibrierungsverfahren zur Verbesserung der Eignung eines numerischen Modells für einen bestimmten Zweck ist mit einem Mehraufwand verbunden. Die präsentierten innovativen Verfahren tragen zu einer Reduzierung und Quantifizierung von Unsicherheiten innerhalb eines Modellkalibrierungsprozesses basierend auf Schwingungsversuchen bei. Mit dem zusätzlich generierten Nutzen kann der Mehraufwand, der für eine Modellkalibrierung notwendig ist, nachvollziehbar begründet werden.
T2  - Modellkalibrierung basierend auf Schwingungsversuchen: Reduzierung und Quantifizierung von Unsicherheiten
T3  - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2011,1 
KW  - Dynamik
KW  - Optimierung
KW  - Modellkalibrierung
KW  - Modezuordung
KW  - optimale Sensorpositionierung
KW  - model updating
KW  - mode pairing
KW  - optimal sensor positions
KW  - dissimilarity measures
KW  - optimization
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20110926-15553
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwedler, Michael
T1  - Integrated structural analysis using isogeometric finite element methods
N2  - The gradual digitization in the architecture, engineering, and construction industry over the past fifty years led to an extremely heterogeneous software environment, which today is embodied by the multitude of different digital tools and proprietary data formats used by the many specialists contributing to the design process in a construction project. Though these projects become increasingly complex, the demands on financial efficiency and the completion within a tight schedule grow at the same time. The digital collaboration of project partners has been identified as one key issue in successfully dealing with these challenges. Yet currently, the numerous software applications and their respective individual views on the design process severely impede that collaboration.

An approach to establish a unified basis for the digital collaboration, regardless of the existing software heterogeneity, is a comprehensive digital building model contributed to by all projects partners. This type of data management known as building information modeling (BIM) has many benefits, yet its adoption is associated with many difficulties and thus, proceeds only slowly. One aspect in the field of conflicting requirements on such a digital model is the cooperation of architects and structural engineers. Traditionally, these two disciplines use different abstractions of reality for their models that in consequence lead to incompatible digital representations thereof.

The onset of isogeometric analysis (IGA) promised to ease the discrepancy in design and analysis model representations. Yet, that initial focus quickly shifted towards using these methods as a more powerful basis for numerical simulations. Furthermore, the isogeometric representation alone is not capable of solving the model abstraction problem. It is thus the intention of this work to contribute to an improved digital collaboration of architects and engineers by exploring an integrated analysis approach on the basis of an unified digital model and solid geometry expressed by splines. In the course of this work, an analysis framework is developed that utilizes such models to automatically conduct numerical simulations commonly required in construction projects. In essence, this allows to retrieve structural analysis results from BIM models in a fast and simple manner, thereby facilitating rapid design iterations and profound design feedback.

The BIM implementation Industry Foundation Classes (IFC) is reviewed with regard to its capabilities of representing the unified model. The current IFC schema strongly supports the use of redundant model data, a major pitfall in digital collaboration. Additionally, it does not allow to describe the geometry by volumetric splines. As the pursued approach builds upon a unique model for both, architectural and structural design, and furthermore requires solid geometry, necessary schema modifications are suggested.

Structural entities are modeled by volumetric NURBS patches, each of which constitutes an individual subdomain that, with regard to the analysis, is incompatible with the remaining full model. The resulting consequences for numerical simulation are elaborated in this work. The individual subdomains have to be weakly coupled, for which the mortar method is used. Different approaches to discretize the interface traction fields are implemented and their respective impact on the analysis results is evaluated. All necessary coupling conditions are automatically derived from the related geometry model. 

The weak coupling procedure leads to a linear system of equations in saddle point form, which, owed to the volumetric modeling, is large in size and, the associated coefficient matrix has, due to the use of higher degree basis functions, a high bandwidth. The peculiarities of the system require adapted solution methods that generally cause higher numerical costs than the standard procedures for symmetric, positive-definite systems do. Different methods to solve the specific system are investigated and an efficient parallel algorithm is finally proposed.

When the structural analysis model is derived from the unified model in the BIM data, it does in general initially not meet the requirements on the discretization that are necessary to obtain sufficiently accurate analysis results. The consequently necessary patch refinements must be controlled automatically to allowfor an entirely automatic analysis procedure. For that purpose, an empirical refinement scheme based on the geometrical and possibly mechanical properties of the specific entities is proposed. The level of refinement may be selectively manipulated by the structural engineer in charge. Furthermore, a Zienkiewicz-Zhu type error estimator is adapted for the use with isogeometric analysis results. It is shown that also this estimator can be used to steer an adaptive refinement procedure.
T3  - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2016,2 
KW  - Finite-Elemente-Methode
KW  - NURBS
KW  - Isogeometrische Analyse
KW  - finite element method
KW  - isogeometric analysis
KW  - mortar method
KW  - building information modelling
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20170130-27372
ER  - 
TY  - THES
A1  - Marx, Steffen
T1  - Anwendung der mathematischen Optimierung bei der geometrisch und physikalisch nichtlinearen Analyse von Stahlbetontragwerken
N2  - Ausgehend von den klassischen Variationsprinzipien der Mechanik werden kinematische und gemischte Extremalprinzipe abgeleitet, die zur Beschreibung geometrisch und physikalisch nichtlinearen Tragverhaltens geeignet sind. Ein Schwerpunkt der Arbeit besteht in der Anwendung der Prinzipe zur Analyse und Bemessung von Stahlbeton-, Spannbeton- und Verbundquerschnitten. Aus einem einheitlichen Berechnungsmodell wird eine Vielzahl praxisrelevanter Problemstellungen abgeleitet. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Anwendung der kinematischen Extremalformulierung für die geometrisch und physikalisch nichtlineare Berechnung von Stabtragwerken.
N2  - Based on the classical variational principles, kinematical and mixed extremum principles are derived. These principles are used to describe geometrical and physical nonlinear behaviour. A first focus is the application of the principles to analyse and design prestresst reinforced concrete and combined cross-sections. Based on an uniform calculation model a number of various practical problems is dealt. A second point is the use of kinematical extremum problem for geometrical and physical nonlinear calculation of framed structures.
KW  - Stahlbetonkonstruktion
KW  - Nichtlineare Mechanik
KW  - Nichtlineare Optimierung
KW  - Extremalprinzip
KW  - Tragverhalten
KW  - Querschnittsanalyse
KW  - Bemessung
KW  - Variationsprinzip
KW  - Grenzlast
KW  - Reinforced concrete
KW  - geometrical nonlinear
KW  - physical nonlinear
KW  - mathematical programming
KW  - cross-section analysis
Y1  - 2000
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20040216-343
ER  -