TY - JOUR A1 - Lahmer, Tom T1 - FEM-Based determination of real and complex elastic, dielectric, and piezoelectric moduli in piezoceramic materials JF - IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control N2 - We propose an enhanced iterative scheme for the precise reconstruction of piezoelectric material parameters from electric impedance and mechanical displacement measurements. It is based on finite-element simulations of the full three-dimensional piezoelectric equations, combined with an inexact Newton or nonlinear Landweber iterative inversion scheme. We apply our method to two piezoelectric materials and test its performance. For the first material, the manufacturer provides a full data set; for the second one, no material data set is available. For both cases, our inverse scheme, using electric impedance measurements as input data, performs well. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Piezoelectric materials KW - Dielectric materials KW - Computational modeling KW - Frequency KW - Finite element methods KW - Manufacturing KW - Impedance measurement KW - Partial differential equations KW - Resonance KW - Resonanz Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20171030-36083 ER - TY - THES A1 - Cicek, Burhan A1 - Cancino, Pamela T1 - Küreken 2013. Entwerfen eines Dorfes aus Lehm N2 - Die Diskussionen in der Politik und in der Gesellschaft über Klimawandel, globale Erwärmung oder Nachhaltigkeit, die schon noch länger anhält, werden nie ein Ende finden, solange die Probleme, auf denen sie basiert, unlösbar bleiben. Vorgeschlagene Lösungen werden meist nicht richtig umgesetzt. Im Zusammenhang mit dieser Problematik steigt aber das Verantwortungsgefühl für bessere Zukunftsstrategien immer mehr. Die in den letzten Jahren vorgekommenen Umweltkatastrophen, wie im Golf von Mexiko (April 2010) oder im Fukushima (März 2011) die noch aktuell sind, zeigen, dass der Primärenergieeinsatz oder die Transportproblematik nicht mehr nur die Sorge der Entwicklungsländer, sondern auch der Industrieländer ist. Die Bauwelt mit ihrem erheblichen Energiebedarf spielt bei der Festlegung der Zukunftsstrategien eine große Rolle. Vor allem sind die Forschungen nach umweltfreundlichen Materialien, der Recyclebarkeit der eingesetzten Baumaterialien oder dem vernünftigen Nutzen der Naturressourcen die wichtigsten Schwerpunkte. In dieser Hinsicht bringt Lehm als Baumaterial viele Vorteile mit sich. Bei einem Artikel sagt der Lehmbauexperte Martin Rauch: “In heutiger Zeit und einem Kulturkreis, in dem Baugrund und Arbeitszeit unsere großen Kosten verursachen, findet der tradierte Lehmbau mit dem verbundenen großen Aufwand an menschlicher Arbeitszeit nur schwer seinen Platz. Über die Art der Bauweise wird auch die Entscheidung gefällt, wie und wo die Wertschöpfung erfolgt und ob der Einsatz des Budgets einen gesellschaftlichen Nutzen mit sich bringt. Im Vergleich zu einem Sichtbetonhaus können bei einem Stampflehmhaus 40% der Primärenergie ein gespart und dafür mehr lokale Arbeitsressourcen gebunden werden. Davon profitieren vor allem die lokalen Handwerker und mittelständischen Betriebe” Anatolien ist der Ort, wo man immer noch die tiefsten Wurzeln der Baukultur menschlicher Geschichte findet. Diese Baukultur, die in den vergangenen Jahrzehnten fast verlorengegangen ist, ist die Lehmbaukultur. In dieser Hinsicht beabsichtigt dieser Entwurf die Würde des Lehms in Anatolien wieder herzustellen und dadurch dessen Glaubwürdigkeit zurückzubringen. KW - Lehm KW - Lehmbau KW - stabilisierter Lehm KW - Stampflehm KW - Alker Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20240507-63568 ER - TY - THES A1 - Schrader, Kai T1 - Hybrid 3D simulation methods for the damage analysis of multiphase composites T1 - Hybride 3D Simulationsmethoden zur Abbildung der Schädigungsvorgänge in Mehrphasen-Verbundwerkstoffen N2 - Modern digital material approaches for the visualization and simulation of heterogeneous materials allow to investigate the behavior of complex multiphase materials with their physical nonlinear material response at various scales. However, these computational techniques require extensive hardware resources with respect to computing power and main memory to solve numerically large-scale discretized models in 3D. Due to a very high number of degrees of freedom, which may rapidly be increased to the two-digit million range, the limited hardware ressources are to be utilized in a most efficient way to enable an execution of the numerical algorithms in minimal computation time. Hence, in the field of computational mechanics, various methods and algorithms can lead to an optimized runtime behavior of nonlinear simulation models, where several approaches are proposed and investigated in this thesis. Today, the numerical simulation of damage effects in heterogeneous materials is performed by the adaption of multiscale methods. A consistent modeling in the three-dimensional space with an appropriate discretization resolution on each scale (based on a hierarchical or concurrent multiscale model), however, still contains computational challenges in respect to the convergence behavior, the scale transition or the solver performance of the weak coupled problems. The computational efficiency and the distribution among available hardware resources (often based on a parallel hardware architecture) can significantly be improved. In the past years, high-performance computing (HPC) and graphics processing unit (GPU) based computation techniques were established for the investigationof scientific objectives. Their application results in the modification of existing and the development of new computational methods for the numerical implementation, which enables to take advantage of massively clustered computer hardware resources. In the field of numerical simulation in material science, e.g. within the investigation of damage effects in multiphase composites, the suitability of such models is often restricted by the number of degrees of freedom (d.o.f.s) in the three-dimensional spatial discretization. This proves to be difficult for the type of implementation method used for the nonlinear simulation procedure and, simultaneously has a great influence on memory demand and computational time. In this thesis, a hybrid discretization technique has been developed for the three-dimensional discretization of a three-phase material, which is respecting the numerical efficiency of nonlinear (damage) simulations of these materials. The increase of the computational efficiency is enabled by the improved scalability of the numerical algorithms. Consequently, substructuring methods for partitioning the hybrid mesh were implemented, tested and adapted to the HPC computing framework using several hundred CPU (central processing units) nodes for building the finite element assembly. A memory-efficient iterative and parallelized equation solver combined with a special preconditioning technique for solving the underlying equation system was modified and adapted to enable combined CPU and GPU based computations. Hence, it is recommended by the author to apply the substructuring method for hybrid meshes, which respects different material phases and their mechanical behavior and which enables to split the structure in elastic and inelastic parts. However, the consideration of the nonlinear material behavior, specified for the corresponding phase, is limited to the inelastic domains only, and by that causes a decreased computing time for the nonlinear procedure. Due to the high numerical effort for such simulations, an alternative approach for the nonlinear finite element analysis, based on the sequential linear analysis, was implemented in respect to scalable HPC. The incremental-iterative procedure in finite element analysis (FEA) during the nonlinear step was then replaced by a sequence of linear FE analysis when damage in critical regions occured, known in literature as saw-tooth approach. As a result, qualitative (smeared) crack initiation in 3D multiphase specimens has efficiently been simulated. T3 - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2013,2 KW - high-performance computing KW - finite element method KW - heterogeneous material KW - domain decomposition KW - scalable smeared crack analysis KW - FEM KW - multiphase KW - damage KW - HPC KW - solver Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20131021-20595 ER - TY - THES A1 - Müller, Naira T1 - Erweiterung von Fliplife mit bauphysikalischen Inhalten N2 - In dieser Arbeit wurde ein Konzept erstellt, das Fliplife um einen bauphysikalischen Karriereweg erweitert. In das Spiel wurden beispielhaft bauphysikalische Inhalte sowie spielkonzept-kompatible und wissensvermittelnde Spielmechaniken implementiert. KW - Social Game KW - Bauphysik KW - Fliplife KW - Lernspiele KW - Digital Games Based Learning Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20120704-16763 ER - TY - THES A1 - Kühnert, Christin T1 - Entwicklung von Spielmechaniken für ein bauphysikalisches Social Game N2 - Eine der jüngsten Entwicklungen in der Games Branche sind sogenannte Social Games. Hierbei handelt es sich um digitale Spiele, die innerhalb von sozialen Netzwerken, wie z.B. Facebook und Myspace, gespielt werden. Studien zeigen, dass kommerzielle digitale Spiele mehr als nur ein Zeitvertreib sind. Sie fördern sowohl kognitive, als auch affektive und psychomotorische Kompetenzen. Aus diesem Grund werden seit Jahrzehnten digitale Spiele in der Pädagogik eingesetzt, um ihre Motivationskraft zu nutzen, um Lerneffekte zu erzielen. Ziel dieser Arbeit ist es Spielmechaniken für ein bauphysikalisches Social Game zu entwickeln. Ausgehend von der Identifikation von Spielmechaniken, basierend auf einer Analyse der Funktionsweisen existierender populärer Social Games, und einem grundlegenden pädagogischen Verständnis bezüglich Digital Game Based Learning (DGBL), werden Spielmechaniken entwickelt, mit deren Hilfe bauphysikalische Fachkompetenzen vermittelt werden können. KW - Computerunterstütztes Lernen KW - Lernspiel KW - Digital Game Based Learning Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20120117-15227 ER - TY - THES A1 - Seiffarth, Torsten T1 - Sorptionsverhalten von Cu2+ und NH4+ an Bentoniten unter Berücksichtigung von Nebengemengteilen sowie Strukturänderungen nach moderater Wärmebehandlung N2 - Bentonite sind quellfähige Tone, die häufig in der Umwelttechnik (in Abdichtungsbauwerken oder in der Bodensanierung) eingesetzt werden. Ziel der Arbeit war die Klärung, wie eine unterschiedliche Kationenbelegung mit Cu2+ und NH4+ die Eigenschaften der Bentonite bei Raumtemperatur und nach moderater Wärmebehandlung (300 – 450°C) beeinflusst. Im Blickpunkt stand insbesondere die gleichzeitige Präsenz von Kupfer- und Ammoniumionen, die als Vertreter für häufig auftretende Inhaltsstoffe von Wässern in der Umgebung von technischen Bentoniten ausgewählt wurden. Die Untersuchungen zur Cu2+-Sorption bei Raumtemperatur und nach moderater Wärmebehandlung (300 – 450°C) erfolgten an Pulverproben von zwei technischen Bentoniten, die sich in der ursprünglichen Kationenbelegung, Art und Anteil an Nebengemengteilen, sowie der Schichtladungsverteilung in den Montmorilloniten unterscheiden. Vor der Wärmebehandlung wurden die Bentonite durch Kontakt mit verschieden konzentrierten Kupfer- und Ammoniumlösungen mit unterschiedlichen Gehalten der Kationen Cu2+, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+ belegt. Der Eintrag von Kupferionen in die Bentonite durch Kationenaustausch bei Raumtemperatur wurde erwartungsgemäß durch präsente Nebengemengteile (wie Carbonat) beeinflusst, so dass die Kupferionen zusätzlich spezifisch adsorbiert und in festen Phasen angereichert wurden. Die Cu2+-Fixierung infolge der Wärmebehandlung wurde vom Cu2+-Totalgehalt in den Bentoniten, der Präsenz von Nebengemengteilen und die Schichtladungsverteilung in den Montmorilloniten beeinflusst. Es waren generell Behandlungstemperaturen von > 400°C erforderlich, um Cu2+-Fixierungsraten von > 95% zu erzielen. Waren während der Wärmebehandlung neben Cu2+-Ionen gleichzeitig NH4+-Ionen in den Bentoniten präsent, konnte die Cu2+-Fixierungstemperatur herabgesetzt werden. Die Deammonisierung (NH4+ --> NH3 + H+) der NH4+-belegten Bentonite fand größtenteils unterhalb der Dehydroxylierungstemperatur der Bentonite statt. Durch Untersuchungen (XRD, FTIR, NMR, ESR) zum Mechanismus der Cu2+-Einbindung in die Bentonite an speziell aufbereiteten Proben (carbonatfrei, < 2 µm) konnte nachgewiesen werden, dass in den Cu2+-belegten Montmorilloniten die Cu2+-Ionen infolge der Wärmebehandlung nicht bis in die Oktaederschicht der Tonminerale vordringen, sondern nur bis in die Tetraederschicht wandern. In den NH4+-belegten Montmorilloniten treten im Zusammenhang mit der Deammonisierung keine zusätzlichen Strukturänderungen (wie Auflösung der Oktaederschicht) infolge der Wärmebehandlung auf. KW - Bentonit KW - Montmorillonite KW - Kupfersilicate KW - Sorption KW - Wärmebehandlung KW - Kupferfixierung KW - Deammonisierung KW - Kationenaustausch KW - Ammonium-Ton KW - Mikrostruktur Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20130718-19791 ER - TY - THES A1 - Mai, Luu T1 - Structural Control Systems in High-speed Railway Bridges N2 - Structural vibration control of high-speed railway bridges using tuned mass dampers, semi-active tuned mass dampers, fluid viscous dampers and magnetorheological dampers to reduce resonant structural vibrations is studied. In this work, the addressed main issues include modeling of the dynamic interaction of the structures, optimization of the parameters of the dampers and comparison of their efficiency. A new approach to optimize multiple tuned mass damper systems on an uncertain model is proposed based on the H-infinity optimization criteria and the DK iteration procedure with norm-bounded uncertainties in frequency domain. The parameters of tuned mass dampers are optimized directly and simultaneously on different modes contributing significantly to the multi-resonant peaks to explore the different possible combinations of parameters. The effectiveness of the present method is also evaluated through comparison with a previous method. In the case of semi-active tuned mass dampers, an optimization algorithm is derived to control the magnetorheological damper in these semi-active damping systems. The use of the proposed algorithm can generate various combinations of control gains and state variables. This can lead to the improvement of the ability of MR dampers to track the desired control forces. An uncertain model to reduce detuning effects is also considered in this work. Next, for fluid viscous dampers, in order to tune the optimal parameters of fluid viscous dampers to the vicinity of the exact values, analytical formulae which can include structural damping are developed based on the perturbation method. The proposed formulae can also be considered as an improvement of the previous analytical formulae, especially for bridge beams with large structural damping. Finally, a new combination of magnetorheological dampers and a double-beam system to improve the performance of the primary structure vibration is proposed. An algorithm to control magnetorheological dampers in this system is developed by using standard linear matrix inequality techniques. Weight functions as a loop shaping procedure are also introduced in the feedback controllers to improve the tracking ability of magnetorheological damping forces. To this end, the effectiveness of magnetorheological dampers controlled by the proposed scheme, along with the effects of the uncertain and time-delay parameters on the models, are evaluated through numerical simulations. Additionally, a comparison of the dampers based on their performance is also considered in this work. T3 - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2014,3 KW - High-speed railway bridge KW - Control system KW - Passive damper KW - Semi-active damper KW - Railway bridges Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20141223-23391 SN - 1610-7381 ER - TY - JOUR A1 - Chen, Zhen A1 - Schwing, Moritz A1 - Karlovšek, Jurij A1 - Wagner, Norman A1 - Scheuermann, Alexander T1 - Broadband Dielectric Measurement Methods for Soft Geomaterials: Coaxial Transmission Line Cell and Open-Ended Coaxial Probe JF - International Journal of Engineering and Technology N2 - Broadband dielectric measurement methods based on vector network analyzer coupled with coaxial transmission line cell (CC) and open-ended coaxial probe (OC) are simply reviewed, by which the dielectric behaviors in the frequency range of 1 MHz to 3 GHz of two practical geomaterials are investigated. Kaolin after modified compaction with different water contents is measured by using CC. The results are consistent with previous study on standardized compacted kaolin and suggest that the dielectric properties at frequencies below 100 MHz are not only a function of water content but also functions of other soil state parameters including dry density. The hydration process of a commercial grout is monitored in real time by using OC. It is found that the time dependent dielectric properties can accurately reveal the different stages of the hydration process. These measurement results demonstrate the practicability of the introduced methods in determining dielectric properties of soft geomaterials. KW - Impedanzspektroskopie KW - Electromagnetic properties of porous materials KW - Koaxialkabel KW - Dielectric spectroscopy KW - open-ended coaxial probe KW - coaxial transmission line KW - real-time monitoring KW - physicochemical properties of geomaterials Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20210408-43984 UR - http://www.ijetch.org/index.php?m=content&c=index&a=show&catid=58&id=838 VL - 2014 IS - volume 6, number 5 SP - 373 EP - 380 ER - TY - THES A1 - Habtemariam, Abinet Kifle T1 - Numerical Demolition Analysis of a Slender Guyed Antenna Mast N2 - The main purpose of the thesis is to ensure the safe demolition of old guyed antenna masts that are located in different parts of Germany. The major problem in demolition of this masts is the falling down of the masts in unexpected direction because of buckling problem. The objective of this thesis is development of a numerical models using finite element method (FEM) and assuring a controlled collapse by coming up with different time setups for the detonation of explosives which are responsible for cutting down the cables. The result of this thesis will avoid unexpected outcomes during the demolition processes and prevent risk of collapsing of the mast over near by structures. KW - Abbruch KW - Finite-Elemente-Methode KW - Optimierung KW - Demolition KW - Guyed antenna masts KW - Explicit finite element method KW - Optimization Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20210723-44609 ER - TY - THES A1 - Krtschil, Anna T1 - Vergleich verschiedener Indikatoren in Bezug auf die Ökobilanz von Gebäuden N2 - Im Rahmen der Bachelorarbeit werden zwei Indikatoren zur Auswertung einer Ökobilanz gegenübergestellt. Die Umweltbelastungspunkte der Schweiz werden mit dem niederländischen ReCiPe verglichen. KW - Umweltbilanz KW - Ökobilanz KW - Umweltbelastungspunkte KW - ReCiPe KW - GaBi Software Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20150716-24340 ER - TY - THES A1 - Nguyen, Manh Hung T1 - µ-Hyperholomorphic Function Theory in R³: Geometric Mapping Properties and Applications N2 - This thesis applies the theory of \psi-hyperholomorphic functions dened in R^3 with values in the set of paravectors, which is identified with the Eucledian space R^3, to tackle some problems in theory and practice: geometric mapping properties, additive decompositions of harmonic functions and applications in the theory of linear elasticity. KW - mathematics KW - harmonic KW - quaternion KW - elasticity KW - geometry KW - Mathematik Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20150817-24477 ER - TY - THES A1 - Schöler, Axel T1 - Hydration of multi-component cements containing clinker, slag, type-V fly ash and limestone N2 - Problemstellung und Zielsetzung 1. Die Herstellung von Portlandzementklinker trägt zu etwa 5 bis 8 % zur jährlichen Emissionsmenge an menschlich generiertem CO2 bei. Dies ist begründet in der Verwendung von fossilen Brennstoffen (ca. 40 % des gesamten CO2) und in der Entsäuerung des stark kalksteinhaltigen Rohmehls (ca. 60 % des gesamten CO2). 2. Verschiedene Strategien zur Verringerung des Ausstoßes an CO2 werden angewandt. Dies sind insbesondere die Optimierung der Prozessführung bei der Klinkerherstellung, die Verwendung alternativer Brennstoffe und die teilweise Substitution des Klinkeranteils in Zementen mit mehreren Hauptbestandteilen durch Zementersatzstoffe, sogenannte SCM (supplementary cementitious materials), wobei Hüttensand, Flugasche und Kalksteinmehl die meist verwendeten Materialien darstellen. 3. Durch die Reduktion des Klinkeranteils können quaternäre Systeme nicht nur einen Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emissionen leisten. Ebenfalls ist es mit derartigen Systemen möglich Hüttensande und Flugaschen möglichst ökonomisch einzusetzen und gegebenenfalls auf Engpässe bei deren Verfügbarkeit zu reagieren. 4. Hüttensande und Flugaschen zeigen Ähnlichkeiten in ihrer prinzipiellen chemischen Zusammensetzung, so dass ähnliche Hydratphasen während ihrer Reaktion in Anwesenheit von Portlandzement gebildet werden können. Im Vergleich zu ternären Systemen, die neben Kalkstein auch Hüttensand oder Flugasche enthalten, kann bei quaternären Zementen, die neben Kalkstein sowohl Hüttensand als auch Flugasche enthalten, eine ähnliche Phasenentwicklung und damit auch ähnliche Festigkeitsentwicklung erwartet werden. 5. Die Verwendung von SCM als Zementersatzstoff ist durch die im Vergleich zu Portlandzement deutlich langsamere Reaktion und die dadurch bedingte ebenfalls langsamere Festigkeitsentwicklung begrenzt. Dies betrifft insbesondere die Entwicklung innerhalb der ersten 28 Tage. Dementsprechend ist es unerlässlich die Reaktivität von SCM wie Hüttensanden und Flugaschen eingehend zu untersuchen um die Reaktionsfähigkeit- und Geschwindigkeit und somit die Festigkeitsentwicklung zu steigern. 6. Die frühe Reaktion der Hauptklinkerphasen ist weitgehend untersucht und beschrieben, wobei entsprechende Studien meist hochverdünnte Modellsysteme betrachten. Jedoch gibt es kaum Hinweise inwiefern diese Erkenntnisse auf konzentrierte Systeme bei realistischen Wasser-Feststoff Verhältnissen übertragen werden können. Entsprechende Untersuchungen sind nötig um die Wechselwirkungen von Portlandzement und SCM in der Frühphase der Reaktion zu beschreiben. Stand der Wissenschaft 7. In verdünnten Systemen führt steigender Ca-Gehalt zu einer niedrigeren Auflösungsrate von C3S und C2S. 8. Bestimmende Faktoren der Auflösung von C3S sind sowohl die Untersättigung bezüglich C3S als auch die Übersättigung in Bezug auf C-S-H. 9. Erhöhte Al-Konzentrationen führen zur Verzögerung der Hydratation von C3S. Dies kann begründet sein durch die Einbindung von Al in C-S-H und eine dadurch bedingte deutlich langsamere Wachstumsrate von C-(A)-S-H. Ebenfalls scheint ein verzögernder Effekt von Al auf die Auflösung von C3S möglich. 10. Die Oberfläche von Kalkstein bietet besonders gute Bedingungen für die Keimbildung von C-S-H, so dass im Vergleich zu anderen SCM in Anwesenheit von Kalkstein deutlich mehr C-S-H Keime gebildet werden. 11. Die Reaktivität von Hüttensand und Flugasche wird einerseits durch die Korngrösse, andererseits jedoch auch durch die intrinsische Reaktivität des amorphen Anteils selbst bestimmt. 12. In amorphen (Calcium)Aluminosilikaten führt ein steigender Gehalt an Netzwerkmodifizierern, wie z.B. CaO, zu einem stärker depolymerisierten Glasnetzwerk und damit zu steigender Reaktivität. Die Wirkung von amphoteren Oxiden (Al2O3, Fe2O3) die sowohl als Netzwerkmodifizierer als auch als Netzwerkbildner auftreten können ist nicht vollständig geklärt. 13. CO2 haltige Monophasen besitzen im Vergleich zu Monosulfoaluminat eine höhere thermodynamische Stabilität, wodurch Ettringit stabilisiert wird. Durch das hohe spezifische Volumen von Ettringit wird ein Maximum an Raumausfüllung, dadurch eine geringere Porosität und in Folge ein Maximum an Festigkeit erreicht. 14. Kalkstein reagiert nur in geringem Ausmaß entsprechend dem zur Reaktion vorhandenen Al2O3, wobei sich zunächst Hemicarboaluminat, später Monocarboaluminat bildet. Dabei wird Al2O3 nicht nur durch den Portlandzement selbst, sondern auch durch die Auflösung von SCM, insbesondere von Flugasche, zur Verfügung gestellt. Methodik 15. Der Einfluss von SCM auf die frühe Hydratation von Portlandzement in binären (d.h. Hüttensand oder Flugasche oder Quarz) und ternären (d.h. Flugasche und Kalkstein) Systemen wurde mittels isothermer Kalorimetrie und Porenlösungsanalysen untersucht. Über die chemische Zusammensetzung der Porenlösung ermittelte Sättigungsindices und Löslichkeitsprodukte wurden in Bezug zur Wärmeentwicklung gesetzt. Basierend auf den ermittelten Daten wurde evaluiert, inwiefern Mechanismen die die Hydratation von reinen Klinkerphasen in verdünnten Systemen bestimmen ebenfalls in Zementpasten unter realistischen Bedingungen maßgebend sind. 16. Der Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die Reaktivität von Gläsern bei hohem pH (>13) wurde mittels Ionenchromatographie in hoch verdünnten Systemen untersucht. Puzzolanitätstests wurden an vereinfachten Modellsystemen sowie an Portlandzement-Glass-Systemen durchgeführt. Das Reaktionsverhalten der Gläser wurde über isotherme Kalorimetrie und thermogravimetrische Experimente untersucht. Über Massenbilanzkalkulationen kann der Gehalt an gebundenem Wasser in Funktion der Menge an reagiertem Glas berechnet werden. Ein Abgleich mit gebundenem Wasser bestimmt über thermogravimetrische Untersuchungen erlaubt es, den Reaktionsgrad der Gläser abzuschätzen. Zusätzliche Experimente mittels selektiver Lösung wurden zu Vergleichszwecken durchgeführt. 17. Die Reaktionskinetik von quaternären Pasten die sowohl Kalksteinmehl als auch Hüttensand und Flugasche enthalten wurden bis zum Alter von 28 Tagen mittels isothermer Kalorimetrie und Experimenten zum chemischen Schwinden untersucht. Ergänzend wurden Festigkeitsprüfungen an Mörtelprismen durchgeführt. 18. Quaternäre Pasten wurden ebenfalls hinsichtlich der gebildeten Hydratphasen bis zu einem Alter von 182 Tagen untersucht. Hierzu wurden basierend auf thermodynamischen Modellierungen volumetrische Berechnungen zum gesamten Phasenvolumen als Funktion des Kalkstein- und des Flugaschen- bzw. Hüttensandgehalts durchgeführt. Ergänzt durch thermogravimetrische Ermittlung des Gehalts an gebundenem Wasser und Portlandit, sowie mittels qualitativen röntgendiffraktometrischen Untersuchungen wurden die Ergebnisse der thermodynamischen Berechnungen mit der Festigkeitsentwicklung von Mörtelprismen abgeglichen. 19. Porenlösungen von quaternären Systemen wurden bis zu einem Alter von 728 Tagen mittels Ionenchromatographie und pH-Bestimmung analysiert. Über die ermittelten Konzentrationen wurden Sättigungsindices für relevante Phasen ermittelt. Im Hinblick auf den Einfluss des Hüttensandes wurden Porenlösungen für ausgewählte Systeme bei verschiedenen Hüttensandgehalten (20 und 30 M.%) bei 91 Tagen, sowie für die gesamten Matrix bis zu 91 Tagen, auf verschiedene Schwefelspecies untersucht. Im Wesentlichen erzielte Ergebnisse 20. Untersuchungen zur frühen Reaktionskinetik von binären Systemen zeigten einen stärkeren Wärmefluss in Anwesenheit von SCM, bedingt durch erhöhte für die Keimbildung zur Verfügung stehende Oberfläche sowie eine geringere (Über)Sättigung bezüglich C-S-H. Erhöhte Ca-Konzentrationen führten nicht zu langsamerer Auflösung von C3S, wie dies für reine Phasen bei hoher Verdünnung beobachtet wurde. Im Gegensatz zu Untersuchungen in Reinstsystemen führten höhere Ca-Konzentrationen nicht zu geringeren Reaktionsraten von C3S. Die schnellste Reaktion wurde bei Anwesenheit von Kalkstein, d.h. den höchsten Ca-Konzentrationen, beobachtet. Die grundsätzliche Reaktionscharakteristik zeigt einen inversen Bezug zur Untersättigung bezüglich C3S, wobei höhere Untersättigung zu schnellerer Reaktion führt. Wie ebenfalls in Reinstsystemen bei hoher Verdünnung beobachtet, führt die Anwesenheit von Aluminium zur Verzögerung der Reaktion. Höhere SO42–-Konzentrationen wurden in Anwesenheit von Flugasche beobachtet was die Ettringitausfällung verhinderte und zu höheren Al-Konzentrationen führt. Dieser Mechanismus führt zu höheren Al-Konzentrationen in Gegenwart von Quarz, Hüttensand und Kalkstein im Gegensatz zu Anwesenheit von Flugasche. 21. Die frühe Hydratation von quaternären Systemen wird in Anwesenheit von Kalkstein deutlich beschleunigt, während Flugasche zu einer Verzögerung führt. Im Gegensatz zu einem Referenzsystem mit inertem Quarz konnte mittels isothermer Kalorimetrie und chemischem Schwinden eine Reaktionsbeschleunigung in Anwesenheit von Hüttensand nachgewiesen werden. Weitere Zugaben an Flugasche, Kalkstein oder Mischungen von beiden führten zu einer weiteren Beschleunigung, wobei die Unterschiede zwischen diesen Materialien zu gering sind um eine klare Unterscheidung zu ermöglichen. 22. Bei allen zur Glasauflösung- bzw. Reaktivität durchgeführten Experimenten zeigten sich identische Trends, d.h. steigende Reaktivität und Auflösungsgeschwindigkeit mit steigendem Anteil an Netzwerkmodifizierern innerhalb der Glasstruktur. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass Al2O3 in sämtlichen betrachteten Glaszusammensetzungen vorwiegend als Netzwerkmodifizierer vorliegt. Die thermogravimetrische Bestimmung von gebundenem Wasser bei den Modellsystemen und den glashaltigen Zementen kann über Massenbilanzberechnungen als Funktion des Anteils an reagiertem Glas zur Abschätzung des Glasreaktionsgrades verwendet werden. 23. Zu frühen Zeiten von bis zu 7 Tagen hat der Anteil an Hüttensand, Flugasche oder Kalkstein keinen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeitsentwicklung. Zu späteren Zeiten wurde über thermodynamische Berechnungen ein Reaktionsgrad des enthaltenen CaCO3 (Calcit) von 2 bis 5 M.% ermittelt. Dies führt zur Bildung von Hemicarboaluminat und Monocarboaluminat wodurch Ettringit indirekt stabilisiert wird. In Folge ergibt sich ein höheres absolutes Volumen der gebildeten Hydratphasen und damit höhere Festigkeiten wie Festigkeitsuntersuchungen an Mörtelprismen zeigen. Dabei hängt der Reaktionsgrad des CaCO3 vom verfügbaren Al2O3 ab, welches neben dem Portlandzement selbst auch durch die Reaktion von Hüttensand, im Besonderen aber durch die Auflösung der Flugasche zur Verfügung steht. 24. Allgemein hat die Anwesenheit von Hüttensand und Flugasche in Gegenwart von Kalkstein wenig Einfluss auf die gebildeten Hydratphasen. Die sukzessive Substitution von Hüttensand durch Flugasche führt zu einer geringen Abnahme von Portlandit und C-S-H und begünstigt die Bildung von mehr Monocarboaluminat und Hemicarboaluminat. Portlandit reagiert puzzolanisch mit der Flugasche wobei sich C-S-H bildet. Dennoch führt die geringe Reaktivität der Flugasche zu geringerem Gehalt an C-S-H was wiederrum sinkendes gesamtes Hydratphasenvolumen und damit niedrigere Festigkeitswerte generiert. Allerdings ist der Einfluss gering und alle untersuchten Systeme erreichen die Festigkeitsklasse 42.5 N entsprechend EN 196-1. 25. Analog zur Hydratphasenbildung zeigten Untersuchungen der Porenlösungschemie von quaternären Systemen durchweg ähnliche Ergebnisse. Entsprechend dem Gehalt an Flugasche sind die stärksten Variationen in den Al-Konzentrationen zu verzeichnen, welche mit steigendem Gehalt an Flugasche und mit fortschreitender Hydratation ansteigen. Weiterhin ist zu späteren Zeiten Portlandit bei hohen Gehalten an Flugasche zusehends untersättigt, während die Untersättigung bezüglich Strätlingit abnimmt, was auf die Auflösung von Portlandit hinweist. 26. Der absolute Gehalt an SO3 in der Porenlösung wird dominiert von Sulfat (SO42–), während die Konzentrationen von Sulfit (SO32–) und Thiosulfat (S2O32–) sehr niedrig waren. Nach 2 Tagen lagen ca. 90 % des gesamten Schwefels in Form von SO42– vor. Nach 91 Tagen waren dies ca. 36 % während ca. 28 % als S2O32– vorlagen. Bei höheren Gehalten an Hüttensand sind dabei nach 7 Tagen höhere Konzentrationen an SO32– und S2O32– feststellbar. N2 - Problem definition and research objectives 1. The production of Portland cement clinker causes approx. 5% to 8% of the annual man-made CO2 emissions. This is due to the usage of mainly fossil fuel (approx. 40 % of the total CO2) and because of the decarbonation of limestone as a main component of the raw meal (approx. 60 % of the total CO2). 2. Various strategies are applied in order to reduce the green-house gas-emissions, such as optimizing the process of clinker production, the use of alternative fuel and the partial substitution of the clinker in blended cement by so-called SCM (supplementary cementitious materials). Hereby blast-furnace slag, fly ash and limestone are the most used materials. 3. Quaternary systems containing three SCM simultaneously besides Portland cement contribute to the reduction of CO2 emissions due to the decrease of the clinker content. In addition, such systems allow to use blast-furnace slag and fly ash in the most economical way and provide the possibility to account for shortages of SCM on the market. 4. Blast-furnace slag and fly ash show similarities in their principal chemical compositions such that similar hydrates are formed during their reaction in presence of Portland cement. Compared to ternary systems based on blast-furnace slag or fly ash besides limestone, quaternary systems that contain both, blast-furnace slag and fly ash, simultaneously besides limestone, are expected to perform similar in terms of phase assemblage and strength development. 5. The use of SCM as cement replacing materials is limited due to their generally slower reaction compared to neat cement which also leads to lower strength development, especially in the early stage of the hydration up to 28 d. To account for this it is necessary to study the reactivity of SCM such as blast-furnace slag and fly ash in detail in order to develop strategies to enhance the reactivity and thereby the strength development of SCM-containing systems. 6. The early hydration of clinker phases is studied in detail, mainly in diluted systems. It is unclear if processes that were found to control the reaction of such model systems are also prevailing in concentrated cement pastes under realistic water-to-solid ratios. Deeper insight to this aspect is needed to better understand interactions of neat Portland cement and SCM in the first hours of hydration. State-of-the-art 7. Increasing Ca-concentrations lead to decreasing dissolution rates of C3S and C2S in diluted systems. 8. The hydration kinetics of C3S is controlled by the interplay of undersaturation with respect to C3S and oversaturation with respect to C-S-H. 9. Increasing Al-concentrations lead to a retardation of the hydration of C3S. It is unclear if the uptake of aluminum in C-S-H to form C-(A)-S-H which has a significantly lower growth rate than pure C-S-H or a retarding effect of Al on the dissolution of C3S causes this phenomenon. 10. The surface of limestone provides excellent conditions for the nucleation and growth of C-S-H such that significantly more C-S-H nuclei are formed in presence of limestone compared to other SCM. 11. The reactivity of blast-furnace slag and fly ash depends on the particle size as well as on the intrinsic reactivity of especially the amorphous phases. 12. An increase in network modifying oxides (e.g. CaO) in the chemical composition of amorphous (calcium)aluminosilicates leads to an increasingly depolymerized network which in turn causes increasing reactivity. The role of amphoteric oxides (Al2O3, Fe2O3) that can be present as network modifying oxides as well as network forming oxides is not completely solved. 13. CO2-containing AFm-phases are thermodynamically more stable than monosulfoaluminate. This indirectly stabilizes the voluminous ettringite which causes a higher total volume of hydrates and lower porosity whereby higher compressive strength is reached. 14. Only a few percent of limestone in blended cement reacts chemically dependent on the Al2O3 available for reaction. Al2O3 that is provided by the reaction of Portland cement but also by the dissolution of SCM, especially by fly ash, reacts to form hemicarboaluminate which is transformed to monocarboaluminate as the hydration proceeds. Methodology 15. The influence of SCM on the early hydration of Portland cement in binary (including blast-furnace slag or fly ash or limestone or quartz) and ternary (including fly ash and limestone) systems was investigated applying isothermal calorimetry and analysis of the pore solution chemistry. Calculated saturation indices and solubility products of relevant phases were correlated with heat development. Based on the gained data it was reviewed if mechanisms that control the hydration of pure phases in diluted systems are also prevailing in cement pastes under realistic conditions. 16. The influence of the chemical composition of synthetic glasses on their dissolution at high pH was investigated in highly diluted systems using ion chromatography. Pozzolanity tests were conducted on pastes using simplified model systems and glass-blended Portland cements. The process of the glass dissolution was investigated by isothermal calorimetry and by thermogravimetry. Correlation of experimentally determined total bound water with bound water determined by mass balance calculations as a function of amount of glass reacted allowed to estimate the degree of glass reaction in the pastes. Further on selective dissolution experiments were carried out to crosscheck the results of the bound water/mass balance approach. 17. The reaction kinetics of quaternary pastes containing blast-furnace slag and fly ash simultaneously in the presence of limestone were investigated up to 28 d using isothermal calorimetry and chemical shrinkage measurements. In addition strength tests on mortar bars were carried out. 18. Pastes of quaternary blends were also investigated in terms of hydrate assemblage at ages of up to 182 d. Thermodynamic calculations regarding total volume of hydrates as a function of limestone and fly ash/blast-furnace slag content were conducted. The calculations were supported by thermogravimetric determination of bound water and portlandite content as well as qualitative X-ray diffraction. The results were correlated with strength tests on mortar bars. 19. The pore solutions of hydrated quaternary blends were extracted and investigated by means of ion chromatography at ages of up to 728 d. Based on the ion concentrations in the solutions saturation indices were calculated for relevant phases. In order to gain better insight to the blast-furnace slag reaction sulphate speciation was carried out at two blast furnace slag levels (20 and 30 wt.%) for selected samples up to 91 d of hydration and at 91 d for the whole matrix under investigation. Main results 20. Investigations on the early hydration kinetics of binary systems showed a higher heat flow in presence of SCM compared to neat Portland cement. This is caused by the higher surface area that is available for the nucleation of hydrates and by the lower (over)saturation with respect to C-S-H. An increase in the Ca-concentration in the pore solution did not cause lower dissolution rates of C3S as was reported for pure phases in diluted systems. The highest dissolution was observed in the presence of limestone, i.e. at the highest Ca-concentration. The general trend of the reaction rate is inversely related to the degree of undersaturation with respect to C3S. The more undersaturated the faster the observed reaction. The presence of increasing Al-concentrations caused a retardation of the reaction which is in line with investigations on pure phases in diluted systems. Higher sulphate concentrations could be detected for the fly ash containing blend which possibly hindered ettringite precipitation and results in higher Al-concentrations. Correspondingly the low sulphate concentrations lead to lower Al-concentrations in the presence of quartz, blast-furnace slag and limestone compared to fly ash. 21. The early hydration kinetics of quaternary systems is significantly accelerated in the presence of limestone while fly ash leads to retardation. Compared to reference systems containing inert quartz, investigations by means of isothermal calorimetry and chemical shrinkage revealed an acceleration caused by blast-furnace slag. Additions of fly ash, limestone or mixtures thereof introduced another acceleration but differences are too small to be significant and clear distinguishing between the various SCM is not possible. 22. Investigations on the reactivity of synthetic glasses showed that increasing amounts of network modifying oxides caused an increase in reactivity and dissolution rates. The results reveal that Al2O3 acts mainly as network modifying oxide in all investigated glasses. Experimentally determined bound water (thermogravimetric experiments) in model systems and blended cements can be compared with bound water determined by mass balance calculations carried out as a function of the amount of glass reacted. This enables to estimate the degree of glass reaction. 23. The actual content of blast-furnace slag, fly ash or limestone does not exert significant influence on the development of compressive strength up to 7 d. At later ages thermodynamic calculations predict a degree of CaCO3 reaction of 2 to 5 wt.%. This leads to the formation of hemicarbonate and monocarbonate whereby ettringite is indirectly stabilized. As a result the total amount of solids is increased and compressive strength shows a slight maximum. Hereby the degree of CaCO3 reaction depends on the Al2O3 available for reaction which is not only provided by the dissolution of Portland cement but especially by the dissolution of the fly ash. 24. In general the presence of blast-furnace slag and fly ash in the presence of limestone exerts little influence on the hydrate assemblage. The substitution of some of the blast-furnace slag by fly ash leads to a slight decrease of portlandite and C-S-H and gives rise to the formation of more monocarbonate and hemicarbonate. Portlandite is consumed in a pozzolanic reaction with the fly ash whereby C-S-H is formed. However, the low reactivity of the fly ash causes a decrease in the amount of C-S-H formed. Thereby a lower total volume of hydrates is generated which is in line with slightly lower compressive strength in case of increasing fly ash content. The overall influence is small and all systems investigated reach strength class 42.5 N according to EN 196-1. 25. Corresponding to the investigations of the hydrate assemblage the pore solution chemistry of quaternary systems showed only small variations. Depending on the fly ash content the highest variations are observed for aluminium, i.e. increasing fly ash content leads to higher Al-concentrations. Another effect of increasing fly ash contents is an increasing undersaturation with respect to portlandite and a decreasing undersaturation with respect to strätlingite indicating the dissolution of portlandite. 26. The total concentration of sulfur in the pore solution is controlled by sulphate (SO42–) while the concentrations of sulphite (SO32–) and thiosulphate (S2O32–) were very low. Up to 2 d of hydration about 90 % of the total sulphur is present as SO42–. After 91 d this value is reduced to about 36 % while about 28 % are present as S2O32–. In general higher blast-furnace slag content leads to higher concentrations of sulphite and thiosulphate after 7 d. KW - quaternary cement KW - supplementary cementitious materials KW - hydration kinetics KW - Thermodynamic modeling KW - degree of reaction KW - Hydrauliche Bindemittel Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20160705-26221 ER - TY - JOUR A1 - Kaps, Christian A1 - Schuch, Kai A1 - Stäblein, Stefan T1 - Silicate coatings for concrete components with waterglass systems by means of neutral salt initiation N2 - The objective of the investigations was the proof of the use of the neutral salt initiation as a construction material in the protecting silicate coating of concrete components, e.g. factory finished parts or reinforced concrete construction parts, by means of waterglass fused silica suspensions KW - Silicate KW - Coating KW - Wasserglas KW - Aggregation KW - Bindemittel KW - Waterglass KW - Alkalisilicate KW - Coating KW - Wasserglas KW - Sol-Gel Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20160601-25888 SP - 1 EP - 14 ER - TY - THES A1 - Amiri, Fatemeh T1 - Computational modelling of fracture with local maximum entropy approximations N2 - The key objective of this research is to study fracture with a meshfree method, local maximum entropy approximations, and model fracture in thin shell structures with complex geometry and topology. This topic is of high relevance for real-world applications, for example in the automotive industry and in aerospace engineering. The shell structure can be described efficiently by meshless methods which are capable of describing complex shapes as a collection of points instead of a structured mesh. In order to find the appropriate numerical method to achieve this goal, the first part of the work was development of a method based on local maximum entropy (LME) shape functions together with enrichment functions used in partition of unity methods to discretize problems in linear elastic fracture mechanics. We obtain improved accuracy relative to the standard extended finite element method (XFEM) at a comparable computational cost. In addition, we keep the advantages of the LME shape functions,such as smoothness and non-negativity. We show numerically that optimal convergence (same as in FEM) for energy norm and stress intensity factors can be obtained through the use of geometric (fixed area) enrichment with no special treatment of the nodes near the crack such as blending or shifting. As extension of this method to three dimensional problems and complex thin shell structures with arbitrary crack growth is cumbersome, we developed a phase field model for fracture using LME. Phase field models provide a powerful tool to tackle moving interface problems, and have been extensively used in physics and materials science. Phase methods are gaining popularity in a wide set of applications in applied science and engineering, recently a second order phase field approximation for brittle fracture has gathered significant interest in computational fracture such that sharp cracks discontinuities are modeled by a diffusive crack. By minimizing the system energy with respect to the mechanical displacements and the phase-field, subject to an irreversibility condition to avoid crack healing, this model can describe crack nucleation, propagation, branching and merging. One of the main advantages of the phase field modeling of fractures is the unified treatment of the interfacial tracking and mechanics, which potentially leads to simple, robust, scalable computer codes applicable to complex systems. In other words, this approximation reduces considerably the implementation complexity because the numerical tracking of the fracture is not needed, at the expense of a high computational cost. We present a fourth-order phase field model for fracture based on local maximum entropy (LME) approximations. The higher order continuity of the meshfree LME approximation allows to directly solve the fourth-order phase field equations without splitting the fourth-order differential equation into two second order differential equations. Notably, in contrast to previous discretizations that use at least a quadratic basis, only linear completeness is needed in the LME approximation. We show that the crack surface can be captured more accurately in the fourth-order model than the second-order model. Furthermore, less nodes are needed for the fourth-order model to resolve the crack path. Finally, we demonstrate the performance of the proposed meshfree fourth order phase-field formulation for 5 representative numerical examples. Computational results will be compared to analytical solutions within linear elastic fracture mechanics and experimental data for three-dimensional crack propagation. In the last part of this research, we present a phase-field model for fracture in Kirchoff-Love thin shells using the local maximum-entropy (LME) meshfree method. Since the crack is a natural outcome of the analysis it does not require an explicit representation and tracking, which is advantageous over techniques as the extended finite element method that requires tracking of the crack paths. The geometric description of the shell is based on statistical learning techniques that allow dealing with general point set surfaces avoiding a global parametrization, which can be applied to tackle surfaces of complex geometry and topology. We show the flexibility and robustness of the present methodology for two examples: plate in tension and a set of open connected pipes. KW - Fracture mechanics KW - Local maximum entropy approximants KW - PU Enrichment method KW - Phase-field model KW - Thin shell KW - Kirchoff--love theory Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20160719-26310 ER - TY - THES A1 - Nanthakumar, S.S. T1 - Inverse and optimization problems in piezoelectric materials using Extended Finite Element Method and Level sets T1 - Inverse und Optimierungsprobleme für piezoelektrische Materialien mit der Extended Finite Elemente Methode und Level sets N2 - Piezoelectric materials are used in several applications as sensors and actuators where they experience high stress and electric field concentrations as a result of which they may fail due to fracture. Though there are many analytical and experimental works on piezoelectric fracture mechanics. There are very few studies about damage detection, which is an interesting way to prevent the failure of these ceramics. An iterative method to treat the inverse problem of detecting cracks and voids in piezoelectric structures is proposed. Extended finite element method (XFEM) is employed for solving the inverse problem as it allows the use of a single regular mesh for large number of iterations with different flaw geometries. Firstly, minimization of cost function is performed by Multilevel Coordinate Search (MCS) method. The XFEM-MCS methodology is applied to two dimensional electromechanical problems where flaws considered are straight cracks and elliptical voids. Then a numerical method based on combination of classical shape derivative and level set method for front propagation used in structural optimization is utilized to minimize the cost function. The results obtained show that the XFEM-level set methodology is effectively able to determine the number of voids in a piezoelectric structure and its corresponding locations. The XFEM-level set methodology is improved to solve the inverse problem of detecting inclusion interfaces in a piezoelectric structure. The material interfaces are implicitly represented by level sets which are identified by applying regularisation using total variation penalty terms. The formulation is presented for three dimensional structures and inclusions made of different materials are detected by using multiple level sets. The results obtained prove that the iterative procedure proposed can determine the location and approximate shape of material subdomains in the presence of higher noise levels. Piezoelectric nanostructures exhibit size dependent properties because of surface elasticity and surface piezoelectricity. Initially a study to understand the influence of surface elasticity on optimization of nano elastic beams is performed. The boundary of the nano structure is implicitly represented by a level set function, which is considered as the design variable in the optimization process. Two objective functions, minimizing the total potential energy of a nanostructure subjected to a material volume constraint and minimizing the least square error compared to a target displacement, are chosen for the numerical examples. The numerical examples demonstrate the importance of size and aspect ratio in determining how surface effects impact the optimized topology of nanobeams. Finally a conventional cantilever energy harvester with a piezoelectric nano layer is analysed. The presence of surface piezoelectricity in nano beams and nano plates leads to increase in electromechanical coupling coefficient. Topology optimization of these piezoelectric structures in an energy harvesting device to further increase energy conversion using appropriately modified XFEM-level set algorithm is performed . KW - Finite-Elemente-Methode KW - Piezoelectricity KW - Inverse problems KW - Optimization problems KW - Nanostructures KW - XFEM KW - level set method KW - Surface effects Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20161128-27095 ER - TY - JOUR A1 - Dressel, Dennys T1 - Reaktivität von Hüttensand : Thermodynamische Grundlagen und Anwendung N2 - Die thermodynamischen Grundlagen der Hydratation von Hüttensand als Hauptbestandteil von Zementen werden erforscht. Hierbei werden thermodynamische Bildungs- und Reaktionsdaten experimentell bestimmt und berechnet. Darüber hinaus wird der Prozess der Feststoffauflösung von Hüttensand in wässrigen Lösungen untersucht. Lösungs- und Fällungsprozesse werden unter verschiedenen Konditionen gemessen, ausgewertet und diskutiert. Die Ergebnisse werden im weiteren Verlauf zur Bestimmung der Hydratationsgrades in Pasten sowie zum besseren Verständnis in der Wechselwirkung zwischen Hüttensanden und Mahlhilfsstoffen genutzt und angewandt. KW - Hüttensand KW - Thermodynamik Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20160829-26778 ER - TY - JOUR A1 - Schuch, Kai A1 - Kaps, Christian T1 - Maturation and Structure Formation Processes in Binders with Aqueous Alkali-Silicate Solutions N2 - Maturation and structure formation processes can lead to crack formation in silicate and aluminosilicate binders (e.g. for coating materials...) through restricted deformation, loss of strength and thus to loss of durability. These processes are evaluated with silicate materials with an outlook on aluminosilicate binders. KW - Waterglass KW - Silicate KW - Aluminosilicate KW - Geopolymer KW - Alkalisilicate KW - Aggregation KW - Geopolymer KW - Aluminosilicate KW - Coating Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20170907-35979 N1 - First published in german language 28.07.2017 SP - 1 EP - 16 ER - TY - THES A1 - Peters, Simone T1 - The Influence of Power Ultrasound on Setting and Strength Development of Cement Suspensions N2 - Ein aktuelles Thema in der Forschung der Betonindustrie ist die gezielte Steuerung des Erstarrens und der Entwicklung der (Früh)Festigkeit von Betonen und Mörteln. Aus ökonomischer Sicht sind außerdem die Reduktion der CO2-Emission und die Schonung von Ressourcen und Energie wichtige Forschungsschwerpunkte. Eine Möglichkeit zum Erreichen dieser Ziele ist es, die Reaktivität/Hydratation der silikatischen Klinkerphasen gezielt anzuregen. Neben den bereits bekannten Möglichkeiten der Hydratationsbeschleunigung (u.a. Wärmebehandlung, Zugabe von Salzen) bietet die Anwendung von Power-Ultraschall (PUS) eine weitere Alternative zur Beschleunigung der Zementhydratation. Da bis zum jetzigen Zeitpunkt noch keine Erfahrungen zum Einsatz von PUS in der Zementchemie vorliegen, sollen mit der vorliegenden Arbeit grundlegende Kenntnisse zum Einfluss von PUS auf das Fließ- und Erstarrungsverhalten von Zementsuspensionen erarbeitet werden. Dazu wurde die Arbeit in fünf Hauptuntersuchungsabschnitte aufgeteilt. Im ersten Teil wurden optimale PUS-Parameter wie Amplitude und Energieeintrag ermittelt, die eine effiziente Beschleunigung der Portlandzement(CEM I)hydratation bei kurzen Beschallzeiten und begrenzter Zementleimtemperaturerhöhung erlauben. Mit Hilfe unabhängiger Untersuchungsmethoden (Bestimmung des Erstarrungsbeginns, der Festigkeitsentwicklung, zerstörungsfreier Ultraschallprüfung, isothermer Wärmeflusskalorimetrie, hochauflösender Rasterelektronmikroskopie (REM) wurde die Wirkung von PUS auf den Hydratationsverlauf von CEM I-Suspensionen charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Behandlung von CEM I-Suspensionen mit PUS grundsätzlich ein beschleunigtes Erstarren und eine beschleunigte (Früh)Festigkeitsentwicklung hervorruft. Anhand von REM-Untersuchungen konnte eindeutig nachgewiesen werden, dass die Beschleunigung der CEM I-Hydratation mit einer beschleunigten Hydratation der Hauptklinkerphase Alit korreliert. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden die Ursachen der Aktivierung der Alithydratation untersucht. Dazu wurden Untersuchungen an Einzelsystemen des CEM I (silikatische Klinkerphase) durchgeführt. Es ist bekannt, das die Hydratation der Hauptklinkerphase Alit (in der reinen Form Tricalciumsilikat 3CaO*SiO2; C3S) durch Lösungs-/Fällungsreaktionen (Bildung von Calcium-Silikat-Hydrat Phasen, C-S-H Phasen) bestimmt wird. Mit Hilfe von Untersuchungen zur Auflösung (C3S) und Kristallbildung (C-S-H Phasen) in Lösungen und Suspensionen (Aufzeichnung der elektrischen Leitfähigkeit sowie Bestimmung der Ionenkonzentrationen der wässrigen Phase, REM-Charakterisierung der Präzipitate) wurde die Beeinflussung dieser durch eine PUS-Behandlung charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in partikelfreien Lösungen (primäre Keimbildung) eine PUS-Behandlung keinen Einfluss auf die Kinetik der Kristallisation von C-S-H Phasen hervorruft. Das heißt, auch die durch PUS eingetragene Energie reicht offensichtlich nicht aus, um in Abwesenheit von Oberflächen die C-S-H Phasen Bildung zu beschleunigen. Das weist darauf hin, dass die Bildung von C-S-H Phasen nicht durch eine Beschleunigung von Ionen in der Lösung (erhöhte Diffusion durch Anwendung von PUS) hervorgerufen wird. Eine Beschleunigung des Kristallisationsprozesses (Keimbildung und Wachstum von C-S-H Phasen) durch PUS wird nur in Anwesenheit von Partikeln in der Lösung (Suspension) erzielt. Das belegen Ergebnisse, bei denen die Bildung erster C-S-H Phasen bei geringer Übersättigung (heterogene Keimbildung, in Anwesenheit von Oberflächen) erfolgt. Unter diesen Bedingungen konnte gezeigt werden, dass PUS innerhalb der ersten 30 Minuten der Hydratation eine erhöhte Fällung von ersten C-S-H Phasen bewirkt. Diese fungieren dann vermutlich während der Haupthydratation als Keim bzw. geeignete Oberfläche zum beschleunigten Aufwachsen von weiteren C-S-H Phasen. Weiterhin ist vorstellbar, dass (in Analogie zu anderen Bereichen der Sonochemie) PUS durch Kavitation Schockwellen hervorruft, welche Partikel und wässriges Medium beschleunigen und damit erhöhte Partikelbewegungen und -kollisionen induziert. Dies wiederum bewirkt, dass die anfänglich auf der C3S-Oberfläche gebildeten C-S-H Phasen teilweise wieder entfernt werden. Damit ist das Inlösunggehen von Ca- und Si-Ionen aus dem C3S weiterhin möglich. Um den genauen Mechanismus weiter zu charakterisieren sollten mit geeigneten Methoden weitere Untersuchungen durchgeführt werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss von PUS auf das Fließverhalten von CEM I-Suspensionen untersucht. Aus der Anwendung von PUS in anderen technischen Bereichen sind unter anderem Effekte wie das Entlüften, das Homogenisieren und das Dispergieren von Suspensionen und Emulsionen mittels PUS bekannt. Mit Hilfe der Bestimmung des Luftporengehaltes, Sedimentationsversuchen und cryo-SEM Untersuchungen wurde der Einfluss von PUS auf CEM I-Suspensionen charakterisiert. Die Ergebnisse belegen, dass durch PUS eine verbesserte Homogenität und Dispergierung der CEM I-Suspension erzielt wird. Damit wird für CEM I-Suspensionen unterschiedlichster w/z-Werte eine verbesserte Fließfähigkeit festgestellt. Ergebnisse der Bestimmung von Ausbreitmaßen und Trichterauslaufzeiten zeigen, dass PUS einen direkten Einfluss vor allem auf die Viskosität der CEM I-Suspensionen besitzt. Werden Fließmitteln (FM) der CEM I-Suspension zugegeben, wird nicht in jedem Fall eine verbesserte Fließfähigkeit festgestellt. Hier scheint unter bestimmten Voraussetzungen (w/z-Wert, FM-Gehalt, PUS) die Reaktion zwischen Aluminat- und Sulfatphase des Klinkers gestört. Zur eindeutigen Klärung dieses Sachverhaltes bedarf es jedoch weiterer quantitativer Untersuchungen zum Reaktionsumsatz. Im dritten Teil der Arbeit wurden die am CEM I gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss von PUS auf die Hydratation an Portland-Hüttensand(HÜS)-Zement-Systemen verifiziert. Dafür wurden auch in diesem Teil der Arbeit zunächst die optimalen PUS-Parameter festgelegt und der Einfluss auf das Erstarrung- und Erhärtungsverhalten dokumentiert. Untersuchungsmethoden sind unter anderem die Bestimmung des Erstarrungsbeginns und der (Früh)Festigkeitsentwicklung, Temperaturaufzeichnungen und isothermale Wärmeflusskalorimetrie sowie REM. Die Ergebnisse zeigen, dass auch die Reaktion von HÜS-Zementen durch PUS beschleunigt wird. Weiterführende Untersuchungen belegen, dass die erzielte Beschleunigung vorwiegend auf der Beschleunigung der Alitkomponente des CEM I beruht. Im Fokus der Teile vier und fünf dieser Arbeit stand die Anwendbarkeit der PUS-Technik unter praktischen Bedingungen. Zum einen wurde die Anwendbarkeit von PUS in fertig gemischten Mörteln beurteilt. Anhand des Vergleichs wichtiger Frisch- und Festmörteleigenschaften unterschiedlich hergestellter Mörtel (beschallt im Anschluss an konventionelle Mischtechnik, beschallt im Anschluss an Suspensionsmischtechnik mit anschließender Zumischung der Gesteinskörnung und nicht beschallt) wird gezeigt, dass im Fall von Mörteln mit hohem Leimanteil eine durch PUS induzierte beschleunigte Festigkeitsentwicklung auch mit herkömmlichen Mischabläufen (ohne aufwendige Umstellung des Mischprozesses) möglich ist. Abschließend wird untersucht, ob der Herstellungsprozess von Wandbauteilen im Fertigteilwerk durch den Einsatz von PUS optimiert werden kann und ob eine Einbindung der PUS-Technik in den Fertigungsprozess ohne größeren Aufwand möglich ist. Dazu wurden in einem ersten Schritt die Frisch- und Festbetoneigenschaften eines aktuell angewendeten selbstverdichtenden Betons im Labormaßstab (Mörtel) in Abhängigkeit einer PUS-Behandlung dokumentiert und mit der seiner unbeschallten Referenz verglichen. Aufgrund der durch PUS verursachten verbesserten Fließ- und Festigkeitseigenschaften kann die beschallte Mörtelrezeptur hinsichtlich Fließmittelgehalt und Dauer der Wärmebehandlung optimiert werden. Somit werden ca. 30 % der Fließmittelzugabe und 40 % der Dauer der Wärmebehandlung eigespart. Eine Einbindung der PUS-Technik in das betrachtete Fertigteilwerk ist nach Überprüfung der konstruktiven Gegebenheiten der Fertigungsstrukturen ohne größeren Aufwand möglich. KW - Cement KW - Power Ultrasound KW - Acceleration KW - Tricalcium silicate Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20170210-27446 SN - ISBN 978-3-00-055602-9 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 - Stäudel, Jürgen T1 - Development, Implementation and Operation of Integrated Sanitation Systems Based on Material-Flows – Integrated Sanitation in the City of Darkhan, Mongolia - A Practicable Example N2 - The world society faces a huge challenge to implement the human right of “access to sanitation”. More and more it is accepted that the conventional approach towards providing sanitation services is not suitable to solve this problem. This dissertation examines the possibility to enhance “access to sanitation” for people who are living in areas with underdeveloped water and wastewater infrastructure systems. The idea hereby is to follow an integrated approach for sanitation, which allows for a mutual completion of existing infrastructure with resource-based sanitation systems. The notion “integrated sanitation system (iSaS)” is defined in this work and guiding principles for iSaS are formulated. Further on the implementation of iSaS is assessed at the example of a case study in the city of Darkhan in Mongolia. More than half of Mongolia’s population live in settlements where yurts (tents of Nomadic people) are predominant. In these settlements (or “ger areas”) sanitation systems are not existent and the hygienic situation is precarious. An iSaS has been developed for the ger areas in Darkhan and tested over more than two years. Further on a software-based model has been developed with the goal to describe and assess different variations of the iSaS. The results of the assessment of material-flows, monetary-flows and communication-flows within the iSaS are presented in this dissertation. The iSaS model is adaptable and transferable to the socio-economic conditions in other regions and climate zones. N2 - Die Weltgesellschaft steht der großen Herausforderung gegenüber das Menschrecht auf Zugang zu Sanitärversorgung umzusetzen. Es wird zunehmend akzeptiert, dass konventionelle Ansätze der Abwasserwirtschaft dieses Problem nicht lösen können. Die vorliegende Dissertation untersucht die Möglichkeit eines integrierten Ansatzes, welcher Stoffflüsse, Geldflüsse und Kommunikationsflüsse gemeinsam betrachtet und komplementär zu existierenden Infrastruktursystemen angewendet werden kann. Der Begriff „integriertes Sanitärsystem (iSaS)“ wird definiert und anhand eines Fallbeispiels in der Stadt Darkhan in der Mongolei untersucht. Hierbei wurde ein Sanitärsystem für Jurtensiedlungen erarbeitet, pilothaft umgesetzt und über 2 Jahre betrieben. Weiterhin wurde ein software- basiertes Modell anhand der Prinzipien von iSaS entwickelt und verschiedene Variationen des Systems untersucht und diskutiert. Das Modell kann an die klimatischen und sozioökonomischen Rahmenbedingungen in anderen Regionen der Welt angepasst werden und damit die potentielle Umsetzung von iSaS unterstützen. KW - Abwasser KW - Infrastruktur KW - Entwicklungsländer KW - Abfall KW - iPiT® KW - Mongolia KW - integrated sanitation system KW - new alternative sanitation systems NASS KW - UDDT Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20170512-31794 ER - TY - THES A1 - Ehrhardt, Dirk T1 - ZUM EINFLUSS DER NACHBEHANDLUNG AUF DIE GEFÜGEAUSBILDUNG UND DEN FROST-TAUMITTELWIDERSTAND DER BETONRANDZONE N2 - Die Festigkeitsentwicklung des Zementbetons basiert auf der chemischen Reaktion des Zementes mit dem Anmachwasser. Durch Nachbehandlungsmaßnahmen muss dafür gesorgt werden, dass dem Zement genügend Wasser für seine Reaktion zur Verfügung steht, da sonst ein Beton mit minderer Qualität entsteht. Die vorliegende Arbeit behandelt die grundsätzlichen Fragen der Betonnachbehandlung bei Anwendung von Straßenbetonen. Im Speziellen wird die Frage des erforderlichen Nachbehandlungsbedarfs von hüttensandhaltigen Kompositzementen betrachtet. Die Wirkung der Nachbehandlung wird anhand des erreichten Frost-Tausalz-Widerstandes und der Gefügeausbildung in der unmittelbaren Betonrandzone bewertet. Der Fokus der Untersuchungen lag auf abgezogenen Betonoberflächen. Es wurde ein Modell zur Austrocknung des jungen Betons erarbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass in einer frühen Austrocknung (Kapillarphase) keine kritische Austrocknung der Betonrandzone einsetzt, sondern der Beton annährend gleichmäßig über die Höhe austrocknet. Es wurde ein Nomogramm entwickelt, mit dem die Dauer der Kapillarphase in Abhängigkeit der Witterung für Straßenbetone abgeschätzt werden kann. Eine kritische Austrocknung der wichtigen Randzone setzt nach Ende der Kapillarphase ein. Für Betone unter Verwendung von Zementen mit langsamer Festigkeitsentwicklung ist die Austrocknung der Randzone nach Ende der Kapillarphase besonders ausgeprägt. Im Ergebnis zeigen diese Betone dann einen geringen Frost-Tausalz-Widerstand. Mit Zementen, die eine 2d-Zementdruckfestigkeit ≥ 23,0 N/mm² aufweisen, wurde unabhängig von der Zementart (CEM I oder CEM II/B-S) auch dann ein hoher Frost-Tausalz-Widerstand erreicht, wenn keine oder eine schlechtere Nachbehandlung angewendet wurde. Für die Praxis ergibt sich damit eine einfache Möglichkeit der Vorauswahl von geeigneten Zementen für den Verkehrsflächenbau. Betone, die unter Verwendung von Zementen mit langsamere Festigkeitsentwicklung hergestellt werden, erreichen einen hohen Frost-Tausalz-Widerstand nur mit einer geeigneten Nachbehandlung. Die Anwendung von flüssigen Nachbehandlungsmitteln (NBM gemäß TL NBM-StB) erreicht eine ähnliche Wirksamkeit wie eine 5 tägige Feuchtnachbehandlung. Voraussetzung für die Wirksamkeit der NBM ist, dass sie auf eine Betonoberfläche ohne sichtbaren Feuchtigkeitsfilm (feuchter Glanz) aufgesprüht werden. Besonders wichtig ist die Beachtung des richtigen Auftragszeitpunktes bei kühler Witterung, da hier aufgrund der verlangsamten Zementreaktion der Beton länger Anmachwasser abstößt. Ein zu früher Auftrag des Nachbehandlungsmittels führt zu einer Verschlechterung der Qualität der Betonrandzone. Durch Bereitstellung hydratationsabhängiger Transportkenngrößen (Feuchtetransport im Beton) konnten numerische Berechnungen zum Zusammenspiel zwischen der Austrocknung, der Nachbehandlung und der Gefügeentwicklung durchgeführt werden. Mit dem erstellten Berechnungsmodell wurden Parameterstudien durchgeführt. Die Berechnungen bestätigen die wesentlichen Erkenntnisse der Laboruntersuchungen. Darüber hinaus lässt sich mit dem Berechnungsmodell zeigen, dass gerade bei langsam reagierenden Zementen und kühler Witterung ohne eine Nachbehandlung eine sehr dünne Randzone (ca. 500 µm – 1000 µm) mit stark erhöhter Kapillarporosität entsteht. N2 - The hardening of cement concrete is based on the chemical reaction of cement and water. Therefore, the ensuring of sufficient amount of water in concrete is essential. All these measures are referred as curing of concrete. This dissertation provides a basic consideration of curing of concrete for concrete pavements. In this regard the using of cements with slow strength development, e.g. cements with blast furnace slag is the main topic. The effectiveness of curing was evaluated on the basis of the freeze-thaw de-icing resistance and the microstructure of hardened outer concrete surface. Concrete surfaces with textured mortar are on the focus. The results were used to develope a model of the drying of young concrete. It could be shown, that the outer concrete surface does not dry during the first drying phase (called capillary phase). Instead the concrete is drying evenly over the high of the concrete sample during the capillary drying phase. A fast drying of the outer concrete surface only takes place after the capillary drying phase. Based on all results a nomogram (for road concrete) was created for an estimation of the duration of the capillary drying phase. If there is no curing after the capillary drying phase the concrete with use of slowly reacting cement has a great risk for a harmful drying of outer concrete surface. In this case such a concrete shows a very poor freeze thaw de-icing resistance. By using cements with a 2 day-compressive strength ≥ 23,0 N/mm² a good freeze thaw de-icing resistance could assure, despite no or a poor curing was applied. This criterion can be used to estimate the usability of cements with granulated blast furnace slag when a great freeze thaw de-icing resistance is essential. There could also be used a cement with lower 2 day-compressive strength. In this case a good curing has to be assured. Spraying of liquid curing compounds according to TL NBM-StB is suitable for curing concrete pavements. The curing compound should not be sprayed on a concrete surface with any visible water film. The effectiveness of curing compounds is equal to a five days long wet curing in consideration of applying the curing compound at the right time. Otherwise there is some negative influence when the spraying of curing compounds starts too early. Consideration about the right application time of curing compounds is more important for low temperatures because the concrete bleeds much longer due to the slower cement reaction at low temperatures. It was possible to create a numerical model which accounts the interaction between drying, curing and development of microstructure by providing hydration dependent transport parameters (water transport in concrete). The model was used for a parameter study. It could be shown that the combination of cements with slow strength development and low ambient temperatures leads to a thin surface zone (500 µm – 1000 µm) with very high capillary porosity. KW - Beton KW - Zement KW - Nachbehandlung KW - Modellbildung KW - Nachbehandlungsmittel KW - Straßenbeton KW - Frost-Tausalz-Widerstand KW - curing compounds KW - concrete pavements Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20171120-36889 ER - TY - THES A1 - Hatahet, Tareq T1 - On the Analysis of the Disproportionate Structural Collapse in RC Buildings N2 - Increasing structural robustness is the goal which is of interest for structural engineering community. The partial collapse of RC buildings is subject of this dissertation. Understanding the robustness of RC buildings will guide the development of safer structures against abnormal loading scenarios such as; explosions, earthquakes, fine, and/or long-term accumulation effects leading to deterioration or fatigue. Any of these may result in local immediate structural damage, that can propagate to the rest of the structure causing what is known by the disproportionate collapse. This work handels collapse propagation through various analytical approaches which simplifies the mechanical description of damaged reinfoced concrete structures due to extreme acidental event. T3 - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2018,2 KW - Beton KW - disproportionate collapse KW - buildings KW - reinforced concrete KW - catenary action KW - compressive arching KW - dynamic amplifification KW - structural robustness Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20180329-37405 ER - TY - THES A1 - Zhu, Pengtao T1 - The Variability of the Void Ratio of Sand and its Effect on Settlement and Infinite Slope Stability N2 - The uncertainty of a soil property can significantly affect the physical behavior of soil, so as to influence geotechnical practice. The uncertainty can be expressed by its stochastic parameters, including the mean, the standard deviation, and the spatial correlation length. These stochastic parameters are regarded as constant value in most of the former studies. The main aim of this thesis is to prove whether they are depth-dependent, and to evaluate the effect of this depth-dependent character on both the settlement and the infinite slope stability during rainwater infiltration. A stochastic one-dimensional settlement simulation is carried out using random finite element method with the von Wolffersdorff hypoplastic model, so as to evaluate the effect of stress level on the stochastic parameters of void ratio related parameters of sand. It is found that these stochastic parameters are both stress-dependent and depth-dependent. The non-stationary random field, considering the depth-dependent character of these stochastic parameters, can be generated through the distortion of the stationary random field. The one-dimensional settlement analysis is carried out to evaluation the effect of the depth-dependent character of the stochastic parameters of void ratio on the strain. It is found that the depth-dependent character has low effect on the strain. The deterministic analysis of infinite slope stability during rainwater infiltration is simulated. The transient seepage is carried out using finite difference method, while the steady state seepage is simulated using the analytical solution. The saturated hydraulic conductivity (ks) is taken as the only variable. The results show that the depth-dependent ks has a significant influence on the stability of the slope when the negative flux is high. Without considering the depth-dependent character, can overestimate the factor of safety of the slope. A slope can fail if the depth-dependent character is considered, while it is stable if the depth-dependent character is neglected. The failure time of the slope with a greater depth-dependent ks is earlier during transient infiltration. Meanwhile, the stochastic infinite slope stability analysis during infiltration, is also carried out to highlight the effect of the depth-dependent character of the stochastic parameters of ks. The results show that: the probability of failure is significantly increased if the depth-dependent character of mean is considered, while, it is moderately reduced if the depth-dependent character of the standard deviation is accounted. If the depth-dependent character of both the mean and standard deviation of ks is considered, the depth-dependent mean value plays a dominant influence on the results. Furthermore, the depth-dependent character of the spatial correlation length can slightly reduce the probability of failure. T3 - Schriftenreihe Geotechnik - 29 KW - Bodenunruhe KW - Erdrutsch KW - Versickerung KW - Statistische Analyse KW - soil heterogeneity KW - landslide KW - seepage KW - statistical analysis Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20180403-37411 ER - TY - THES A1 - Hommel, Angela T1 - Diskret holomorphe Funktionen und deren Bedeutung bei der Lösung von Differenzengleichungen N2 - Auf der Grundlage diskreter Cauchy-Riemann Operatoren werden diskret holomorphe Funktionen definiert und detailliert studiert. Darauf aufbauend wird die Lösung von Differenzengleichungen mit Hilfe der diskret holomorphen Funktionen beschrieben. KW - Differenzengleichung KW - Holomorphe Funktion Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20180827-37846 ER - TY - THES A1 - Nguyen, Thai Cuong T1 - Flächen zweiter Ordnung - Dächer müssen nicht eben sein N2 - In dieser Arbeit geht es um die Quadriken in der Ebene und im Raum. Dabei werden die Transformation in die Normalform und die Klassifikation untersucht. Aus den geometrischen Eigenschaften werden einige Anwendungsbeispiele der Quadriken in der Technik und dem alltäglichen Leben vorgestellt. KW - Quadrik KW - Quadrik KW - Kegelschnitt KW - Flächen zweiter Ordnung KW - Hauptachsentransformation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20181024-37496 ER - TY - JOUR A1 - Ghazvinei, Pezhman Taherei A1 - Darvishi, Hossein Hassanpour A1 - Mosavi, Amir A1 - Yusof, Khamaruzaman bin Wan A1 - Alizamir, Meysam A1 - Shamshirband, Shahaboddin A1 - Chau, Kwok-Wing T1 - Sugarcane growth prediction based on meteorological parameters using extreme learning machine and artificial neural network JF - Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics N2 - Management strategies for sustainable sugarcane production need to deal with the increasing complexity and variability of the whole sugar system. Moreover, they need to accommodate the multiple goals of different industry sectors and the wider community. Traditional disciplinary approaches are unable to provide integrated management solutions, and an approach based on whole systems analysis is essential to bring about beneficial change to industry and the community. The application of this approach to water management, environmental management and cane supply management is outlined, where the literature indicates that the application of extreme learning machine (ELM) has never been explored in this realm. Consequently, the leading objective of the current research was set to filling this gap by applying ELM to launch swift and accurate model for crop production data-driven. The key learning has been the need for innovation both in the technical aspects of system function underpinned by modelling of sugarcane growth. Therefore, the current study is an attempt to establish an integrate model using ELM to predict the concluding growth amount of sugarcane. Prediction results were evaluated and further compared with artificial neural network (ANN) and genetic programming models. Accuracy of the ELM model is calculated using the statistics indicators of Root Means Square Error (RMSE), Pearson Coefficient (r), and Coefficient of Determination (R2) with promising results of 0.8, 0.47, and 0.89, respectively. The results also show better generalization ability in addition to faster learning curve. Thus, proficiency of the ELM for supplementary work on advancement of prediction model for sugarcane growth was approved with promising results. KW - Künstliche Intelligenz KW - Sustainable production KW - ELM KW - prediction KW - machine learning KW - sugarcane KW - estimation KW - growth mode KW - extreme learning machine KW - OA-Publikationsfonds2018 Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20181017-38129 UR - https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19942060.2018.1526119 VL - 2018 IS - 12,1 SP - 738 EP - 749 PB - Taylor & Francis ER - TY - JOUR A1 - Faizollahzadeh Ardabili, Sina A1 - Najafi, Bahman A1 - Alizamir, Meysam A1 - Mosavi, Amir A1 - Shamshirband, Shahaboddin A1 - Rabczuk, Timon T1 - Using SVM-RSM and ELM-RSM Approaches for Optimizing the Production Process of Methyl and Ethyl Esters JF - Energies N2 - The production of a desired product needs an effective use of the experimental model. The present study proposes an extreme learning machine (ELM) and a support vector machine (SVM) integrated with the response surface methodology (RSM) to solve the complexity in optimization and prediction of the ethyl ester and methyl ester production process. The novel hybrid models of ELM-RSM and ELM-SVM are further used as a case study to estimate the yield of methyl and ethyl esters through a trans-esterification process from waste cooking oil (WCO) based on American Society for Testing and Materials (ASTM) standards. The results of the prediction phase were also compared with artificial neural networks (ANNs) and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), which were recently developed by the second author of this study. Based on the results, an ELM with a correlation coefficient of 0.9815 and 0.9863 for methyl and ethyl esters, respectively, had a high estimation capability compared with that for SVM, ANNs, and ANFIS. Accordingly, the maximum production yield was obtained in the case of using ELM-RSM of 96.86% for ethyl ester at a temperature of 68.48 °C, a catalyst value of 1.15 wt. %, mixing intensity of 650.07 rpm, and an alcohol to oil molar ratio (A/O) of 5.77; for methyl ester, the production yield was 98.46% at a temperature of 67.62 °C, a catalyst value of 1.1 wt. %, mixing intensity of 709.42 rpm, and an A/O of 6.09. Therefore, ELM-RSM increased the production yield by 3.6% for ethyl ester and 3.1% for methyl ester, compared with those for the experimental data. KW - Biodiesel KW - Optimierung KW - extreme learning machine KW - machine learning KW - response surface methodology KW - support vector machine KW - OA-Publikationsfonds2018 Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20181025-38170 UR - https://www.mdpi.com/1996-1073/11/11/2889 IS - 11, 2889 SP - 1 EP - 20 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Piethe, Vivienne T1 - Konfektionierung eines Calciumsulfat-Bindemittelsystems zur Herstellung volumenstabiler Fließestrichmörtel N2 - Bei einem marktüblichen Calciumsulfat-Fließestrich wurden in der Praxis schädigende Volu-menexpansionen festgestellt. Diese sind ein Resultat aus dem Zusammenwirken des einge-setzten Bindemittel-Compounds und einer kritischen Gesteinskörnung. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Calciumsulfat-Bindemittelsystem zu konfektionieren, welches in der Lage ist, die im Mörtel festgestellten Volumenexpansionen zu unterbinden. Es sollen verschiedene Bindemittel- und Additivzusammensetzungen untersucht werden, welche in Verbindung mit der kritischen Gesteinskörnung die Herstellung eines volumenstabilen Fließestrichs ermöglichen. Dazu soll folgende Fragestellung beantwortet werden: Welche Ursachen hat die Volumenzunahme und wie ist diese zu minimieren bzw. unterbinden? Dabei werden unterschiedliche Bindemittelrezepturen aus α-Halbhydrat, Thermoanhydrit und Naturanhydrit, sowie verschiedene Additivzusammensetzungen hergestellt und untersucht. Durch Längenänderungsmessungen in der Schwindrinne werden die Einflüsse der Binde-mittel, der Additivzusammensetzungen und der Wasser/Bindemittel-Werte auf das Län-genänderungsverhalten untersucht. Mittels Variation der einzelnen Compound-Bestandteile kann festgestellt werden, dass der Stabilisierer die Längenänderung negativ beeinflusst. Dieser bindet freies Wasser, welches für eine Reaktion zwischen Bindemittel und Gesteins-körnung im plastischen Zustand nicht mehr zur Verfügung steht. Diese Reaktion kann folglich erst im erhärteten Zustand ablaufen und verursacht die schädigende Volumenexpansion. Abschließend wurde ein Bindemittel-Compound konfektioniert, welcher ohne Zusatz von Stabilisierern in Zusammenhang mit der kritischen Gesteinskörnung volumenstabil ist und keine Schäden auslöst. KW - Calciumsulfat KW - Gips KW - Fließestrich KW - Volumenstabilität KW - Calciumsulfatfließestrich Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20190902-39445 ER - TY - JOUR A1 - Morgenthal, Guido A1 - Eick, Jan Frederick A1 - Rau, Sebastian A1 - Taraben, Jakob T1 - Wireless Sensor Networks Composed of Standard Microcomputers and Smartphones for Applications in Structural Health Monitoring JF - Sensors - Special Issue Selected Papers from 7th Asia-Pacific Workshop on Structural Health Monitoring N2 - Wireless sensor networks have attracted great attention for applications in structural health monitoring due to their ease of use, flexibility of deployment, and cost-effectiveness. This paper presents a software framework for WiFi-based wireless sensor networks composed of low-cost mass market single-board computers. A number of specific system-level software components were developed to enable robust data acquisition, data processing, sensor network communication, and timing with a focus on structural health monitoring (SHM) applications. The framework was validated on Raspberry Pi computers, and its performance was studied in detail. The paper presents several characteristics of the measurement quality such as sampling accuracy and time synchronization and discusses the specific limitations of the system. The implementation includes a complementary smartphone application that is utilized for data acquisition, visualization, and analysis. A prototypical implementation further demonstrates the feasibility of integrating smartphones as data acquisition nodes into the network, utilizing their internal sensors. The measurement system was employed in several monitoring campaigns, three of which are documented in detail. The suitability of the system is evaluated based on comparisons of target quantities with reference measurements. The results indicate that the presented system can robustly achieve a measurement performance commensurate with that required in many typical SHM tasks such as modal identification. As such, it represents a cost-effective alternative to more traditional monitoring solutions. KW - Structural Health Monitoring KW - Mikrocomputer KW - Smartphone KW - Schwingungsmessung KW - Wireless sensor network KW - Raspberry Pi KW - Smartphones KW - Vibration measurements KW - OA-Publikationsfonds2019 Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20190514-39123 UR - https://www.mdpi.com/1424-8220/19/9/2070 VL - 2019 IS - Volume 19, Issue 9, 2070 PB - MDPI ER - TY - THES A1 - von Butler, Natalie T1 - Scalarization Methods for Multi-Objective Structural Optimization N2 - Scalarization methods are a category of multiobjective optimization (MOO) methods. These methods allow the usage of conventional single objective optimization algorithms, as scalarization methods reformulate the MOO problem into a single objective optimization problem. The scalarization methods analysed within this thesis are the Weighted Sum (WS), the Epsilon-Constraint (EC), and the MinMax (MM) method. After explaining the approach of each method, the WS, EC and MM are applied, a-posteriori, to three different examples: to the Kursawe function; to the ten bar truss, a common benchmark problem in structural optimization; and to the metamodel of an aero engine exit module. The aim is to evaluate and compare the performance of each scalarization method that is examined within this thesis. The evaluation is conducted using performance metrics, such as the hypervolume and the generational distance, as well as using visual comparison. The application to the three examples gives insight into the advantages and disadvantages of each method, and provides further understanding of an adequate application of the methods concerning high dimensional optimization problems. KW - Mehrkriterielle Optimierung KW - Gestaltoptimierung KW - Multiobjective Optimization KW - Structural Optimization KW - Scalarization Methods Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20191030-40106 ER - TY - THES A1 - Chen, Na T1 - A Balance between Ideals and Reality — Establishing and Evaluating a Resilient City Indicator System for Central Chinese Cities N2 - Recent years have seen a gradual shift in focus of international policies from a national and regional perspective to that of cities, a shift which is closely related to the rapid urbanization of developing countries. As revealed in the 2011 Revision of the World Urbanization Prospects published by the United Nations, 51% of the global population (approximately 3.6 billion people) lives in cities. The report predicts that by 2050, the world’s urban population will increase by 2.3 billion, making up 68% of the population. The growth of urbanization in the next few decades is expected to primarily come from developing countries, one third of which will be in China and India. With rapid urbanization and the ongoing growth of mega cities, cities must become increasingly resilient and intelligent to cope with numerous challenges and crises like droughts and floods arising from extreme climate, destruction brought by severe natural disasters, and aggregated social contradictions resulting from economic crises. All cities face the urban development dynamics and uncertainties arising from these problems. Under such circumstances, cities are considered the critical path from crisis to prosperity, so scholars and organizations have proposed the construction of “resilient cities.” On the one hand, this theory emphasizes cities’ defenses and buffering capacity against disasters, crises and uncertainties, as well as recovery after destruction; on the other hand, it highlights the learning capacity of urban systems, identification of opportunities amid challenges, and maintenance of development vitality. Some scholars even believe that urban resilience is a powerful supplement to sustainable development. Hence, resilience assessment has become the latest and most important perspective for evaluating the development and crisis defense capacity of cities. Rather than a general abstract concept, urban resilience is a comprehensive measurement of a city’s level of development. The dynamic development of problems is reflected through quantitative indicators and appraisal systems not only from the perspective of academic research, but also governmental policy, so as to scientifically guide development, and measure and compare cities’ development levels. Although international scholars have proposed quantitative methods for urban resilience assessment, they are however insufficiently systematic and regionally adaptive for China’s current urban development needs. On the basis of comparative study on European and North American resilient city theories, therefore, this paper puts forwards a theoretical framework for resilient city systems consistent with China’s national conditions in light of economic development pressure, natural resource depletion, pollution, and other salient development crises in China. The key factors influencing urban resilience are taken into full consideration; expert appraisal is conducted based on the Delphi Method and the analytic hierarchy process (AHP) to design an extensible and updatable resilient city evaluation system which is sufficiently systematic, geographically adaptable, and sustainable for China’s current urban development needs. Finally, Changsha is taken as the main case for empirical study on comprehensive evaluation of similar cities in Central China to improve the indicator system. T2 - Ein Gleichgewicht zwischen Ideal und Realität - Etablierung und Evaluation eines Indikatorensystems für resiliente Städte in Zentralchina KW - Stadtplanung KW - resilient city KW - urban planning KW - Zentralchina Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20191121-40309 ER - TY - THES A1 - Tasch, Alexander T1 - Reaktive Cu-Fe-Al-Mn-Oxidkeramiken für die Sauerstoffseparation aus der Luft N2 - Die Gase Sauerstoff und Stickstoff werden für eine Vielzahl an technischen, industriellen, biologischen und medizinischen Einsatzzwecken benötigt. So liegen Anwendungsgebiete dieser Gase neben der klassischen metallverarbeitenden und der chemischen Industrie bei Sauerstoff vor allem in der Medizin, Verbrennungs- und Kläranlagenoptimierung sowie der Fischzucht und bei Stickstoff als Schutz- beziehungsweise Inertgas in der Kunststoffindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie dem Brandschutz. Die Bereitstellung der Gase Sauerstoff und Stickstoff wird nahezu ausschließlich durch die Abtrennung aus der Umgebungsluft realisiert, welche aus ca. 78 Vol.-% Stickstoff, 21 Vol.-% Sauerstoff und 1 Vol.-% Spurengasen (Ar, CO2, Ne, He, ...) besteht. Am Markt etablierte Verfahren der Luftzerlegung sind das Linde-, das PSA- (pressure swing adsorption/Druckwechseladsorption) oder verschiedene Membran-Verfahren. Hierdurch werden die benötigten Gase entweder direkt vor Ort beim Verbraucher erzeugt (PSA- und Polymer-Membranverfahren: geringe Reinheiten) oder zentral in großen Anlagen hergestellt (Linde-Verfahren: hohe Reinheiten) und anschließend zum Verbraucher in Form von Flaschen- oder Tankgasen geliefert (Tansportkosten). Für kleinere Verbraucher mit hohen Ansprüchen an die Reinheit des benötigten Sauerstoffs beziehungsweise Stickstoffs ergibt sich nur die Möglichkeit, die Gase als kostenintensive Transportgase zentraler Gaseversorger zu beziehen und sich somit in eine Abhängigkeit (Lieferverträge, Flaschen-/Tankmieten, ...) zu diesen zu begeben sowie eine eigene Lagerhaltung für die benötigten Gase (Mehraufwand, Lagerkosten, Platzbedarf) zu betreiben. Ziel dieser Arbeit ist es, keramische Material-Systeme auf Basis chemischer Hochtemperatur-Reaktionen als Reaktive Oxidkeramiken zu entwickeln und diese hinsichtlich eines möglichen Einsatzes für die Sauerstoffseparation in neuartigen Luftzerlegungsanlagen zu untersuchen. Derartige Anlagen sollen in ihrem Prinzip an die regenerative Sauerstoffseparation angelehnt sein und in ihren Reaktoren die Reaktiven Oxidkeramiken als Festbett-Material abwechselnd mit Luft be- und Vakuum oder O2-armen Atmosphären entladen. Die Verwendung Reaktiver Oxidkeramiken, welche im Vergleich zu den bisherigen Materialien höhere Sauerstoffaustauschmengen und -raten bei gleichzeitig hoher Lebensdauer und Korrosionsbeständigkeit sowie relativ einfacher Handhabe aufweisen würden, soll ein Schritt in Richtung einer effizienten alternativen Luftzerlegungstechnologie sein. Mit den Reaktiven Oxidkeramiken in einer Luftzerlegungsanlage sollte es im besten Fall möglich sein, in kleinen Anlagen sehr reinen Sauerstoff und zugleich sauerstofffreies Inertgas zu erzeugen sowie eine Sauerstoffan- oder -abreicherung von Luft, Prozess- oder Abgasen zu generieren. Somit besäße eine solche, auf Reaktiven Oxidkeramiken basierende Technologie sehr weit gefächerte Einsatzgebiete und demzufolge ein enormes wirtschaftliches Potential. KW - Luftzerlegung KW - Sauerstoff KW - Stickstoff KW - Inertgas KW - Oxidkeramik KW - Sauerstoffseparation Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20191209-40414 ER - TY - JOUR A1 - Kavrakov, Igor A1 - Legatiuk, Dmitrii A1 - Gürlebeck, Klaus A1 - Morgenthal, Guido T1 - A categorical perspective towards aerodynamic models for aeroelastic analyses of bridge decks JF - Royal Society Open Science N2 - Reliable modelling in structural engineering is crucial for the serviceability and safety of structures. A huge variety of aerodynamic models for aeroelastic analyses of bridges poses natural questions on their complexity and thus, quality. Moreover, a direct comparison of aerodynamic models is typically either not possible or senseless, as the models can be based on very different physical assumptions. Therefore, to address the question of principal comparability and complexity of models, a more abstract approach, accounting for the effect of basic physical assumptions, is necessary. This paper presents an application of a recently introduced category theory-based modelling approach to a diverse set of models from bridge aerodynamics. Initially, the categorical approach is extended to allow an adequate description of aerodynamic models. Complexity of the selected aerodynamic models is evaluated, based on which model comparability is established. Finally, the utility of the approach for model comparison and characterisation is demonstrated on an illustrative example from bridge aeroelasticity. The outcome of this study is intended to serve as an alternative framework for model comparison and impact future model assessment studies of mathematical models for engineering applications. KW - Brücke KW - Aerodynamik KW - Aeroelastizität KW - bridge KW - abstract modelling KW - category theory KW - bridge aerodynamics KW - bridge aeroelasticity KW - aerodynamic models KW - model complexity KW - OA-Publikationsfonds2019 Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20190314-38656 UR - https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsos.181848 IS - Volume 6, Issue 3 ER - TY - INPR A1 - Radmard Rahmani, Hamid A1 - Könke, Carsten T1 - Passive Control of Tall Buildings Using Distributed Multiple Tuned Mass Dampers N2 - The vibration control of the tall building during earthquake excitations is a challenging task due to their complex seismic behavior. This paper investigates the optimum placement and properties of the Tuned Mass Dampers (TMDs) in tall buildings, which are employed to control the vibrations during earthquakes. An algorithm was developed to spend a limited mass either in a single TMD or in multiple TMDs and distribute them optimally over the height of the building. The Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA – II) method was improved by adding multi-variant genetic operators and utilized to simultaneously study the optimum design parameters of the TMDs and the optimum placement. The results showed that under earthquake excitations with noticeable amplitude in higher modes, distributing TMDs over the height of the building is more effective in mitigating the vibrations compared to the use of a single TMD system. From the optimization, it was observed that the locations of the TMDs were related to the stories corresponding to the maximum modal displacements in the lower modes and the stories corresponding to the maximum modal displacements in the modes which were highly activated by the earthquake excitations. It was also noted that the frequency content of the earthquake has significant influence on the optimum location of the TMDs. KW - Schwingungsdämpfer KW - Hochbau KW - tall buildings KW - passive control KW - genetic algorithm KW - tuned mass dampers Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20190311-38597 UR - https://www.researchgate.net/publication/330508976_Seismic_Control_of_Tall_Buildings_Using_Distributed_Multiple_Tuned_Mass_Dampers ER - TY - THES A1 - Abu Bakar, Ilyani Akmar T1 - Computational Analysis of Woven Fabric Composites: Single- and Multi-Objective Optimizations and Sensitivity Analysis in Meso-scale Structures N2 - This study permits a reliability analysis to solve the mechanical behaviour issues existing in the current structural design of fabric structures. Purely predictive material models are highly desirable to facilitate an optimized design scheme and to significantly reduce time and cost at the design stage, such as experimental characterization. The present study examined the role of three major tasks; a) single-objective optimization, b) sensitivity analyses and c) multi-objective optimization on proposed weave structures for woven fabric composites. For single-objective optimization task, the first goal is to optimize the elastic properties of proposed complex weave structure under unit cells basis based on periodic boundary conditions. We predict the geometric characteristics towards skewness of woven fabric composites via Evolutionary Algorithm (EA) and a parametric study. We also demonstrate the effect of complex weave structures on the fray tendency in woven fabric composites via tightness evaluation. We utilize a procedure which does not require a numerical averaging process for evaluating the elastic properties of woven fabric composites. The fray tendency and skewness of woven fabrics depends upon the behaviour of the floats which is related to the factor of weave. Results of this study may suggest a broader view for further research into the effects of complex weave structures or may provide an alternative to the fray and skewness problems of current weave structure in woven fabric composites. A comprehensive study is developed on the complex weave structure model which adopts the dry woven fabric of the most potential pattern in singleobjective optimization incorporating the uncertainties parameters of woven fabric composites. The comprehensive study covers the regression-based and variance-based sensitivity analyses. The second task goal is to introduce the fabric uncertainties parameters and elaborate how they can be incorporated into finite element models on macroscopic material parameters such as elastic modulus and shear modulus of dry woven fabric subjected to uni-axial and biaxial deformations. Significant correlations in the study, would indicate the need for a thorough investigation of woven fabric composites under uncertainties parameters. The study describes here could serve as an alternative to identify effective material properties without prolonged time consumption and expensive experimental tests. The last part focuses on a hierarchical stochastic multi-scale optimization approach (fine-scale and coarse-scale optimizations) under geometrical uncertainties parameters for hybrid composites considering complex weave structure. The fine-scale optimization is to determine the best lamina pattern that maximizes its macroscopic elastic properties, conducted by EA under the following uncertain mesoscopic parameters: yarn spacing, yarn height, yarn width and misalignment of yarn angle. The coarse-scale optimization has been carried out to optimize the stacking sequences of symmetric hybrid laminated composite plate with uncertain mesoscopic parameters by employing the Ant Colony Algorithm (ACO). The objective functions of the coarse-scale optimization are to minimize the cost (C) and weight (W) of the hybrid laminated composite plate considering the fundamental frequency and the buckling load factor as the design constraints. Based on the uncertainty criteria of the design parameters, the appropriate variation required for the structural design standards can be evaluated using the reliability tool, and then an optimized design decision in consideration of cost can be subsequently determined. T3 - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2020,1 KW - Verbundwerkstoff KW - Gewebeverbundwerkstoff KW - woven composites Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200605-41762 SN - 1610-7381 ER - TY - JOUR A1 - Sadeghzadeh, Milad A1 - Maddah, Heydar A1 - Ahmadi, Mohammad Hossein A1 - Khadang, Amirhosein A1 - Ghazvini, Mahyar A1 - Mosavi, Amir Hosein A1 - Nabipour, Narjes T1 - Prediction of Thermo-Physical Properties of TiO2-Al2O3/Water Nanoparticles by Using Artificial Neural Network JF - Nanomaterials N2 - In this paper, an artificial neural network is implemented for the sake of predicting the thermal conductivity ratio of TiO2-Al2O3/water nanofluid. TiO2-Al2O3/water in the role of an innovative type of nanofluid was synthesized by the sol–gel method. The results indicated that 1.5 vol.% of nanofluids enhanced the thermal conductivity by up to 25%. It was shown that the heat transfer coefficient was linearly augmented with increasing nanoparticle concentration, but its variation with temperature was nonlinear. It should be noted that the increase in concentration may cause the particles to agglomerate, and then the thermal conductivity is reduced. The increase in temperature also increases the thermal conductivity, due to an increase in the Brownian motion and collision of particles. In this research, for the sake of predicting the thermal conductivity of TiO2-Al2O3/water nanofluid based on volumetric concentration and temperature functions, an artificial neural network is implemented. In this way, for predicting thermal conductivity, SOM (self-organizing map) and BP-LM (Back Propagation-Levenberq-Marquardt) algorithms were used. Based on the results obtained, these algorithms can be considered as an exceptional tool for predicting thermal conductivity. Additionally, the correlation coefficient values were equal to 0.938 and 0.98 when implementing the SOM and BP-LM algorithms, respectively, which is highly acceptable. View Full-Text KW - Wärmeleitfähigkeit KW - Fluid KW - Neuronales Netz KW - Thermal conductivity KW - Nanofluid KW - Artificial neural network Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200421-41308 UR - https://www.mdpi.com/2079-4991/10/4/697 VL - 2020 IS - Volume 10, Issue 4, 697 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Saadatfar, Hamid A1 - Khosravi, Samiyeh A1 - Hassannataj Joloudari, Javad A1 - Mosavi, Amir A1 - Shamshirband, Shahaboddin T1 - A New K-Nearest Neighbors Classifier for Big Data Based on Efficient Data Pruning JF - Mathematics N2 - The K-nearest neighbors (KNN) machine learning algorithm is a well-known non-parametric classification method. However, like other traditional data mining methods, applying it on big data comes with computational challenges. Indeed, KNN determines the class of a new sample based on the class of its nearest neighbors; however, identifying the neighbors in a large amount of data imposes a large computational cost so that it is no longer applicable by a single computing machine. One of the proposed techniques to make classification methods applicable on large datasets is pruning. LC-KNN is an improved KNN method which first clusters the data into some smaller partitions using the K-means clustering method; and then applies the KNN for each new sample on the partition which its center is the nearest one. However, because the clusters have different shapes and densities, selection of the appropriate cluster is a challenge. In this paper, an approach has been proposed to improve the pruning phase of the LC-KNN method by taking into account these factors. The proposed approach helps to choose a more appropriate cluster of data for looking for the neighbors, thus, increasing the classification accuracy. The performance of the proposed approach is evaluated on different real datasets. The experimental results show the effectiveness of the proposed approach and its higher classification accuracy and lower time cost in comparison to other recent relevant methods. KW - Maschinelles Lernen KW - Machine learning KW - K-nearest neighbors KW - KNN KW - classifier KW - big data KW - clustering KW - cluster shape KW - cluster density KW - classification KW - reinforcement learning KW - data science KW - computation KW - artificial intelligence KW - OA-Publikationsfonds2020 Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200225-40996 UR - https://www.mdpi.com/2227-7390/8/2/286 VL - 2020 IS - volume 8, issue 2, article 286 PB - MDPI ER - TY - THES A1 - Kavrakov, Igor T1 - Synergistic Framework for Analysis and Model Assessment in Bridge Aerodynamics and Aeroelasticity N2 - Wind-induced vibrations often represent a major design criterion for long-span bridges. This work deals with the assessment and development of models for aerodynamic and aeroelastic analyses of long-span bridges. Computational Fluid Dynamics (CFD) and semi-analytical aerodynamic models are employed to compute the bridge response due to both turbulent and laminar free-stream. For the assessment of these models, a comparative methodology is developed that consists of two steps, a qualitative and a quantitative one. The first, qualitative, step involves an extension of an existing approach based on Category Theory and its application to the field of bridge aerodynamics. Initially, the approach is extended to consider model comparability and completeness. Then, the complexity of the CFD and twelve semi-analytical models are evaluated based on their mathematical constructions, yielding a diagrammatic representation of model quality. In the second, quantitative, step of the comparative methodology, the discrepancy of a system response quantity for time-dependent aerodynamic models is quantified using comparison metrics for time-histories. Nine metrics are established on a uniform basis to quantify the discrepancies in local and global signal features that are of interest in bridge aerodynamics. These signal features involve quantities such as phase, time-varying frequency and magnitude content, probability density, non-stationarity, and nonlinearity. The two-dimensional (2D) Vortex Particle Method is used for the discretization of the Navier-Stokes equations including a Pseudo-three dimensional (Pseudo-3D) extension within an existing CFD solver. The Pseudo-3D Vortex Method considers the 3D structural behavior for aeroelastic analyses by positioning 2D fluid strips along a line-like structure. A novel turbulent Pseudo-3D Vortex Method is developed by combining the laminar Pseudo-3D VPM and a previously developed 2D method for the generation of free-stream turbulence. Using analytical derivations, it is shown that the fluid velocity correlation is maintained between the CFD strips. Furthermore, a new method is presented for the determination of the complex aerodynamic admittance under deterministic sinusoidal gusts using the Vortex Particle Method. The sinusoidal gusts are simulated by modeling the wakes of flapping airfoils in the CFD domain with inflow vortex particles. Positioning a section downstream yields sinusoidal forces that are used for determining all six components of the complex aerodynamic admittance. A closed-form analytical relation is derived, based on an existing analytical model. With this relation, the inflow particles’ strength can be related with the target gust amplitudes a priori. The developed methodologies are combined in a synergistic framework, which is applied to both fundamental examples and practical case studies. Where possible, the results are verified and validated. The outcome of this work is intended to shed some light on the complex wind–bridge interaction and suggest appropriate modeling strategies for an enhanced design. T3 - Schriftenreihe des DFG Graduiertenkollegs 1462 Modellqualitäten // Graduiertenkolleg Modellqualitäten - 21 KW - Brücke KW - Bridge KW - Computational Fluid Dynamics KW - Aerodynamics KW - Aeroelasticity KW - Category Theory KW - Aerodynamik KW - Aeroelastizität Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200316-41099 UR - https://asw-verlage.de/katalog/?id=2255 SN - 978-3-95773-284-2 PB - Bauhaus-Universitätsverlag CY - Weimar ER - TY - JOUR A1 - Shamshirband, Shahaboddin A1 - Babanezhad, Meisam A1 - Mosavi, Amir A1 - Nabipour, Narjes A1 - Hajnal, Eva A1 - Nadai, Laszlo A1 - Chau, Kwok-Wing T1 - Prediction of flow characteristics in the bubble column reactor by the artificial pheromone-based communication of biological ants JF - Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics N2 - A novel combination of the ant colony optimization algorithm (ACO)and computational fluid dynamics (CFD) data is proposed for modeling the multiphase chemical reactors. The proposed intelligent model presents a probabilistic computational strategy for predicting various levels of three-dimensional bubble column reactor (BCR) flow. The results prove an enhanced communication between ant colony prediction and CFD data in different sections of the BCR. KW - Maschinelles Lernen KW - Machine learning KW - Bubble column reactor KW - ant colony optimization algorithm (ACO) KW - flow pattern KW - computational fluid dynamics (CFD) KW - big data KW - OA-Publikationsfonds2020 Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200227-41013 UR - https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19942060.2020.1715842 VL - 2020 IS - volume 14, issue 1 SP - 367 EP - 378 PB - Taylor & Francis ER - TY - JOUR A1 - Amirinasab, Mehdi A1 - Shamshirband, Shahaboddin A1 - Chronopoulos, Anthony Theodore A1 - Mosavi, Amir A1 - Nabipour, Narjes T1 - Energy‐Efficient Method for Wireless Sensor Networks Low‐Power Radio Operation in Internet of Things JF - electronics N2 - The radio operation in wireless sensor networks (WSN) in Internet of Things (IoT)applications is the most common source for power consumption. Consequently, recognizing and controlling the factors affecting radio operation can be valuable for managing the node power consumption. Among essential factors affecting radio operation, the time spent for checking the radio is of utmost importance for monitoring power consumption. It can lead to false WakeUp or idle listening in radio duty cycles and ContikiMAC. ContikiMAC is a low‐power radio duty‐cycle protocol in Contiki OS used in WakeUp mode, as a clear channel assessment (CCA) for checking radio status periodically. This paper presents a detailed analysis of radio WakeUp time factors of ContikiMAC. Furthermore, we propose a lightweight CCA (LW‐CCA) as an extension to ContikiMAC to reduce the Radio Duty‐Cycles in false WakeUps and idle listening though using dynamic received signal strength indicator (RSSI) status check time. The simulation results in the Cooja simulator show that LW‐CCA reduces about 8% energy consumption in nodes while maintaining up to 99% of the packet delivery rate (PDR). KW - Internet der Dinge KW - Internet of things KW - wireless sensor networks KW - ContikiMAC KW - energy efficiency KW - duty-cycles KW - clear channel assessments KW - fog computing KW - smart sensors KW - signal processing KW - received signal strength indicator KW - OA-Publikationsfonds2020 KW - RSSI Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200213-40954 UR - https://www.mdpi.com/2079-9292/9/2/320 VL - 2020 IS - volume 9, issue 2, 320 PB - MDPI ER - TY - JOUR A1 - Nabipour, Narjes A1 - Dehghani, Majid A1 - Mosavi, Amir A1 - Shamshirband, Shahaboddin T1 - Short-Term Hydrological Drought Forecasting Based on Different Nature-Inspired Optimization Algorithms Hybridized With Artificial Neural Networks JF - IEEE Access N2 - Hydrological drought forecasting plays a substantial role in water resources management. Hydrological drought highly affects the water allocation and hydropower generation. In this research, short term hydrological drought forecasted based on the hybridized of novel nature-inspired optimization algorithms and Artificial Neural Networks (ANN). For this purpose, the Standardized Hydrological Drought Index (SHDI) and the Standardized Precipitation Index (SPI) were calculated in one, three, and six aggregated months. Then, three states where proposed for SHDI forecasting, and 36 input-output combinations were extracted based on the cross-correlation analysis. In the next step, newly proposed optimization algorithms, including Grasshopper Optimization Algorithm (GOA), Salp Swarm algorithm (SSA), Biogeography-based optimization (BBO), and Particle Swarm Optimization (PSO) hybridized with the ANN were utilized for SHDI forecasting and the results compared to the conventional ANN. Results indicated that the hybridized model outperformed compared to the conventional ANN. PSO performed better than the other optimization algorithms. The best models forecasted SHDI1 with R2 = 0.68 and RMSE = 0.58, SHDI3 with R 2 = 0.81 and RMSE = 0.45 and SHDI6 with R 2 = 0.82 and RMSE = 0.40. KW - Maschinelles Lernen KW - Machine learning KW - Deep learning KW - Hydrological drought KW - precipitation KW - hydrology Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200213-40796 UR - https://ieeexplore.ieee.org/document/8951168 VL - 2020 IS - volume 8 SP - 15210 EP - 15222 PB - IEEE ER - TY - THES A1 - Oucif, Chahmi T1 - Analytical Modeling of Self-Healing and Super Healing in Cementitious Materials N2 - Self-healing materials have recently become more popular due to their capability to autonomously and autogenously repair the damage in cementitious materials. The concept of self-healing gives the damaged material the ability to recover its stiffness. This gives a difference in comparing with a material that is not subjected to healing. Once this material is damaged, it cannot sustain loading due to the stiffness degradation. Numerical modeling of self-healing materials is still in its infancy. Multiple experimental researches were conducted in literature to describe the behavior of self-healing of cementitious materials. However, few numerical investigations were undertaken. The thesis presents an analytical framework of self-healing and super healing materials based on continuum damage-healing mechanics. Through this framework, we aim to describe the recovery and strengthening of material stiffness and strength. A simple damage healing law is proposed and applied on concrete material. The proposed damage-healing law is based on a new time-dependent healing variable. The damage-healing model is applied on isotropic concrete material at the macroscale under tensile load. Both autonomous and autogenous self-healing mechanisms are simulated under different loading conditions. These two mechanisms are denoted in the present work by coupled and uncoupled self-healing mechanisms, respectively. We assume in the coupled self-healing that the healing occurs at the same time with damage evolution, while we assume in the uncoupled self-healing that the healing occurs when the material is deformed and subjected to a rest period (damage is constant). In order to describe both coupled and uncoupled healing mechanisms, a one-dimensional element is subjected to different types of loading history. In the same context, derivation of nonlinear self-healing theory is given, and comparison of linear and nonlinear damage-healing models is carried out using both coupled and uncoupled self-healing mechanisms. The nonlinear healing theory includes generalized nonlinear and quadratic healing models. The healing efficiency is studied by varying the values of the healing rest period and the parameter describing the material characteristics. In addition, theoretical formulation of different self-healing variables is presented for both isotropic and anisotropic maerials. The healing variables are defined based on the recovery in elastic modulus, shear modulus, Poisson's ratio, and bulk modulus. The evolution of the healing variable calculated based on cross-section as function of the healing variable calculated based on elastic stiffness is presented in both hypotheses of elastic strain equivalence and elastic energy equivalence. The components of the fourth-rank healing tensor are also obtained in the case of isotropic elasticity, plane stress and plane strain. Recent research revealed that self-healing presents a crucial solution also for the strengthening of the materials. This new concept has been termed ``Super Healing``. Once the stiffness of the material is recovered, further healing can result as a strengthening material. In the present thesis, new theory of super healing materials is defined in isotropic and anisotropic cases using sound mathematical and mechanical principles which are applied in linear and nonlinear super healing theories. Additionally, the link of the proposed theory with the theory of undamageable materials is outlined. In order to describe the super healing efficiency in linear and nonlinear theories, the ratio of effective stress to nominal stress is calculated as function of the super healing variable. In addition, the hypotheses of elastic strain and elastic energy equivalence are applied. In the same context, new super healing matrix in plane strain is proposed based on continuum damage-healing mechanics. In the present work, we also focus on numerical modeling of impact behavior of reinforced concrete slabs using the commercial finite element package Abaqus/Explicit. Plain and reinforced concrete slabs of unconfined compressive strength 41 MPa are simulated under impact of ogive-nosed hard projectile. The constitutive material modeling of the concrete and steel reinforcement bars is performed using the Johnson-Holmquist-2 damage and the Johnson-Cook plasticity material models, respectively. Damage diameters and residual velocities obtained by the numerical model are compared with the experimental results and effect of steel reinforcement and projectile diameter is studied. KW - Schaden KW - Beschädigung KW - Selbstheilung KW - Zementbeton KW - Damage KW - Healing KW - Concrete KW - Autonomous KW - Autogenous KW - Super Healing Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200831-42296 ER - TY - THES A1 - Chan, Chiu Ling T1 - Smooth representation of thin shells and volume structures for isogeometric analysis N2 - The purpose of this study is to develop self-contained methods for obtaining smooth meshes which are compatible with isogeometric analysis (IGA). The study contains three main parts. We start by developing a better understanding of shapes and splines through the study of an image-related problem. Then we proceed towards obtaining smooth volumetric meshes of the given voxel-based images. Finally, we treat the smoothness issue on the multi-patch domains with C1 coupling. Following are the highlights of each part. First, we present a B-spline convolution method for boundary representation of voxel-based images. We adopt the filtering technique to compute the B-spline coefficients and gradients of the images effectively. We then implement the B-spline convolution for developing a non-rigid images registration method. The proposed method is in some sense of “isoparametric”, for which all the computation is done within the B-splines framework. Particularly, updating the images by using B-spline composition promote smooth transformation map between the images. We show the possible medical applications of our method by applying it for registration of brain images. Secondly, we develop a self-contained volumetric parametrization method based on the B-splines boundary representation. We aim to convert a given voxel-based data to a matching C1 representation with hierarchical cubic splines. The concept of the osculating circle is employed to enhance the geometric approximation, where it is done by a single template and linear transformations (scaling, translations, and rotations) without the need for solving an optimization problem. Moreover, we use the Laplacian smoothing and refinement techniques to avoid irregular meshes and to improve mesh quality. We show with several examples that the method is capable of handling complex 2D and 3D configurations. In particular, we parametrize the 3D Stanford bunny which contains irregular shapes and voids. Finally, we propose the B´ezier ordinates approach and splines approach for C1 coupling. In the first approach, the new basis functions are defined in terms of the B´ezier Bernstein polynomials. For the second approach, the new basis is defined as a linear combination of C0 basis functions. The methods are not limited to planar or bilinear mappings. They allow the modeling of solutions to fourth order partial differential equations (PDEs) on complex geometric domains, provided that the given patches are G1 continuous. Both methods have their advantages. In particular, the B´ezier approach offer more degree of freedoms, while the spline approach is more computationally efficient. In addition, we proposed partial degree elevation to overcome the C1-locking issue caused by the over constraining of the solution space. We demonstrate the potential of the resulting C1 basis functions for application in IGA which involve fourth order PDEs such as those appearing in Kirchhoff-Love shell models, Cahn-Hilliard phase field application, and biharmonic problems. T3 - ISM-Bericht // Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar - 2020,2 KW - Modellierung KW - Isogeometrische Analyse KW - NURBS KW - Geometric Modeling KW - Isogeometric Analysis KW - NURBS Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200812-42083 ER - TY - JOUR A1 - Mousavi, Seyed Nasrollah A1 - Steinke Júnior, Renato A1 - Teixeira, Eder Daniel A1 - Bocchiola, Daniele A1 - Nabipour, Narjes A1 - Mosavi, Amir A1 - Shamshirband, Shahaboddin T1 - Predictive Modeling the Free Hydraulic Jumps Pressure through Advanced Statistical Methods JF - Mathematics N2 - Pressure fluctuations beneath hydraulic jumps potentially endanger the stability of stilling basins. This paper deals with the mathematical modeling of the results of laboratory-scale experiments to estimate the extreme pressures. Experiments were carried out on a smooth stilling basin underneath free hydraulic jumps downstream of an Ogee spillway. From the probability distribution of measured instantaneous pressures, pressures with different probabilities could be determined. It was verified that maximum pressure fluctuations, and the negative pressures, are located at the positions near the spillway toe. Also, minimum pressure fluctuations are located at the downstream of hydraulic jumps. It was possible to assess the cumulative curves of pressure data related to the characteristic points along the basin, and different Froude numbers. To benchmark the results, the dimensionless forms of statistical parameters include mean pressures (P*m), the standard deviations of pressure fluctuations (σ*X), pressures with different non-exceedance probabilities (P*k%), and the statistical coefficient of the probability distribution (Nk%) were assessed. It was found that an existing method can be used to interpret the present data, and pressure distribution in similar conditions, by using a new second-order fractional relationships for σ*X, and Nk%. The values of the Nk% coefficient indicated a single mean value for each probability. KW - Maschinelles Lernen KW - Machine learning KW - mathematical modeling KW - extreme pressure KW - hydraulic jump KW - stilling basin KW - standard deviation of pressure fluctuations KW - statistical coeffcient of the probability distribution Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200402-41140 UR - https://www.mdpi.com/2227-7390/8/3/323 VL - 2020 IS - Volume 8, Issue 3, 323 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Fathi, Sadegh A1 - Sajadzadeh, Hassan A1 - Mohammadi Sheshkal, Faezeh A1 - Aram, Farshid A1 - Pinter, Gergo A1 - Felde, Imre A1 - Mosavi, Amir T1 - The Role of Urban Morphology Design on Enhancing Physical Activity and Public Health JF - International Journal of Environmental Research and Public Health N2 - Along with environmental pollution, urban planning has been connected to public health. The research indicates that the quality of built environments plays an important role in reducing mental disorders and overall health. The structure and shape of the city are considered as one of the factors influencing happiness and health in urban communities and the type of the daily activities of citizens. The aim of this study was to promote physical activity in the main structure of the city via urban design in a way that the main form and morphology of the city can encourage citizens to move around and have physical activity within the city. Functional, physical, cultural-social, and perceptual-visual features are regarded as the most important and effective criteria in increasing physical activities in urban spaces, based on literature review. The environmental quality of urban spaces and their role in the physical activities of citizens in urban spaces were assessed by using the questionnaire tool and analytical network process (ANP) of structural equation modeling. Further, the space syntax method was utilized to evaluate the role of the spatial integration of urban spaces on improving physical activities. Based on the results, consideration of functional diversity, spatial flexibility and integration, security, and the aesthetic and visual quality of urban spaces plays an important role in improving the physical health of citizens in urban spaces. Further, more physical activities, including motivation for walking and the sense of public health and happiness, were observed in the streets having higher linkage and space syntax indexes with their surrounding texture. KW - Morphologie KW - Gesundheitswesen KW - Intelligente Stadt KW - Nachhaltigkeit KW - Gesundheitsinformationssystem KW - urban morphology KW - public health KW - physical activities KW - health KW - public space KW - urban health KW - smart cities KW - sustainability Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200402-41225 UR - https://www.mdpi.com/1660-4601/17/7/2359 VL - 2020 IS - Volume 17, Issue 7, 2359 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - THES A1 - Rost, Grit T1 - Entwicklung eines Toolboxmodells als Planungswerkzeug für ein transdisziplinäres Wasserressourcenmanagement am Beispiel der Stadt Darkhan, Mongolei N2 - Im Rahmen der Dissertation wurde ein Toolboxmodell für transdisziplinäres Wasserressourcenmanagement entwickelt. Das Modell liefert den methodischen Rahmen Wasserressourcen nachhaltig und transdisziplinär zu bewirtschaften. Der Begriff der Nachhaltigkeit und eine Konkretisierung der nachhaltigen Bewirtschaftung globaler Wasserressourcen scheinen unüberschaubar und suggerieren die Forderung nach einer neuen Weltformel. Die globale Bedeutung der Wasserressourcen, die für Regionen spezifischen Besonderheiten des natürlichen Wasserhaushalts und der anthropogenen Nutzung, die Zeitskala und die Kontextualisierung in alle betroffenen und benachbarten Disziplinen deuten auf die Komplexität der Thematik hin. Es wird eine Systematisierung des Planungsprozesses von Wasserressourcen notwendig, anhand derer eine holistische Herangehensweise mit einer Strategieentwicklung für Regionen spezifischer Schwerpunktprobleme erfolgt. Ziel der Arbeit ist die Erarbeitung einer Strategie zur Systematisierung nach diesen Forderungen und die Bereitstellung eines Toolboxmodelles als Planungswerkzeug für das transdisziplinäre Wasserressourcenmanagement. Das Toolboxmodell stellt den konzeptionellen Rahmen für die Bewirtschaftung von Wasserressourcen mit der Anwendung transdisziplinärer Forschungsmethoden bereit. Wesentliche Herausforderung bei der Anwendung der transdisziplinären Methode sind die Implementierung verschiedener Skalenbereiche, der Umgang mit der Komplexität von Daten, das Bewahren von Transparenz und Objektivität sowie die Ermöglichung eines auf andere Regionen übertragbaren Planungsprozesses. Die theoretischen Grundlagen naturwissenschaftlicher Forschung zur Nachhaltigkeit haben ihren Ursprung in den biologischen und geographischen Disziplinen. Das Ineinandergreifen naturräumlicher Zusammenhänge und der Einfluss anthropogener Nutzung und technischer Innovationen auf den Naturhaushalt sind Kern der Kausalität übergreifenden Denkens und Verstehens. Mit dem Ansatz des integrierten Wasserressourcenmanagements (IWRM) erfolgt die Berücksichtigung wirtschaftlicher und sozioökonomischer Ziele in den Planungsprozess für ökologisch nachhaltige Wasserwirtschaft. Das Instrument der Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) ist auf eine Gewässerökologie ausgerichtete Richtlinie, welche die Integration verschiedener Interessenvertreter in den Planungsprozess vorsieht. Das Konzept der neuartigen Sanitärsysteme basiert auf Stoffflüssen zwischen konkurrierenden Handlungsbereichen, wie Abfall-, Ressourcen- und Landwirtschaft. Den integrierten Ansätzen fehlt eine übergeordnete gemeinsame Zielstrategie – eine sogenannte Phase Null. Diese Phase Null – das Lernen aller 7 Zusammenfassung 157 relevanten, konkurrierenden und harmonisierenden Handlungsfelder eines Planungshorizontes wird durch eine transdisziplinäre Perspektive ermöglicht. Während bei der integralen Perspektive eine disziplinorientierte Kooperation im Vordergrund steht, verlangt die transdisziplinäre Perspektive nach einer problemorientierten Kooperation zwischen den Interessenvertretern (Werlen 2015). Die bestehenden Konzepte und Richtlinien für das nachhaltige Management von Wasserressourcen sind etabliert und evaluiert. Der Literatur zur Folge ist eine Weiterentwicklung nach der Perspektive der Transdisziplinarität erforderlich. Das Toolboxmodell für integrales Wasserressourcenmanagement entspricht einem Planungstool bestehend aus Werkzeugen für die Anwendung wissenschaftlicher Methoden. Die Zusammenstellung der Methoden/Werkzeuge erfüllt im Rahmen die Methode transdisziplinärer Forschung. Das Werkzeug zum Aufstellen der relevanten Handlungsfelder umfasst die Charakterisierung eines Untersuchungsgebietes und Planungsrahmens, die kausale Verknüpfung des Bewirtschaftungskonzeptes und konkurrierender sowie sich unterstützender Stakeholder. Mit dem Werkzeug der Kontextualisierung und Indikatorenaufstellung wird eine Methode der stufenweisen und von einer Skala unabhängigen Bewertung des Umweltzustandes für die Zielpriorisierung vorgenommen. Damit wird das Toolboxmodell dem Problem der Komplexität und Datenverfügbarkeit gerecht. Anhand der eingesetzten ABC Methode, werden die Bewertungsgrößen differenziert strukturiert auf verschiedene Skalen und Datenressourcen (A=Ersterkennung,B=Zeigerwerte, C=Modell/Index). Die ABC-Methode ermöglicht die Planung bereits mit unsicherer und lückenhafter Datengrundlage, ist jederzeit erweiterbar und bietet somit eine operative Wissensgenerierung während des Gestaltungsprozesses. Für das Werkzeug zur Bewertung und Priorisierung wird der Algorithmus der Composite Programmierung angewandt. Diese Methode der Mehrfachzielplanung erfüllt den Anspruch der permanenten Erweiterbarkeit und der transparenten und objektiven Entscheidungsfindung. Die Komplexität des transdisziplinären Wasserressourcenmanagements kann durch die Methode der Composite Programmierung systematisiert werden. Das wesentliche Ergebnis der Arbeit stellt die erfolgreiche Erarbeitung und Anwendung des Tool-boxmodells für das transdisziplinäre Wasserressourcenmanagement im Untersuchungsgebiet Stadt Darkhan in der Mongolei dar. Auf Grund seiner besonderen hydrologischen und strukturellen Situa-tion wird die Relevanz eines nachhaltigen Bewirtschaftungskonzeptes deutlich. Im Rahmen des Querschnittsmoduls des MoMo-Projektes wurde eine für das Toolboxmodell geeignete Datengrundlage erarbeitet. Planungsrelevante Handlungsfelder wurden im Rahmen eines Workshops mit verschiedenen Interessenvertretern erarbeitet. Im Ergebnis dessen wurde die Systematik eines Zielbaumes mit Hauptzielen und untergeordneten Teilzielen als Grundlage der Priorisierung nach den holistischen Anspruch der transdisziplinären Forschung aufgestellt. Für die Messbarkeit, in-wieweit Teilziele erreicht sind oder Handlungsbedarf besteht, wurden Indikatoren erarbeitet. Die Indikatoren-Aufstellung erfolgte exemplarisch für das Handlungsfeld Siedlungswasserwirtschaft in allen Skalen des ABC-Systems. Die im BMBF-MoMo Projekt generierte umfassende Datengrundlage ermöglichte die Anwendung und Evaluierung des Toolboxmodells mit unterschiedlichem quantitativem und qualitativem Dateninput. Verschiedene Kombination von A (Ersterkennung), B (Zeigerwerte) und C (Modell/Index) als Grundlage der Priorisierung mit der Compostite Programmierung ermöglichten die Durchführung und Bewertung des transdisziplinären Planungstools. Die er-mittelten Rangfolgen von Teilzielen mit unterschiedlichen Bewertungsvarianten ergaben ähnliche Tendenzen. Das ist ein Hinweis dafür, dass für die zukünftige Anwendung des Toolboxmodells die operative Wissensgenerierung, d.h. das schrittweise Hinzufügen neu ermittelter, gesicherterer Daten, funktioniert. Eine schwierige Datenverfügbarkeit oder eine noch im Prozess befindliche wissenschaftliche Analyse sollen keine Hindernisse für eine schrittweise und erweiterbare Zielpriorisierung und Maßnahmenplanung sein. Trotz der Komplexität des transdisziplinären Ansatzes wird durch die Anwendung des Toolboxmodells eine effiziente und zielorientierte Handlungspriorisierung ermöglicht. Die Effizienz wird erreicht durch ressourcenschonende und flexible, Ziel fokussierte Datenermittlung. Zeit und Kosten im Planungsprozess können eingespart werden. Die erzielte Priorisierung von letztlich Handlungsempfehlungen erfolgt individuell auf die Eigenart des Untersuchungsgebietes angepasst, was hinsichtlich seiner Wirkung als erfolgsversprechend gilt. T3 - Schriften der Bauhaus-Universität Weimar - 39 KW - Wasserreserve KW - Transdisziplinarität KW - Flussgebiet KW - Mongolei KW - Wasserressourcenmanagement KW - Mangement Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20201113-42874 SN - 978-3-941216-94-5 PB - Rhombus CY - Berlin ER - TY - THES A1 - Salavati, Mohammad T1 - Multi-Scale Modeling of Mechanical and Electrochemical Properties of 1D and 2D Nanomaterials, Application in Battery Energy Storage Systems N2 - Material properties play a critical role in durable products manufacturing. Estimation of the precise characteristics in different scales requires complex and expensive experimental measurements. Potentially, computational methods can provide a platform to determine the fundamental properties before the final experiment. Multi-scale computational modeling leads to the modeling of the various time, and length scales include nano, micro, meso, and macro scales. These scales can be modeled separately or in correlation with coarser scales. Depend on the interested scales modeling, the right selection of multi-scale methods leads to reliable results and affordable computational cost. The present dissertation deals with the problems in various length and time scales using computational methods include density functional theory (DFT), molecular mechanics (MM), molecular dynamics (MD), and finite element (FE) methods. Physical and chemical interactions in lower scales determine the coarser scale properties. Particles interaction modeling and exploring fundamental properties are significant challenges of computational science. Downscale modelings need more computational effort due to a large number of interacted atoms/particles. To deal with this problem and bring up a fine-scale (nano) as a coarse-scale (macro) problem, we extended an atomic-continuum framework. The discrete atomic models solve as a continuum problem using the computationally efficient FE method. MM or force field method based on a set of assumptions approximates a solution on the atomic scale. In this method, atoms and bonds model as a harmonic oscillator with a system of mass and springs. The negative gradient of the potential energy equal to the forces on each atom. In this way, each bond's total potential energy includes bonded, and non-bonded energies are simulated as equivalent structural strain energies. Finally, the chemical nature of the atomic bond is modeled as a piezoelectric beam element that solves by the FE method. Exploring novel materials with unique properties is a demand for various industrial applications. During the last decade, many two-dimensional (2D) materials have been synthesized and shown outstanding properties. Investigation of the probable defects during the formation/fabrication process and studying their strength under severe service life are the critical tasks to explore performance prospects. We studied various defects include nano crack, notch, and point vacancy (Stone-Wales defect) defects employing MD analysis. Classical MD has been used to simulate a considerable amount of molecules at micro-, and meso- scales. Pristine and defective nanosheet structures considered under the uniaxial tensile loading at various temperatures using open-source LAMMPS codes. The results were visualized with the open-source software of OVITO and VMD. Quantum based first principle calculations have been conducting at electronic scales and known as the most accurate Ab initio methods. However, they are computationally expensive to apply for large systems. We used density functional theory (DFT) to estimate the mechanical and electrochemical response of the 2D materials. Many-body Schrödinger's equation describes the motion and interactions of the solid-state particles. Solid describes as a system of positive nuclei and negative electrons, all electromagnetically interacting with each other, where the wave function theory describes the quantum state of the set of particles. However, dealing with the 3N coordinates of the electrons, nuclei, and N coordinates of the electrons spin components makes the governing equation unsolvable for just a few interacted atoms. Some assumptions and theories like Born Oppenheimer and Hartree-Fock mean-field and Hohenberg-Kohn theories are needed to treat with this equation. First, Born Oppenheimer approximation reduces it to the only electronic coordinates. Then Kohn and Sham, based on Hartree-Fock and Hohenberg-Kohn theories, assumed an equivalent fictitious non-interacting electrons system as an electron density functional such that their ground state energies are equal to a set of interacting electrons. Exchange-correlation energy functionals are responsible for satisfying the equivalency between both systems. The exact form of the exchange-correlation functional is not known. However, there are widely used methods to derive functionals like local density approximation (LDA), Generalized gradient approximation (GGA), and hybrid functionals (e.g., B3LYP). In our study, DFT performed using VASP codes within the GGA/PBE approximation, and visualization/post-processing of the results realized via open-source software of VESTA. The extensive DFT calculations are conducted 2D nanomaterials prospects as anode/cathode electrode materials for batteries. Metal-ion batteries' performance strongly depends on the design of novel electrode material. Two-dimensional (2D) materials have developed a remarkable interest in using as an electrode in battery cells due to their excellent properties. Desirable battery energy storage systems (BESS) must satisfy the high energy density, safe operation, and efficient production costs. Batteries have been using in electronic devices and provide a solution to the environmental issues and store the discontinuous energies generated from renewable wind or solar power plants. Therefore, exploring optimal electrode materials can improve storage capacity and charging/discharging rates, leading to the design of advanced batteries. Our results in multiple scales highlight not only the proposed and employed methods' efficiencies but also promising prospect of recently synthesized nanomaterials and their applications as an anode material. In this way, first, a novel approach developed for the modeling of the 1D nanotube as a continuum piezoelectric beam element. The results converged and matched closely with those from experiments and other more complex models. Then mechanical properties of nanosheets estimated and the failure mechanisms results provide a useful guide for further use in prospect applications. Our results indicated a comprehensive and useful vision concerning the mechanical properties of nanosheets with/without defects. Finally, mechanical and electrochemical properties of the several 2D nanomaterials are explored for the first time—their application performance as an anode material illustrates high potentials in manufacturing super-stretchable and ultrahigh-capacity battery energy storage systems (BESS). Our results exhibited better performance in comparison to the available commercial anode materials. KW - Batterie KW - Modellierung KW - Nanostrukturiertes Material KW - Mechanical properties KW - Multi-scale modeling KW - Energiespeichersystem KW - Elektrodenmaterial KW - Elektrode KW - Mechanische Eigenschaft KW - Elektrochemische Eigenschaft KW - Electrochemical properties KW - Battery development KW - Nanomaterial Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20200623-41830 ER - TY - JOUR A1 - Legatiuk, Dmitrii T1 - Mathematical Modelling by Help of Category Theory: Models and Relations between Them JF - mathematics N2 - The growing complexity of modern practical problems puts high demand on mathematical modelling. Given that various models can be used for modelling one physical phenomenon, the role of model comparison and model choice is becoming particularly important. Methods for model comparison and model choice typically used in practical applications nowadays are computationbased, and thus time consuming and computationally costly. Therefore, it is necessary to develop other approaches to working abstractly, i.e., without computations, with mathematical models. An abstract description of mathematical models can be achieved by the help of abstract mathematics, implying formalisation of models and relations between them. In this paper, a category theory-based approach to mathematical modelling is proposed. In this way, mathematical models are formalised in the language of categories, relations between the models are formally defined and several practically relevant properties are introduced on the level of categories. Finally, an illustrative example is presented, underlying how the category-theory based approach can be used in practice. Further, all constructions presented in this paper are also discussed from a modelling point of view by making explicit the link to concrete modelling scenarios. KW - Kategorientheorie KW - Modellierung KW - Modellierungsmethode KW - OA-Publikationsfonds2021 Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20210817-44844 UR - https://www.mdpi.com/2227-7390/9/16/1946?type=check_update&version=1 VL - 2021 IS - volume 9, issue 16, article 1946 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Alkam, Feras A1 - Lahmer, Tom T1 - A robust method of the status monitoring of catenary poles installed along high-speed electrified train tracks JF - Results in Engineering N2 - Electric trains are considered one of the most eco-friendly and safest means of transportation. Catenary poles are used worldwide to support overhead power lines for electric trains. The performance of the catenary poles has an extensive influence on the integrity of the train systems and, consequently, the connected human services. It became a must nowadays to develop SHM systems that provide the instantaneous status of catenary poles in- service, making the decision-making processes to keep or repair the damaged poles more feasible. This study develops a data-driven, model-free approach for status monitoring of cantilever structures, focusing on pre-stressed, spun-cast ultrahigh-strength concrete catenary poles installed along high-speed train tracks. The pro-posed approach evaluates multiple damage features in an unfied damage index, which leads to straightforward interpretation and comparison of the output. Besides, it distinguishes between multiple damage scenarios of the poles, either the ones caused by material degradation of the concrete or by the cracks that can be propagated during the life span of the given structure. Moreover, using a logistic function to classify the integrity of structure avoids the expensive learning step in the existing damage detection approaches, namely, using the modern machine and deep learning methods. The findings of this study look very promising when applied to other types of cantilever structures, such as the poles that support the power transmission lines, antenna masts, chimneys, and wind turbines. KW - Fahrleitung KW - Catenary poles KW - SHM KW - Model-free status monitoring KW - Sigmoid function KW - High-speed electric train KW - Schaden KW - OA-Publikationsfonds2021 Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20211011-45212 UR - https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590123021000906?via%3Dihub VL - 2021 IS - volume 12, article 100289 SP - 1 EP - 8 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - THES A1 - Stang, René T1 - Methode zur Ökoeffizienzbewertung wärmetechnischer Anlagen in Gebäuden N2 - Die vorliegende Arbeit richtet sich an Ingenieur*innen und Wissenschaftler*innen der technischen Gebäudeausrüstung. Sie greift einen sich abzeichnenden Änderungsbedarf in der Umwelt- und Nachhaltigkeitsbewertung von Gebäuden und wärmetechnischen Anlagen auf. Der aktuell genutzte nicht erneuerbare Primärenergiebedarf wird insbesondere hinsichtlich künftiger politischer Klima- und Umweltschutzziele als alleinige Bewertungsgröße nicht ausreichend sein. Die mit dieser Arbeit vorgestellte Ökoeffizienzbewertungsmethode kann als geeignetes Instrument zur Lösung der Probleme beitragen. Sie ermöglicht systematische, ganzheitliche Bewertungen und reproduzierbare Vergleiche wärmetechnischer Anlagen bezüglich ihrer ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit. Die wesentlichsten Neuentwicklungen sind die spezifische Umweltleistung, in Erweiterung zum genutzten Primärenergiefaktor, und der Ökoeffizienzindikator UWI. KW - Energiewirtschaft KW - Nachhaltigkeit KW - Primärenergie KW - erneuerbare Energie KW - Wärmebedarf KW - Nachhaltigkeitsbewertung KW - Ökobilanz KW - Ökoeffizienz KW - Primärenergiefaktor KW - Umweltleistung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:gbv:wim2-20211119-45280 SN - 978-3-18-300623-6 (print) PB - VDI Verlag CY - Düsseldorf ER -