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Entwicklung und Untersuchung von alternativen Dicalciumsilicat-Bindern auf der Basis von alpha-C2SH
(2018)
Um den Klimawandel zu begrenzen, müssen die CO2-Emissionen drastisch gesenkt werden [100]. Bis 2050 soll bei der Herstellung von Zement eine Einsparung um 51–60 % auf 0,425–0,350 tCO2/tZement erfolgen [7]. Um dieses Ziel zu erreichen, sind alternative Bindemittelkonzepte notwendig [70].
Diese Arbeit widmet sich alternativen, hochreaktiven Dicalciumsilicat-Bindemitteln, die durch die thermische Aktivierung von α-Dicalcium-Silicat-Hydrat (α-C2SH) erzeugt werden. Das α-C2SH ist eine kristalline C S H-Phase, die im hydrothermalen Prozess, beispielsweise aus Branntkalk und Quarz, herstellbar ist. Die thermische Aktivierung kann bei sehr niedrigen Temperaturen erfolgen (>420 °C) und führt zu einem Multiphasen-C2S-Binder. Als besonders reaktive Bestandteile können x-C2S und röntgenamorphe Anteile enthalten sein. Weiterhin können β C2S, γ C2S und Dellait (Ca6(SiO4)(Si2O7)(OH)2) entstehen.
Im Rahmen der Arbeit wird zunächst der Stand des Wissens zur Polymorphie und Hydratation von C2S zusammengefasst. Es werden bekannte C2S-basierte Bindemittelkonzepte vorgestellt und bewertet.
Die Herstellung von C2S-Bindern wird experimentell im Labormaßstab untersucht. Dabei kommen unterschiedliche Autoklaven und ein Muffelofen zum Einsatz. Die Herstellungsparameter werden hinsichtlich Phasenbestand und Reaktivität optimiert. Die Bindemittel werden durch quantitative Röntgen-Phasenanalyse (QXRD), Rasterelektronenmikroskopie (REM), N2-Adsorption (BET-Methode), Heliumpycnometer, Thermoanalyse (TGA/DSC) und 29Si-MAS- sowie 29Si-1H-CP/MAS-NMR-Spektroskopie charakterisiert. Das Hydratationsverhalten der Bindemittel wird vorrangig mithilfe von Wärmeflusskalorimetrie untersucht. Weiterhin werden in situ und ex situ XRD-, TGA/DSC- und REM-Untersuchungen durchgeführt. Anhand von zwei Bindemitteln wird die Fähigkeit zur Erzielung hoher Festigkeiten demonstriert. Abschließend erfolgt eine Abschätzung zu Energiebedarf und CO2-Emissionen für die Herstellung der untersuchten C2S-Binder.
Die Ergebnisse zeigen, dass für eine hohe Reaktivität der Binder eine niedrige Brenntemperatur und ein geringer Wasserdampfpartialdruck während der thermischen Aktivierung entscheidend sind. Weiterhin muss das hydrothermal hergestellte α-C2SH eine möglichst hohe spezifische Oberfläche aufweisen. Diese Parameter beeinflussen den Phasenbestand und die phasenspezifische Reaktivität. Brenntemperaturen von ca. 420–500 °C führen zu hochreaktiven Bindern, die im Rahmen dieser Arbeit als Niedertemperatur-C2S-Binder bezeichnet werden. Temperaturen von ca. 600–800 °C führen zu Bindern mit geringerer Reaktivität, die im Rahmen dieser Arbeit als Hochtemperatur-C2S bezeichnet werden. Höhere Brenntemperaturen (1000 °C) führen zu Bindemitteln, die innerhalb der ersten drei Tage keine hydraulische Aktivität zeigen.
Die untersuchten Bindemittel können sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erreichen. Die Wärmeflusskalorimetrie deutet bei einigen Bindemitteln einen nahezu vollständigen Umsatz innerhalb von drei Tagen an. Durch XRD wurde für einen Binder der vollständige Verbrauch von x-C2S innerhalb von drei Tagen nachgewiesen. Für einen mittels in-situ-XRD und Wärmeflusskalorimetrie untersuchten Binder wurde gezeigt, dass die Phasen vorrangig in der Reihenfolge röntgenamorph > x-C2S > β-C2S > γ-C2S hydratisieren. Hydratationsprodukte sind nadelige C S H-Phasen und Portlandit.
Die Herstellung durch thermische Aktivierung von α-C2SH führt zu tafeligen Bindemittelpartikeln, die teilweise Zwickelräume und Poren zwischen den einzelnen Partikeln einschließen. Um eine verarbeitbare Bindemittelpaste zu erzeugen, sind daher sehr hohe Wasser/Bindemittel-Werte (z. B. 1,4) erforderlich. Der Wasseranspruch kann durch Mahlung etwa auf das Niveau von Zement gesenkt werden.
Die Druckfestigkeitsentwicklung wurde an zwei Niedertemperatur-C2S-Kompositbindern mit 40 % Kalksteinmehl bzw. 40 % Hüttensand untersucht. Aufgrund von theoretischen Betrachtungen zur Porosität in Abhängigkeit des w/b-Wertes wurde dieser auf 0,3 festgelegt. Durch Zugabe von PCE-Fließmittel wurde ein verarbeitbarer Mörtel erhalten. Die Festigkeitsentwicklung ist sehr schnell. Der Kalksteinmehl-Binder erreichte nach zwei Tagen 46 N/mm². Bis Tag 28 trat keine weitere Festigkeitssteigerung ein. Der Hüttensand-Binder erreichte nach zwei Tagen 62 N/mm². Durch die Hüttensandreaktion stieg die Festigkeit bis auf 85 N/mm² nach 28 Tagen an.
Für den Herstellungsprozess von Niedertemperatur-C2S-Binder wurden Energieverbräuche und CO2-Emissionen abgeschätzt. Es deutet sich an, dass, bezogen auf die Bindemittelmenge, keine wesentlichen Einsparungen im Vergleich zur Portlandzementherstellung möglich sind. Für die tatsächlichen Emissionen muss jedoch zusätzlich die Leistungsfähigkeit der Bindemittel berücksichtigt werden. Die Leistungsfähigkeit kann als erforderliche Bindemittelmenge betrachtet werden, die je m³ Beton eingesetzt werden muss, um bestimmte Festigkeits-, Dauerhaftigkeits- und Verarbeitungseigenschaften zu erreichen.
Aus verschiedenen Veröffentlichungen [94, 201, 206] wurde die These abgeleitet, dass die Leistungsfähigkeit eines Bindemittels maßgeblich von der C-S-H-Menge bestimmt wird, die während der Hydratation gebildet wird. Daher wird für NT-C2S-Binder eine außergewöhnlich hohe Leistungsfähigkeit erwartet.
Auf Basis der Leistungsfähigkeitsthese verringern sich die abgeschätzten CO2-Emissionen von NT-C2S-Bindern, sodass gegenüber Portlandzement ein mögliches Einsparpotenzial von 42 % ermittelt wurde.
This cumulative dissertation discusses - by the example of four subsequent publications - the various layers of a tangible interaction framework, which has been developed in conjunction with an electronic musical instrument with a tabletop tangible user interface. Based on the experiences that have been collected during the design and implementation of that particular musical application, this research mainly concentrates on the definition of a general-purpose abstraction model for the encapsulation of physical interface components that are commonly employed in the context of an interactive surface environment. Along with a detailed description of the underlying abstraction model, this dissertation also describes an actual implementation in the form of a detailed protocol syntax, which constitutes the common element of a distributed architecture for the construction of surface-based tangible user interfaces. The initial implementation of the presented abstraction model within an actual application toolkit is comprised of the TUIO protocol and the related computer-vision based object and multi-touch tracking software reacTIVision, along with its principal application within the Reactable synthesizer. The dissertation concludes with an evaluation and extension of the initial TUIO model, by presenting TUIO2 - a next generation abstraction model designed for a more comprehensive range of tangible interaction platforms and related application scenarios.
Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Modifizieren von Computerspielen (Modding). Die Annäherung an das Modding geschieht aus zwei unterschiedlichen Blickrichtungen: Zum einen wird mit einem analytischen Blick auf das Themenfeld geschaut, der das bereits Erforschte mit den eigenen Suchbewegungen kombiniert. Zum anderen wird die Perspektive der Handlung eingenommen, die sich in der Widerständigkeit des Materials, der Werkzeuge und der Spieltechnologie äußert. Im Mittelpunkt der Auseinandersetzung stehen das Modding als Praxis, die Mods als Derivate und die Erforschung des Computerspiels mit den Praktiken und Derivaten des Modifizierens. Das Modding wird so zu einer epistemischen Praxis des Computerspiels.
Die hier formulierten Überlegungen zum Modding, als eine forschende Praxis des Computerspiels, präsentieren eine Vorgehensweise, die ästhetische, widerständige und stabilisierende Aspekte in sich vereint. Sie dient der Erforschung des Computerspiels entlang seiner Diskussionen, Materialien, Technologien und Praktiken und fokussiert hierbei auf das Abseitige, dass als integraler Bestandteil des Computerspiels verstanden wird. Mit diesem Blick auf die Grenzen des Computerspielens werden Dinge sichtbar, die zwar Teil der synthetischen Computerspielwelten sind, durch dessen Inszenierungen und Atmosphären jedoch verschleiert werden. Der hier entwickelte Ansatz ermöglicht einen Perspektivenwechsel innerhalb dieser Welten und die Erforschung des Computerspiels unter besonderer Berücksichtigung seiner eingeschriebenen Normen und Machtverhältnissen. Das Modding dient hierbei als eine kritische Praxis zur Entschlüsselung dieser medial vermittelten Konstellationen.
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.
Polymeric nanocomposites (PNCs) are considered for numerous nanotechnology such as: nano-biotechnology, nano-systems, nanoelectronics, and nano-structured materials. Commonly , they are formed by polymer (epoxy) matrix reinforced with a nanosized filler. The addition of rigid nanofillers to the epoxy matrix has offered great improvements in the fracture toughness without sacrificing other important thermo-mechanical properties. The physics of the fracture in PNCs is rather complicated and is influenced by different parameters. The presence of uncertainty in the predicted output is expected as a result of stochastic variance in the factors affecting the fracture mechanism. Consequently, evaluating the improved fracture toughness in PNCs is a challenging problem.
Artificial neural network (ANN) and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) have been employed to predict the fracture energy of polymer/particle nanocomposites. The ANN and ANFIS models were constructed, trained, and tested based on a collection of 115 experimental datasets gathered from the literature. The performance evaluation indices of the developed ANN and ANFIS showed relatively small error, with high coefficients of determination (R2), and low root mean square error and mean absolute percentage error.
In the framework for uncertainty quantification of PNCs, a sensitivity analysis (SA) has been conducted to examine the influence of uncertain input parameters on the fracture toughness of polymer/clay nanocomposites (PNCs). The phase-field approach is employed to predict the macroscopic properties of the composite considering six uncertain input parameters. The efficiency, robustness, and repeatability are compared and evaluated comprehensively for five different SA methods.
The Bayesian method is applied to develop a methodology in order to evaluate the performance of different analytical models used in predicting the fracture toughness of polymeric particles nanocomposites. The developed method have considered the model and parameters uncertainties based on different reference data (experimental measurements) gained from the literature. Three analytical models differing in theory and assumptions were examined. The coefficients of variation of the model predictions to the measurements are calculated using the approximated optimal parameter sets. Then, the model selection probability is obtained with respect to the different reference data.
Stochastic finite element modeling is implemented to predict the fracture toughness of polymer/particle nanocomposites. For this purpose, 2D finite element model containing an epoxy matrix and rigid nanoparticles surrounded by an interphase zone is generated. The crack propagation is simulated by the cohesive segments method and phantom nodes. Considering the uncertainties in the input parameters, a polynomial chaos expansion (PCE) surrogate model is construed followed by a sensitivity analysis.
Polymer-modified cement concrete (PCC) is a heterogeneous building material with a hierarchically organized microstructure. Therefore, continuum micromechanics-based multiscale models represent a promising method to estimate the mechanical properties. By means of a bottom-up approach, homogenized properties at the macroscopic scale are derived considering microstructural characteristics. The extension of existing multiscale models for the application to PCC is the main objective of this work. For that, cross-scale experimental studies are required. Both macroscopic and microscopic mechanical tests are performed to characterize the elastic and viscoelastic properties of different PCC. The comparison between experiment and model prediction illustrates the success of the modeling approach.
Córdoba es la segunda ciudad más poblada de la Argentina, y posee el ejido municipal más extenso del país, siendo un importante centro industrial y de servicios del centro del país. Es además la cabecera de la segunda región metropolitana argentina, el Área Metropolitana de Córdoba (AMCBA). Si bien el desarrollo de sus áreas centrales y periurbanas es un tema bastante desarrollado académicamente, actualmente hay un vacío de conocimiento en la situación actual de las áreas pericentrales e intermedias de esta ciudad -aun cuando ocupan más del 30% del área urbanizada y donde habita la mayor parte de su población-. Es en estas áreas donde se ubica el objeto de estudio de esta tesis: los barrios pericentrales que forman un anillo alrededor del área central. Originados como extensiones suburbanas alrededor de 1940, y consolidados como barrios residenciales de clase media y media alta de baja densidad antes de 1970, ocupan lo que son hoy algunas de las áreas con mejor calidad ambiental y urbana de la ciudad.
Los barrios pericentrales son considerados generalmente consolidados y estables; sin embargo, analizados en detalle, muestran complejas transformaciones: un vaciamiento poblacional constante, a pesar del crecimiento demográfico en general de Córdoba y el AMCBA; aumento de inmuebles abandonados; y a diferencia de sectores en una similar posición, no son objeto de grandes inversiones inmobiliarias de renovación urbana.
Esta situación es invisibilizada, en parte por ser resultado de procesos con poco impacto relativo en la ciudad, y en parte porque estos procesos no están contemplados por los modelos urbanos locales vigentes –basados en la teoría racionalista y determinista de principios del siglo XX-, que conceptualizan a los barrios pericentrales como una “panacea urbana”. Esta tesis puso en disputa estos modelos, partiendo de la discusión sobre un fenómeno informal detectado indefectiblemente (aunque no exclusivamente) en estos barrios pericentrales: la microdensificación emergente.
La imposibilidad de colocar los inmuebles existentes en el mercado hace que los propietarios busquen nuevas formas de valorizar sus propiedades, de facilitar el acceso a la vivienda a sus hijos o de invertir sus ahorros de forma segura, obteniendo una fuente adicional de ingresos: en cada parcela edificada se aumenta la cantidad de unidades funcionales, aprovechando la superficie construible vacante o refuncionalizando las construcciones obsoletas, aunque manteniendo el grano y la escala de intervención respecto al tejido existente. La oferta de hábitat en estos barrios se diversifica, y no sólo evita la expulsión de población, sino que también atrae a nuevos habitantes. Además, en un tejido originalmente sólo residencial, incorpora actividades de comercio y servicios que enriquecen el tejido funcional.
El proceso se realiza sin planificación general (y por supuesto fuera del marco legal): es la suma de acciones individuales que se reconstruyen como una “tendencia” o “patrón emergente”, revitalizando el tejido urbano de forma sutil pero definitiva.
Se planteó como hipótesis que la microdensificación emergente es un proceso de revitalización que aprovecha el potencial del tejido de estos barrios de forma más sostenible y eficiente que el modelo impuesto formalmente.
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La tesis se encuadró bajo el enfoque sistémico de la complejidad. Este enfoque entiende a la ciudad como un sistema complejo y dinámico, en desarrollo constante; determinado más por las interrelaciones entre sus componentes y entre esos componentes y el contexto, que por las condiciones de cada elemento individualmente. La calidad y cantidad de estas interacciones es primordial, al punto de definir la condición urbana de una aglomeración. Según estas premisas, un sistema urbano sostenible y eficiente será aquel que, maximizando recursos materiales y humanos (y de acuerdo a la capacidad de carga del sistema) desarrolle de redes de intercambio múltiples, diversas y descentralizadas, que generen procesos de sinergia y desarrollo inclusivos.
La investigación se estructuró entonces de forma tal de responder las siguientes preguntas:
•
En primer lugar, ¿cuáles son las condiciones específicas que catalizan la microdensificación en los barrios pericentrales de Córdoba?
•
Siendo la microdensificación una respuesta a una situación particular dentro del sistema urbano, ¿Cuál es el grado de sostenibilidad y eficiencia que aporta a los barrios pericentrales (en particular) y a Córdoba (en general)?
•
Y tras haber identificado su impacto en la estructura urbana, su potencial transformador y organizativo, ¿puede el estudio de los procesos emergentes hacer un aporte conceptual e instrumental a los modelos locales de planeamiento urbano?
Primeramente, un análisis documental reconstruyó la condición específica de los barrios pericentrales, y el escenario actual de Córdoba con respecto a la producción y acceso al hábitat urbano. Luego se infirió un escenario tendencial a corto y mediano plazo, que sirvió para definir distintos patrones de territorialización, incluyendo el patrón “formal” de los barrios pericentrales. Se continuó con el análisis específico de la microdensificación, proponiendo un escenario posible a mediano plazo donde el patrón de microdensificación ha sido plenamente desarrollado, transformando cuali y cuantitativamente el tejido espacio-funcional y socioeconómico.
A partir de estos resultados, se realizó un análisis comparativo de los distintos patrones de desarrollo urbano de Córdoba en cuanto a su sostenibilidad y eficiencia. Se demostró que el patrón de microdensificación en los barrios pericentrales es mucho más sostenible y eficiente que los patrones formales existentes, y se abrió la discusión que se desarrolla en la última parte de esta tesis:
El argumento desarrollado en esta investigación y los resultados que de él se desprenden tienen un carácter analítico y explicativo útil para el análisis de otros escenarios en el contexto urbano argentino y latinoamericano. En primer lugar, sobre preferir la revitalización progresiva frente a la renovación total o la creación de nuevo suelo urbano en la periferia; promover una ciudad compacta, diversa e inclusiva tanto social como funcionalmente; basada en la multiplicación y diversificación de los agentes productores de ciudad; que considera estos procesos, así como los mecanismos de empoderamiento, participación y gobernanza como instrumentos para lograr mayor sostenibilidad y eficiencia en el desarrollo urbano. Por otro lado, esta tesis puso en relevancia el rol de los procesos emergentes en un sistema urbano como mecanismo vital para generar esta revitalización. Finalmente, se discute el aporte del enfoque sistémico para comprender, explicar y proponer intervenciones a la disciplina.
SEEING HISTORY - THE AUGMENTED ARCHIVE erforscht – in Theorie und Praxis – die Medialitäten des Archivs in Zeiten des Übergangs vom Speichermedium hin zum Modus des Übertragens. Am Beispiel Ägyptens seit den politischen Umwälzungen 2011 wird ein neues Archivsystem entwickelt, das mit Hilfe von Augmented Reality Technologie - d.h. der virtuellen Erweiterung des Realraums von mobiler Videotechnik durch Metainformationen - das umfassendste bestehende Videoarchiv zur ägyptischen Revolution im Stadtraum Kairos per GPS-Kodierung zur Verfügung stellt.
As one of its primary objectives, Computer Graphics aims at the simulation of fabrics’ complex reflection behaviour. Characteristic surface reflectance of fabrics, such as highlights, anisotropy or retro-reflection arise the difficulty of synthesizing. This problem can be solved by using Bidirectional Texture Functions (BTFs), a 2D-texture under various light and view direction. But the acquisition of Bidirectional Texture Functions requires an expensive setup and the measurement process is very time-consuming. Moreover, the size of BTF data can range from hundreds of megabytes to several gigabytes, as a large number of high resolution pictures have to be used in any ideal cases. Furthermore, the three-dimensional textured models rendered through BTF rendering method are subject to various types of distortion during acquisition, synthesis, compression, and processing. An appropriate image quality assessment scheme is a useful tool for evaluating image processing algorithms, especially algorithms designed to leave the image visually unchanged. In this contribution, we present and conduct an investigation aimed at locating a robust threshold for downsampling BTF images without loosing perceptual quality. To this end, an experimental study on how decreasing the texture resolution influences perceived quality of the rendered images has been presented and discussed.
Next, two basic improvements to the use of BTFs for rendering are presented: firstly, the study addresses the cost of BTF acquisition by introducing a flexible low-cost step motor setup for BTF acquisition allowing to generate a high quality BTF database taken at user-defined arbitrary angles. Secondly, the number of acquired textures to the perceptual quality of renderings is adapted so that the database size is not overloaded and can fit better in memory when rendered.
Although visual attention is one of the essential attributes of HVS, it is neglected in most existing quality metrics. In this thesis an appropriate objective quality metric based on extracting visual attention regions from images and adequate investigation of the influence of visual attention on perceived image quality assessment, called Visual Attention Based Image Quality Metric (VABIQM), has been proposed. The novel metric indicates that considering visual saliency can offer significant benefits with regard to constructing objective quality metrics to predict the visible quality differences in images rendered by compressed and non-compressed BTFs and also outperforms straightforward existing image quality metrics at detecting perceivable differences.
Die Zonenmethode nach Hertz ist ein vereinfachtes Verfahren zur Heißbemessung von Stahlbetonbauteilen. Um eine händische Bemessung zu ermöglichen, werden daher verschiedene Annahmen und Vereinfachungen getroffen. Insbesondere werden die thermischen Dehnungen vernachlässigt und das mechanische Verhalten durch einen verkleinerten Querschnitt mit konstanten Stoffeigenschaften beschrieben.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist, dieses vereinfachte Verfahren in ein nichtlineares Verfahren zur Heißbemessung von Stahlbetondruckgliedern bei Brandbeanspruchung durch die Einheits-Temperaturzeitkurve zu überführen. Dazu werden die wesentlichen Annahmen der Zonenmethode überprüft und ein Vorschlag zur Weiterentwicklung vorgestellt. Dieser beruht im Wesentlichen auf der Modellierung der druckbeanspruchten Bewehrung. Diese weiterentwickelte Zonenmethode wird durch die Nachrechnung von Laborversuchen validiert und das Sicherheitsniveau durch eine vollprobabilistische Analyse und den Vergleich mit dem allgemeinen Verfahren bestimmt.