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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.
A coupled thermo-hydro-mechanical model of jointed hard rock for compressed air energy storage
(2014)
Renewable energy resources such as wind and solar are intermittent, which causes instability when being connected to utility grid of electricity. Compressed air energy storage (CAES) provides an economic and technical viable solution to this problem by utilizing subsurface rock cavern to store the electricity generated by renewable energy in the form of compressed air. Though CAES has been used for over three decades, it is only restricted to salt rock or aquifers for air tightness reason. In this paper, the technical feasibility of utilizing hard rock for CAES is investigated by using a coupled thermo-hydro-mechanical (THM) modelling of nonisothermal gas flow. Governing equations are derived from the rules of energy balance, mass balance, and static equilibrium. Cyclic volumetric mass source and heat source models are applied to simulate the gas injection and production. Evaluation is carried out for intact rock and rock with discrete crack, respectively. In both cases, the heat and pressure losses using air mass control and supplementary air injection are compared.
Flow velocity is generally presumed to influence flood damage. However, this influence is hardly quantified and virtually no damage models take it into account. Therefore, the influences of flow velocity, water depth and combinations of these two impact parameters on various types of flood damage were investigated in five communities affected by the Elbe catchment flood in Germany in 2002. 2-D hydraulic models with high to medium spatial resolutions were used to calculate the impact parameters at the sites in which damage occurred. A significant influence of flow velocity on structural damage, particularly on roads, could be shown in contrast to a minor influence on monetary losses and business interruption. Forecasts of structural damage to road infrastructure should be based on flow velocity alone. The energy head is suggested as a suitable flood impact parameter for reliable forecasting of structural damage to residential buildings above a critical impact level of 2m of energy head or water depth. However, general consideration of flow velocity in flood damage modelling, particularly for estimating monetary loss, cannot be recommended.
The paper gives the results of scientific research, which, being based on probabilistic and statistical modeling, identifies the relationship of certain socio-economic factors and the number of people killed in road accidents in the Russian Federation regions. It notes the identity of processes in various fields, in which there is loss of life. Scientific methods and techniques were used in the process of data processing and study findings: systematic approach, methods of system analysis (algorithmization, mathematical programming) and mathematical statistics. The scientific novelty lies in the formulation, formalization and solving problems related to the analysis of regional road traffic accidents, its modeling taking into account the factors of socio-economic impact.
Druckbeanspruchte Bauteile aus Beton können mit zugfesten Umschnürungen von außen verstärkt werden. Mit dieser etablierten Methode konnten axiale Traglast und Duktilität von unzureichend bewehrten Stützen bereits verbessert werden. Es wurde jedoch festgestellt, dass der umschnürte Betonkern dennoch an Festigkeit verliert. Um die Wirksamkeit der Umschnürung zu erhöhen, wird deshalb vorgeschlagen, das umschnürende Material vorzuspannen. Dieser Vorschlag wird insbesondere von der neuen Materialgruppe der Formgedächtnislegierungen inspiriert, die thermisch vorspannbar sind.
Bisher sind die Auswirkungen der Vorspannung einer Umschnürung auf das Tragverhalten von Betondruckgliedern kaum untersucht worden. Diese Lücke wird durch systematische Versuche an Betonzylindern mit vorgespannter Umschnürung aus Stahl und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff geschlossen. Die Abbildung der Versuchsergebnisse durch geeignete Modelle ermöglicht auch Aussagen zum Verhalten von Betondruckgliedern mit Umschnürungen aus anderen Materialien, beispielsweise Formgedächtnislegierungen. Um diese in den Berechnungen zu simulieren, wird eine für das Bauwesen infrage kommende eisenbasierte Legierung in separaten axialen Versuchen charakterisiert und thermisch vorgespannt. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelten neuen Modelle orientieren sich im Wesentlichen an zwei Zielen: dem Abbilden des mehraxialen Spannungs-Dehnungs-Verhaltens des vorgespannt umschnürten Betons und dem Berechnen der Restfestigkeit des Betons.
Die durchgeführten Versuche und Parameterstudien auf Basis der Modelle zeigen: Die Vorspannung der Umschnürung beeinflusst vor allem die Restfestigkeit des Betons wesentlich. Die gewonnenen Erkenntnisse und neuen Methoden können eingesetzt werden, um das Tragverhalten von Betondruckgliedern mit Umschnürungen aus Stahl, faserverstärktem Kunststoff oder Formgedächtnislegierungen zu bewerten.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Produktmodell erstellt, dass unter Anwendung des Programmes Autodesk Revit 2011 eine objektorientierte Bearbeitung ermöglichte, um alle im Modell vorhanden Informationen vielseitig nutzen zu können. Eine formale Beschreibung der Bauteilklassen, der vorliegenden Eisenbahnbrücke, mit Hilfe der Modellierungssprache SysML, diente als Ausgangsbasis für die Umsetzung der relevanten Familien und deren Parameter zum endgültigen Produktmodell. Außerdem wurde das Attribut „Bauverfahren“ hinzugefügt. Dadurch können jedem Objekt, welches durch das Attribut „Bauverfahren“ ergänzt wurde, weitere Daten entnommen und es kann ebenso vervollständigt werden. Dies sind z.B. Prozessabläufe, Kostenwerte, Zeitauf-wandswerte und Ressourcenerfordernisse. Die Notation in SysMl der zu gebrauchenden Information und Daten um das Produkt generieren zu können, ist ein wichtiger erleich-ternder Prozess, der direkt nachvollziehen lässt, in welchem Zusammenhang manche Ob-jekte und Klassen stehen und durch welche Operationen diese gekennzeichnet sind. Au-ßerdem ist somit eine gute Übersicht gegeben welche Parameter einer Familie angehören. Ein wichtiger Faktor, um optimale Ziele im Baugeschehen und der objektorientierten Betrachtung zu erreichen, ist dabei die ständige Aktualisierung und Aufbereitung der Daten, was durch die Nutzung technischer Datenbanken realisiert wird. Dabei sind gerade die projektunabhängigen Informationen sehr wertvoll, da diese immer wieder auf andere Projekte angewandt werden können und somit keine Arbeitswiederholungen erfolgen müssen, wie dies sehr oft der Fall in der Baupraxis ist, da Kalkulationen von Preisen und Terminpläne meist in separaten Planungsprozessen entstehen. Ebenfalls sollten all diese beschreibenden Eigenschaften im konstruierten Produktmodell schon enthalten sein, um daraus ein Ablaufmodell generieren zu können. Das Ziel, keine redundanten Datengene-rierungen und Bearbeitungsschritte durch eine modellbasierte Ausrichtung des Ablaufes der Objekte zu haben, ist derzeit meist noch nicht der Anwendungsfall. Daher bedarf ei-nem prinzipiellen Umdenken in der Baubranche, und digitale 3D-Modelle sollten mehr an Bedeutung gewinnen, da Vorteile, wie • Visualisierung • Renderings • Clash Detection • keine Medienbrüche • zeichnungsorientierte Bauablaufplanung und Ausführung, dafür sprechen.
In dieser Arbeit wird der Vortriebsprozess einer Erddruckschildmaschine in einem Simulationsmodell mit Hilfe der System Dynamics modelliert. Nach einer Einführung in den maschinellen Tunnelbau werden die Besonderheiten der Erddruckschildmaschine herausgestellt. Anschließend wird das betrachtete System mit dem Simulationskonzept der System Dynamics modelliert und in einem geeigneten Simulationstool implementiert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der geometrischen Suffosionsbeständigkeit von Erdstoffen. Mit dem wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansatz der Perkolationstheorie wurde ein analytisches Verfahren gewählt, mit dem suffosive Materialtransportprozesse modelliert und quantifiziert werden können. Mit dem verwendeten Perkolationsmodell wurde eine beliebige Porenstruktur eines realen Erdstoffes im 3-Dimensionalen modelliert. Mögliche Materialtransportprozesse innerhalb der modellierten Porenstruktur wurden anschließend simuliert. Allgemein gültige Gesetzmäßigkeiten wurden hergeleitet und Grenzbedingungen formuliert. Diese sind vom Erdstoff unabhängig und beschreiben Zusammenhänge zwischen Materialtransport und Porenstruktur. Anwendbar sind diese Ergebnisse auf homogene, isotrope und selbstähnliche Erdstoffgefüge. Aussagen über konkrete Erdstoffe können über die Transformationsmethode erfolgen. Für die Verwendung der Transformationsmethode ist vorab die relevante Porenstruktur, d. h. die Porenengstellenverteilung, zu ermitteln.
The importance of modern simulation methods in the mechanical analysis of heterogeneous solids is presented in detail. Thereby the problem is noted that even for small bodies the required high-resolution analysis reaches the limits of today's computational power, in terms of memory demand as well as acceptable computational effort. A further problem is that frequently the accuracy of geometrical modelling of heterogeneous bodies is inadequate. The present work introduces a systematic combination and adaption of grid-based methods for achieving an essentially higher resolution in the numerical analysis of heterogeneous solids. Grid-based methods are as well primely suited for developing efficient and numerically stable algorithms for flexible geometrical modeling. A key aspect is the uniform data management for a grid, which can be utilized to reduce the effort and complexity of almost all concerned methods. A new finite element program, called Mulgrido, was just developed to realize this concept consistently and to test the proposed methods. Several disadvantages which generally result from grid discretizations are selectively corrected by modified methods. The present work is structured into a geometrical model, a mechanical model and a numerical model. The geometrical model includes digital image-based modeling and in particular several methods for the theory-based generation of inclusion-matrix models. Essential contributions refer to variable shape, size distribution, separation checks and placement procedures of inclusions. The mechanical model prepares the fundamentals of continuum mechanics, homogenization and damage modeling for the following numerical methods. The first topic of the numerical model introduces to a special version of B-spline finite elements. These finite elements are entirely variable in the order k of B-splines. For homogeneous bodies this means that the approximation quality can arbitrarily be scaled. In addition, the multiphase finite element concept in combination with transition zones along material interfaces yields a valuable solution for heterogeneous bodies. As the formulation is element-based, the storage of a global stiffness matrix is superseded such that the memory demand can essentially be reduced. This is possible in combination with iterative solver methods which represent the second topic of the numerical model. Here, the focus lies on multigrid methods where the number of required operations to solve a linear equation system only increases linearly with problem size. Moreover, for badly conditioned problems quite an essential improvement is achieved by preconditioning. The third part of the numerical model discusses certain aspects of damage simulation which are closely related to the proposed grid discretization. The strong efficiency of the linear analysis can be maintained for damage simulation. This is achieved by a damage-controlled sequentially linear iteration scheme. Finally a study on the effective material behavior of heterogeneous bodies is presented. Especially the influence of inclusion shapes is examined. By means of altogether more than one hundred thousand random geometrical arrangements, the effective material behavior is statistically analyzed and assessed.