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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.
Urban planning involves many aspects and various disciplines, demanding an asynchronous planning approach. The level of complexity rises with each aspect to be considered and makes it difficult to find universally satisfactory solutions. To improve this situation we propose a new approach, which complement traditional design methods with a computational urban plan- ning method that can fulfil formalizable design requirements automatically. Based on this approach we present a design space exploration framework for complex urban planning projects. For a better understanding of the idea of design space exploration, we introduce the concept of a digital scout which guides planners through the design space and assists them in their creative explorations. The scout can support planners during manual design by informing them about potential im- pacts or by suggesting different solutions that fulfill predefined quality requirements. The planner can change flexibly between a manually controlled and a completely automated design process. The developed system is presented using an exemplary urban planning scenario on two levels from the street layout to the placement of building volumes. Based on Self-Organizing Maps we implemented a method which makes it possible to visualize the multi-dimensional solution space in an easily analysable and comprehensible form.
This work presents a concept of interactive machine learning in a human design process. An urban design problem is viewed as a multiple-criteria optimization problem. The outlined feature of an urban design problem is the dependence of a design goal on a context of the problem. We model the design goal as a randomized fitness measure that depends on the context. In terms of multiple-criteria decision analysis (MCDA), the defined measure corresponds to a subjective expected utility of a user. In the first stage of the proposed approach we let the algorithm explore a design space using clustering techniques. The second stage is an interactive design loop; the user makes a proposal, then the program optimizes it, gets the user’s feedback and returns back the control over the application interface.
Die vorliegende Arbeit untersucht das Potential von Webanwendungen in 3D zur Vermittlung von Informationen im Allgemeinen und zur Darstellung von städtebaulichen Zusammenhängen im Speziellen.
Als grundlegender Faktor der visuellen und funktionalen Qualität - welche die Wahrnehmung des Nutzers direkt beeinflusst -, erfolgt die Bewertung der Machbarkeit von 3D Webinhalten unter Anwendung einer explorativen, qualitativen Evaluierung von Webagenturen.
Darauf aufbauend wird das Potential von 3D Webanwendungen aus Nutzerperspektive untersucht, um Zusammenhänge herstellen zu können: einerseits zwischen der Machbarkeit bei der Entwicklung und anderseits die Akzeptanzkriterien beim Rezipienten betreffend.
Die empirische Studie, die mit dem Forschungspartner Bosch für diese Arbeit modelliert wurde, eruiert zum einen, inwiefern 3D im Vergleich zu 2D und 2,5D, und zum anderen WebGL im Vergleich zu bisherigen 3D Webtechnologien die visuelle Wahrnehmung und kognitive Leistungsfähigkeit des Nutzers beeinflusst.
Die Erkenntnisse der Untersuchung zeigen Parallelen zu bestehenden Studien aus web-fernen Bereichen.
Um die Bedeutung von 3D Webanwendungen zur Verbesserung von Entscheidungsprozessen in Stadtplanungsprojekten ableiten zu können, werden Aspekte zur Interaktion und visuellen Wahrnehmung in den speziellen Kontext von Stadtplanungswerkzeugen gebracht. Dabei wird überprüft, ob sich web-basierte 3D Visualisierungen sinnvoll zur Vermittlung städtebaulicher Zusammenhänge einbinden lassen und inwieweit bestehende Projekte, wie in dieser Arbeit beispielhaft das vom Fraunhofer IGD entwickelte Forschungsprojekt urbanAPI, die Technologie WebGL nutzen können.
Vor diesem Hintergrund soll die Arbeit Akzeptanzkriterien und Nutzungsbarrieren von 3D Webanwendungen auf Basis der Technologie WebGL identifizieren, um einen Beitrag zur Machbarkeit von Webanwendungen und zur Entwicklung entsprechender Stadtplanungswerkzeuge zu leisten.
Einfluss der Porosität von Beton auf den Ablauf einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion
(2016)
Der Dissertation liegt die Frage zugrunde, welchen Einfluss die Porosität von Beton auf den Ablauf einer schädigenden AKR hat. Insbesondere soll geklärt werden, ob der Einsatz von Gleitschalungsfertigern – anstelle von klassischen schienengeführten Betondeckenfertigern – und die damit verbundene verringerte Porosität der Betone den Ablauf einer schädigenden AKR begünstigt. Eine verringerte Porosität führt zu einer reduzierten Duktilität des Betons, so dass infolge AKR entstehende Zugspannungen schlechter abgebaut werden können. Weiterhin steht ein geringerer Expansionsraum für das entstehende AKR-Gel zur Verfügung. Diese Faktoren können den Ablauf einer AKR begünstigen. Allerdings können extern anstehende Alkalien schlechter in den Beton mit einer verringerten Porosität eindringen. Ferner wird die Diffusion der Alkalien zu den potenziell reaktiven Gesteinskörnungen verlangsamt.
Zur Beantwortung der aufgeworfenen Frage wird unter Einsatz einer neuartigen Prüfmethodologie und bei variierender Porosität untersucht, welche Schädigungsparameter maßgebend für den Ablauf und die Intensität einer schädigenden AKR sind. Die berücksichtigten Schädigungsparameter sind die mechanischen Eigenschaften des Betons, der zur Verfügung stehende Expansionsraum und die im Beton ablaufenden Transportvorgänge. Um den Einfluss der jeweiligen Schädigungsparameter spezifizieren zu können, gehen die Prüfungen einerseits von einem hohen internen und andererseits von einem hohen externen AKR-Schädigungspotenzial aus. In beiden Fällen erfolgen die Untersuchungen an langsam reagierenden alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen. Die unterschiedlichen Porositäten ergeben sich hauptsächlich durch Variation des w/z-Wertes.
Bei dem hohen internen AKR-Schädigungspotenzial stehen die mechanischen Eigenschaften und der Expansionsraum im Vordergrund; außerdem ist der Einfluss der Zugabe eines LP-Bildners zu analysieren. Um ein hohes internes AKR-Schädigungspotenzial zu erreichen, kommt bei der Herstellung der Betonprobekörper ein Zement mit einem hohen Alkaligehalt zum Einsatz. Die Betonprobekörper werden der 40 °C-Nebelkammerlagerung und dem 60 °C-Betonversuch über Wasser unterzogen. Dabei findet eine neue Prüfmethodologie Anwendung, die der kontinuierlichen Messung der Dehnung und der ablaufenden Erhärtungs- und Rissbildungsprozesse dient. Diese Prüfmethodologie umfasst die Messung der Ultraschallgeschwindigkeit, die Schallemissionsanalyse und die µ-3D-Computertomografie.
Hingegen richtet sich der Fokus bei dem hohen externen AKR-Schädigungspotenzial auf die Transportvorgänge. Zur Provokation eines hohen externen AKR-Schädigungspotenzials werden die Probekörper der FIB-Klimawechsellagerung ausgesetzt.
Broadband electromagnetic frequency or time domain sensor techniques present high potential for quantitative water content monitoring in porous media. Prior to in situ application, the impact of the relationship between the broadband electromagnetic properties of the porous material (clay-rock) and the water content on the frequency or time domain sensor response is required. For this purpose, dielectric properties of intact clay rock samples experimental determined in the frequency range from 1 MHz to 10 GHz were used as input data in 3-D numerical frequency domain finite element field calculations to model the one port broadband frequency or time domain transfer function for a three rods based sensor embedded in the clay-rock. The sensor response in terms of the reflection factor was analyzed in time domain with classical travel time analysis in combination with an empirical model according to Topp equation, as well as the theoretical Lichtenecker and Rother model (LRM) to estimate the volumetric water content. The mixture equation considering the appropriate porosity of the investigated material provide a practical and efficient approach for water content estimation based on classical travel time analysis with the onset-method. The inflection method is not recommended for water content estimation in electrical dispersive and absorptive material. Moreover, the results clearly indicate that effects due to coupling of the sensor to the material cannot be neglected. Coupling problems caused by an air gap lead to dramatic effects on water content estimation, even for submillimeter gaps. Thus, the quantitative determination of the in situ water content requires careful sensor installation in order to reach a perfect probe clay rock coupling.