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Eine Analyse zum Strömungswiderstand natürlicher Fließgewässer mit ausgeprägter Sohlstrukturierung
(2008)
Übliche Ansätze zur Quantifizierung des Strömungswiderstandes natürlicher Fließgewässer mit geringer relativer Überdeckung und ausgeprägter Sohlstrukturierung basieren auf der Abhängigkeit von einem konstanten charakteristischen Rauheitsparameter. Diese Annahme ist nur für die turbulente rotationssymmetrische Rohrströmung mit hoher relativer Überdeckung gültig. Die Quantifizierung der Widerstandsprozesse mit einem konstant erhöhten Rauheitsmaß für die betrachteten Randbedingungen erfasst nicht die individuellen Charakteristiken von Rauheitsstruktur und integralem Strömungsfeld an unterschiedlichen Gewässerabschnitten sowie identischen Gewässerabschnitten bei Abflussvariation. Auf Basis detaillierter Datensätze von Oberflächenstrukturen und dem jeweiligen Strömungsfeld erfolgt die Untersuchung der Interaktion zwischen vorgenannten Punkten. Für die Charakterisierung der individuellen Rauheitsstruktur in Abhängigkeit der relativen Überdeckung erweist sich die vertikale Rauheitsdichte cK,V (Verbauungsgrad) als starke Funktion. Die Charakterisierung der Ungleichförmigkeit des integralen Strömungsfeldes als Folge der individuellen Rauheitsstruktur erfolgt auf Basis physischer Modellversuche und mathematisch-physikalischer Untersuchungen anhand des Geschwindigkeitshöhenausgleichsbeiwertes au. Die Formulierung des Strömungswiderstandes in Abhängigkeit dieser beiden Parameter resultiert in einer wesentlichen Verringerung des Fehlerbetrages und damit des Unsicherheitsbereiches. Die bestehende Reststreuung ist auf Einflüsse aus Anordnung und Form der Elemente, Turbulenz, Sekundärströmung, Wasserspiegeldeformationen, lokal kritische Strömung und Lufteinzug zurückzuführen.
Die Arbeit „Das Bild der Zwischenstadt“ sucht nach Möglichkeiten zur Qualifizierung der verstädterten Landschaft, für die Thomas Sieverts den Begriff „Zwischenstadt“ geprägt hat. Die Auseinandersetzung mit „räumlicher Identität“ steht dabei im Mittelpunkt: In deren Dekodierung und Inszenierung wird ein Potenzial erkannt, die Aufenthalts- und Erlebnisqualität der Zwischenstadt zu verbessern. Der Betrachtungsraum der Arbeit zwischen Frankfurt am Main und seinen prosperierenden Umlandgemeinden eignet sich in besonderer Weise, die „Anatomie der Zwischenstadt“ zu dekodieren. Schicht für Schicht wird der Versuch unternommen, die eigene Sprache dieses Raumes zu entziffern. Dabei werden Methoden der Beschreibung und Darstellung entwickelt, die den spezifischen räumlichen Eigenschaft der Zwischenstadt gerecht zu werden suchen. Die Ergebnisse dieser Auseinandersetzung lassen deutliche Transformationen in der Zwischenstadt erkennen und entheben sie aus ihrer vermeintlichen Eigenschaftslosigkeit. Orte mit Bedeutung, Zusammenhänge und Raumgeschichten werden lesbar, es zeigen sich Ansätze eigener Urbanität und Zentralität. Die Zwischenstadt hat sich von ihrer einseitigen Dependenz zur Kernstadt gelöst, tritt aber gleichzeitig in einen umfassenden Wandel, um sich geänderten Lebensformen und Bedürfnissen anzupassen. Ältere, den Raum prägende Einfamilienhausgebiete und Großsiedlungen, aber auch monofunktionale Gewerbegebiete und die typischen suburbanen Einkaufszentren erfüllen keineswegs mehr automatisch die Wohnwünsche und Anforderungen einer Dienstleistungs- und Freizeitgesellschaft. Die Arbeit greift die unverkennbare Transformation des Bildes der Zwischenstadt als Chance zur Qualifizierung dieses Raumes auf. Entwickelt werden Qualifizierungsmodelle, die der Tendenz zu Segregation und Abtrennung mit einer neuen Integrationskultur für die Zwischenstadt begegnen: Als prägender Lebensraum der Stadtregion muss die Zwischenstadt einen großen Teil der Bedürfnisse Ihrer Bewohner und Benutzer an den Raum befriedigen. Zunehmend sind diese Bedürfnisse nicht nur funktioneller Art, sondern werden überlagert von einem Bedürfnis nach Raumqualität, Verortung und Identifikationsmöglichkeiten. Für diese Bedürfnisse angemessene und auratische Raumbilder zu finden oder zu inszenieren, ist im Angesicht des Status Quo der Stadtlandschaft eine wichtige Herausforderung.
Im Rahmen der Arbeit wird untersucht, welche Awarenessinformationen in kooperativen Situation benötigt werden. Herangezogen wird dazu das Denver Modell von Salvador et al., das fünf Dimensionen bereit stellt, anhand derer jedwede kooperative Situation klassifiziert werden kann: Abhängigkeit, Zeit, Gruppengröße, Ort und Timing. Bei der untersuchten Situation handelt es sich um eine eng gekoppelte, synchrone, örtlich verteilte geplante Kooperationen in einer Kleingruppe. Als konkrete Ausprägung der so bezeichneten Modellinstanz wird das Chat-basierte Rollenspiel betrachtet. In der Arbeit wird untersucht, welche Awarenessinformationen in einer so charakterisierten Situation benötigt werden und wie diese Awarenessinformationen benutzerfreundlich dargestellt werden können, so dass sie den Benutzer dabei unterstützen, sein kooperatives Ziel bzw. seine Teilziele zu erreichen. Dazu wurde eine Analyse des situativen Bedarfs durchgeführt und tragende Awarenessinformationssäulen identifiziert. Um zu Richtlinien zur Darstellung dieser benötigten Awarenessinformationen zu gelangen, wurden Annahmen aufgestellt, zur Überprüfung eine Studie konzipiert und mit drei Designvarianten durchgeführt. Aus der Datenanalyse wurden Schlussfolgerungen gezogen. Für den erstellten Katalog mit Gestaltungsrichtlinien wurden neben diesen Schlussfolgerungen auch Normen und andere Empirie (Vorerfahrung, Literatur) berücksichtigt. Die eingesetzte Evaluationsform hat sich in der Studie bewährt und sie kann für zukünftige Studien verwendet werden. Auch die Anpassung klassischer Usability-Kriterien für die Präsentation von Awarenessinformationen hat sich bewährt. Durch die Analyse des spezifischen Bedarfs in einer kooperativen Situation wird gewährleistet, dass die Benutzer die Unterstützung erhalten, die erforderlich ist, um die Aufgabe effektiv und effizient bearbeiten zu können, ohne dabei mit unnötigen Informationen überlastet zu werden. Durch Bereitstellung empirisch belegter und theoretisch fundierter Gestaltungsrichtlinien schafft diese Arbeit eine Basis für die zukünftige Entwicklung von Groupwareanwendungen, insbesondere solcher, die Werkzeuge für die Computer-vermittelte, synchrone, eng gekoppelte, geplante Kooperationen in Kleingruppen bereitstellen. Die Arbeit liefert wichtige Erkenntnisse, wie Awarenessinformationen dargestellt werden sollen, d.h. in welcher Platzierung bzw. Gruppierung und in welcher Form, so dass der Benutzer alle wesentlichen Awarenessinformationen schnell entdecken und interpretieren kann, ohne dabei überfordert oder von der Primäraufgabe abgelenkt zu werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden über verschiedene Herstellungsverfahren 48 Gelproben erzeugt und auf ihr Quellverhalten untersucht. Dabei wurde eine Wiederholbarkeit der Messungen mit anderen Bearbeitern überprüft und nachgewiesen. Es zeigt sich in den Quellversuchen, dass hohe Alkaligehalte in den Gelproben bei einer niedrigen Löslichkeit (durch geringe Mengen Calcium in der Probe hervorgerufen) hohe Quelldrücke erzeugen. Ein Einfluss des Natrium-Kalium-Verhältnisses (Alkaliverhältnis) auf das Quellverhalten der Gelproben ist nicht zu erkennen. Der Einfluss des Calciums im Gel zeichnet sich deutlich ab, ohne Calcium bauen die Proben keine Quelldrücke auf, bei zu hohen Calciumgehalten entstehen nicht quellfähige Alkali-Calcium-Silikat-Hydrate. Ein quellfähiger Bereich kann von ca. 5 % bis zu ca. 30 % Calciumanteil im Gel angegeben werden. Neben dem Einfluss des Calciumgehaltes auf das Quellverhalten der Gele ist auch ein Einfluss des Alkali-Silika-Verhältnisses in den Proben nachweisbar. Wird dieses Verhältnis in den Proben stark Richtung Kieselsäure verschoben, d. h. niedrige Alkalianteile im Gel, kommt es zu keinen Quellerscheinungen. Somit kann die Wirkung von AKR-vermeidenden Zusätzen (FA, Silika usw.) mit diesen Messungen bestätigt werden. Es kann gezeigt werden, dass die ermittelten Quelldrücke eines Alkalikiesel-Gels ein Gesteinskorn oder/und die umgebende Matrix zerstören können. Aus diesen oben genannten Erkenntnissen wird ein Bereich einer quellfähigen Zusammensetzung eines Gels in einem Dreistoffdiagramm angegeben und es können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: •Ein Quelldruck kann in einem AK-Gel nur bei einer bestimmten Menge an eingebautem Calcium aufgebaut werden. •Diese Quelldrücke können deutlich Werte über 10 N/mm² erreichen. •Die im Beton verwendeten Gesteinskörnungen und auch die sie umschließende Mörtelmatrix können mit Quelldrücken in den hier bestimmten Größenordnungen zerstört werden. •Die bekannten Modelle zur Alkali-Kieselsäure-Reaktion müssen um den Einbau des Calciums in ein entstandenes AK-Gel erweitert werden.
Eine Geschichte des Blitzableiters. Die Ableitung des Blitzes und die Neuordnung des Wissens um 1800
(2005)
Die Arbeit geht im Wesentlichen zwei Fragenkomplexen nach. Zum einen wird danach gefragt, inwiefern sich Franklins Erfindung auf die Wahrnehmung des dem Blitzereignis inhärenten Risiko für Hab und Gut bzw. Leib und Leben auswirkt, zum anderen danach, inwiefern diese Erfindung das Verhältnis der Menschen zu sich selbst, seiner Vergangenheit und Zukunft verändert hat. (1) Anhand der Betrachtung von Projektemachern, die durch die Aufstellung einer Vielzahl ‚meteorologischer Maschinen’ gewitterfreie Zonen schaffen wollen, wird deutlich, dass diese eine umfassende Beherrschung der Natur verwirklichen wollen. (2) In theologischer und ästhetischer Hinsicht macht die Rezeptionsgeschichte des Blitzableiters augenfällig, dass in seinem Gefolge ein Wahrnehmungswandel zu beobachten ist, bei dem einerseits nunmehr auch in der Rezeption katastrophischer Naturereignisse das negative Deutungsmuster einer natura lapsa zugunsten einer optimistischen Naturwahrnehmung verabschiedet wird. (3) In gesellschaftspolitischer Hinsicht zeigt die Rezeption des Blitzableiters auf, dass sich die Ablehnung der franklinschen Erfindung auch als Abwehr ihrer ordnungspolitischen Konsequenzen auf das Gesellschaftsmodell begreifen lässt. In zahlreichen Kontroversen um den Blitzableiter entfalten seine antagonistischen gesellschaftspolitischen Resonanzen eine immense politische Sprengkraft, wobei es letztlich um die Frage geht, ob die Pflicht und Recht der Fürsorge für das Leib und Gut der Individuen bei diesem selbst oder bei staatlichen und kirchlichen Autoritäten anzusiedeln sind. (4) In Anknüpfung an die seit der Antike bestehende gedankliche Verbindung von Lebensenergie und Elektrizität entzündet sich zudem ein Diskurs, in dem die Frage nach dem Anfangs- und Endpunkt des Lebens verhandelt wird. So lassen scheinbare Wiederbelebungen qua Elektrizität die Frage virulent werden, ob der Prometheus-Mythos experimentalwissenschaftlich in Erfüllung gebracht werden könne.
Die Entwicklung der Holz-Beton-Verbundbauweise hat gezeigt, dass hybride Holzverbundbauweisen eine sehr effiziente Lösung zur Steigerung der Tragfähigkeit und Steifigkeit von biegebeanspruchten Holzbauteilen darstellen. Bei solchen Holzverbundbauteilen stellt insbesondere die effiziente Gestaltung der Schubkraftübertragung in der Verbundfuge zwischen den Baustoffschichten einen gewissen Schwachpunkt dar. Weiterhin limitieren insbesondere auch die streuenden Festigkeiten sowie wuchs- bzw. fertigungsbedingte Eigenschaften des in der Zugzone angeordneten Holzes die Leistungsfähigkeit solcher hybrider Verbundbauteile merklich. Eine innovative Lösung für diese Problemkreise konnte in der Herstellung von hybriden Verbundkonstruktionen aus Reaktionsharzbeton, faserverstärkten Kunststoffen und der bestehenden Holzkonstruktion gefunden werden. Dabei kommt in der Biegedruckzone ein Hochleistungs-Polymerbeton zum Einsatz. Die Zugzone wird mittels ein- bzw. aufgeklebter Faserverbundwerkstoffe verstärkt und strukturell bedingte Grenzen überwunden. Faserverbundwerkstoffe sind im Vergleich mit homogenen Werkstoffen durch eine strukturelle Anisotropie gekennzeichnet. Zur rechnerischen Beschreibung des Trag- und Bruchverhaltens benötigt man eine schichtenweise Spannungsanalyse, Bruchkriterien für die einzelnen Schichten und Degradationsmodelle zum Erfassen der Auswirkung von Teilbrüchen, die noch nicht zum Bruch oder Ablösen des Laminats führen. Dabei bieten bruchtypbezogene Versagenskriterien wesentliche Vorteile gegenüber Pauschal¬kriterien, da die vorherrschenden Bruchmodi mithilfe ein¬zelner Bruch¬bedingungen unabhängig voneinander beschrieben werden können. Zur Analyse des Verbundverhaltens von faserverstärkten Kunststoffen und Holz wurde deshalb das vereinfachte Puck-Knaust-Kriterium für die Versagensanalyse in ANSYS(R) implementiert. Für die numerische Untersuchung der Verbundträger wurde ein Strukturmodell für Kunstharzbetone im Verbund mit Holz entwickelt, mit dem sich Steifigkeit und Kriechverhalten beliebiger Mischungsverhältnisse abschätzen lassen. Beim Vergleich der Ergebnisse zeigt sich, dass die relativen Kriechverformungen bei den verstärkten Balkenserien um das 1,8- bis 2,5fache größer sind als bei der unverstärkten Serie, was in der Materialspezifik des eingesetzten Polymerbetons begründet liegt. Die Kriech¬verformung steigt dabei mit zunehmendem Verhältnis von Polymerbetonstärke zum Holzgrundquerschnitt und kann mit der angegebenen Gleichung für beliebige Querschnittsverhältnisse ermittelt werden. Im Vergleich der Durchbiegung der Serien bei gleicher Belastung wird deutlich, dass die Steifigkeitsvorteile der verstärkten Balken durch die größere Kriechneigung ganz oder teilweise aufgebraucht werden. Besonders betrifft das die Serien, bei denen die obere Holzschicht mit PC substituiert wurde. Dort wird aus einem anfänglichen Vorteil sogar ein Nachteil. In der numerischen Simulation von hybriden Verbundträgern aus faser¬verstärkten Kunststoffen, Kunstharzbeton und Holz bestätigte sich der eindeutige Vorteil einer zusätzlich aufgebrachten Polymerbetonschicht. Der Beitrag der FVK-Verstärkung am Gesamtsystem fällt im Gegensatz zur PC-Deckschicht jedoch wesentlich geringer aus, da deren Potential erst bei größeren Belastungen voll aktiviert wird. In Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und Anwendertauglichkeit insgesamt stellt der Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen und Kunstharzbetonen eine wirkliche und praxistaugliche Alternative gegenüber herkömmlichen Baustoffen zur Tragwerksverstärkung dar.
Metaphosphat – modifizierte Silikatbinder als Basis säurebeständiger Beschichtungsmaterialien
(2008)
Mörtel basierend auf erhärtetem Wasserglas als Binder weisen eine ausgesprochen gute Beständigkeit im Kontakt mit stark sauren Medien auf; unzureichend hingegen ist die che-mische Beständigkeit im Kontakt mit alkalischen bis schwachsauren Medien. Ziel der Un-tersuchungen ist eine Verbesserung der Wasserbeständigkeit von Natriumsilikatbindern durch gezielte chemische Modifikation mit verschiedenen Metaphosphaten. Durch eine systematische Charakterisierung der Zusammensetzung und des strukturellen Aufbaus der Binder werden dabei die Ursachen der bindertypischen Eigenschaften aufgeklärt. Eine Modifikation der Natriumsilikatlösung mit Natriumtrimetaphosphat hat eine Erhöhung des Kondensationsgrades und eine verbesserte mechanische Beständigkeit des verfestig-ten Natriumsilikatbinders zur Folge. Durch die reaktive Bindung der Basizität der Natriumsi-likatlösung beim Abbau der Metaphosphatstruktur wird die Wasserbeständigkeit mit Natri-umtrimetaphosphat modifizierter Natriumsilikatmörtel erhöht. Die gute Beständigkeit im Kontakt mit hochkonzentrierter Schwefelsäure bleibt nahezu unverändert erhalten. Eine Modifikation der Natriumsilikatlösung mit Aluminiumtetrametaphosphat führt durch Reaktion beider Komponenten miteinander zur Bildung eines alumosilikatischen Netzwer-kes. Das alumosilikatische Netzwerk des mit Aluminiumtetrametaphosphat modifizierten Natriumsilikatbinders ist auch in einer stark alkalischen Natriumhydroxidlösung beständig. Die gute Beständigkeit des Binders im Kontakt mit hochkonzentrierter Schwefelsäure bleibt trotz des Aluminates im Bindernetzwerk erhalten.
Multi-Frame Rate Rendering
(2008)
Multi-frame rate rendering is a parallel rendering technique that renders interactive parts of a scene on one graphics card while the rest of the scene is rendered asynchronously on a second graphics card. The resulting color and depth images of both render processes are composited, by optical superposition or digital composition, and displayed. The results of a user study confirm that multi-frame rate rendering can significantly improve the interaction performance. Multi-frame rate rendering is naturally implemented on a graphics cluster. With the recent availability of multiple graphics cards in standalone systems the method can also be implemented on a single computer system where memory bandwidth is much higher compared to off-the-shelf networking technology. This decreases overall latency and further improves interactivity. Multi-frame rate rendering was also investigated on a single graphics processor by interleaving the rendering streams for the interactive elements and the rest of the scene. This approach enables the use of multi-frame rate rendering on low-end graphics systems such as laptops, mobile phones, and PDAs. Advanced multi-frame rate rendering techniques reduce the limitations of the basic approach. The interactive manipulation of light sources and their parameters affects the entire scene. A multi-GPU deferred shading method is presented that splits the rendering task into a rasterization and lighting pass and assigns the passes to the appropriate image generators such that light manipulations at high frame rates become possible. A parallel volume rendering technique allows the manipulation of objects inside a translucent volume at high frame rates. This approach is useful for example in medical applications, where small probes need to be positioned inside a computed-tomography image. Due to the asynchronous nature of multi-frame rate rendering artifacts may occur during migration of objects from the slow to the fast graphics card, and vice versa. Proper state management allows to almost completely avoid these artifacts. Multi-frame rate rendering significantly improves the interactive manipulation of objects and lighting effects. This leads to a considerable increase of the size for 3D scenes that can be manipulated compared to conventional methods.
Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Weiterentwicklung und Adaption der Holz-Beton-Verbundbauweise auf den Straßenbrückenbau zu leisten. Dabei stehen differenzierte Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten hybrider Holzbrückentragwerke sowie die Entwicklung geeigneter Verbundelemente im Vordergrund. Um die Einführung dieser innovativen Bauweise in der Praxis zu unterstützen, werden Bemessungs- und Konstruktionshinweise erarbeitet. Aufbauend auf eine Analyse des derzeitigen Forschungs- und Entwicklungsstandes auf dem Gebiet des Holz-Beton-Verbundbaus erfolgt die Untersuchung des Trag- und Verformungsverhaltens von Holz-Beton-Verbundbrücken anhand einer umfangreichen Parameterstudie. Dabei wird der Einfluss verschiedener Geometrie- und Steifigkeitsparameter auf die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Holz-Beton-Verbundbrücken quantifiziert. Spezielle Untersuchungen dienen der Evaluation der Ermüdungssicherheit und der Ermittlung der Steifigkeitsdegradation unter Langzeitbeanspruchung auf der Basis einer realitätsnahen Abbildung des differenten zeit- und klimaabhängigen Tragverhaltens der Verbundbaustoffe. Praxisgerechte Empfehlungen für die optimierte konstruktive Durchbildung hybrider Holzbrückentragwerke fassen die Ergebnisse der Parameterstudie zusammen. Aus den Parameteranalysen leitet sich ein Anforderungsprofil bezüglich der Steifigkeit und Tragfähigkeit geeigneter Verbundelemente für den Straßenbrückenbau ab. Das Tragverhalten von drei ausgewählten Verbundelementtypen, welche diesem Profil entsprechen, wird anhand systematischer Scherversuche unter Kurzzeit-, Langzeit- und dynamischer Belastung analysiert. Aufbauend auf diese Testreihen werden weiterführende umfangreiche Versuchsserien mit dem Verbundelement Dübelleiste zur Bestimmung der mechanischen Kennwerte und zur Analyse des Gesamttragverhaltens vorgestellt. In Auswertung der umfangreichen Bauteilversuche und rechnerischer Simulationen auf der Basis Finiter-Elemente-Modelle wird ein Bemessungskonzept erarbeitet und die Eignung des Verbundelementes Dübelleiste für den Einsatz im Hybridbrückenbau nachgewiesen.