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Audiovisuelles Cut-Up (2023)
Neupert, Max
Diese Forschungsarbeit bezeichnet und analysiert ein ästhetisches Phänomen audiovisueller Arbeiten mit sehr schnellen Schnitten. Der Begriff „Audiovisuelles Cut-Up“ wird vorgeschlagen um dieses Phänomen zu bezeichnen. Verschiedenste audiovisuelle Arbeiten aus unterschiedlichen Kontexten werden analysiert, welche das formale Kriterium von extrem kurzen Einstellungen erfüllen – einschließlich der eigenen Forschungsbeiträge des Autors. Die Werkzeuge und Technologien, welche die neuartige Ästhetik ermöglichten werden vorgestellt. Oftmals wurden diese von den Künstlern selbst geschaffen, da fertige Lösungen nicht verfügbar waren. Audiovisuelle Cut-Ups werden nach Kontext und Medium systematisiert und verortet. Es schließen sich Beobachtungen an, in wie fern Audio und Video sich in ihrem Charakter unterscheiden, was die kleinste wahrnehmbare Einheit ist und welche Rolle Latenzen und Antizipation bei der Wahrnehmung von audiovisuellen Medien spielen. Drei Hauptthesen werden Aufgestellt: 1. Audiovisuelles Cut-Up hat die Kraft winzige, vormals überdeckte Details deutlich zu machen. Damit kann es das Quellmaterial verdichten aber auch den Inhalt manipulieren. 2. Technische Entwicklungen haben das audiovisuelle Cut-Up hervorgerufen. 3. Heute ist die Ästhetik als ein Stilmittel im Werkzeugkasten audiovisueller Gestaltung etabliert.
Ultraschallgestützte Betonherstellung. Konzept für eine ressourcenschonende Betonproduktion (2023)
Remus, Ricardo
Aktuell findet aufgrund gesellschaftspolitischer Forderungen in vielen Industriezweigen ein Umdenken in Richtung Effizienz und Ökologie aber auch Digitalisierung und Industrie 4.0 statt. In dieser Hinsicht steht die Bauindustrie, im Vergleich zu Industrien wie IT, Automobil- oder Maschinenbau, noch am Anfang. Dabei sind die Potentiale zur Einsparung und Optimierung gerade in der Bauindustrie aufgrund der großen Mengen an zu verarbeiteten Materialien besonders hoch. Die internationale Ressourcen- und Klimadebatte führt verstärkt dazu, dass auch in der Zement- und Betonherstellung neue Konzepte erstellt und geprüft werden. Einerseits erfolgt intensive Forschung und Entwicklung im Bereich alternativer, klimafreundlicher Zemente. Andererseits werden auch auf Seiten der Betonherstellung innovative materialsparende Konzepte geprüft, wie die aktuelle Entwicklung von 3D-Druck mit Beton zeigt. Aufgrund der hohen Anforderungen an Konstruktion, Qualität und Langlebigkeit von Bauwerken, besitzen Betonfertigteile oftmals Vorteile gegenüber Ortbeton. Die hohe Oberflächenqualität und Dauerhaftigkeit aber auch die Gleichmäßigkeit und witterungsunabhängige Herstellung sind Merkmale, die im Zusammenhang mit Betonfertigteilen immer wieder erwähnt werden. Dabei ist es essenziell, dass auch der Betonherstellungsprozess im Fertigteilwerk kritisch hinterfragt wird, damit eine effizientere und nachhaltigere Produktion von Betonfertigteilen möglich wird. Bei der Herstellung von Betonteilen im Fertigteilwerk liegt ein besonderer Fokus auf der Optimierung der Frühfestigkeitsentwicklung. Hohe Frühfestigkeiten sind Voraussetzung für einen hochfrequenten Schalungszyklus, was Arbeiten im 2- bzw. 3-Schichtbetrieb ermöglicht. Oft werden zur Sicherstellung hoher Frühfestigkeiten hochreaktive Zemente in Kombination mit hohen Zementgehalten im Beton und/oder einer Wärmebehandlung eingesetzt. Unter dieser Prämisse ist eine ökologisch nachhaltige Betonproduktion mit verminderter CO2 Bilanz nicht möglich. In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Beschleunigung von Beton eingeführt. Hierbei werden die Bestandteile Zement und Wasser (Zementsuspension) mit Ultraschall vorbehandelt. Ausgangspunkt der Arbeit sind vorangegangene Untersuchungen zum Einfluss von Ultraschall auf die Hydration von Zement bzw. dessen Hauptbestandteil Tricalciumsilikat (C3S), die im Rahmen dieser Arbeit weiter vertieft werden. Darüber hinaus wird die Produktion von Beton mit Ultraschall im Technikumsmaßstab betrachtet. Die so erlangten Erfahrungen dienten dazu, das Ultraschall-Betonmischsystem weiterzuentwickeln und erstmalig zur industriellen Betonproduktion zu nutzen. In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen von Ultraschall auf die Hydratation von C3S zunächst weitergehend und grundlegend untersucht. Dies erfolgte mittels Messung der elektrischen Leitfähigkeit, Analyse der Ionenkonzentration (ICP-OES), Thermoanalyse, Messung der BET-Oberfläche sowie einer optischen Auswertung mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM). Der Fokus liegt auf den ersten Stunden der Hydratation, also der Zeit, die durch die Ultraschallbehandlung am stärksten beeinflusst wird. In den Untersuchungen zeigt sich, dass die Beschleunigungswirkung von Ultraschall in verdünnten C3S Suspensionen (w/f-Wert = 50) stark von der Portlanditkonzentration der Lösung abhängt. Je niedriger die Portlanditkonzentration, desto größer ist die Beschleunigung. Ergänzende Untersuchungen der Ionenkonzentration der Lösung sowie Untersuchungen am hydratisierten C3S zeigen, dass unmittelbar nach der Beschallung (nach ca. 15 Minuten Hydratation) erste Hydratphasen vorliegen. Die durch Ultraschall initiiere Beschleunigung ist in den ersten 24 Stunden am stärksten und klingt dann sukzessive ab. Die Untersuchungen schließen mit Experimenten an C3S-Pasten (w/f-Wert = 0,50), die die Beobachtungen an den verdünnten Suspensionen bestätigen und infolge der Beschallung ein früheres Auftreten und einen größeren Anteil an C-S-H Phasen zeigen. Es wird gefolgert, dass die unmittelbar infolge von Ultraschall erzeugten C-S-H Phasen als Kristallisationskeim während der folgenden Reaktion dienen und daher Ultraschall als in-situ Keimbildungstechnik angesehen werden kann. Optisch zeigt sich, dass die C-S-H Phasen der beschallten Pasten nicht nur viel früher auftreten, sondern kleiner sind und fein verteilt über die Oberfläche des C3S vorliegen. Auch dieser Effekt wird als vorteilhaft für den sich anschließenden regulären Strukturaufbau angesehen. Im nächsten Schritt wird daher der Untersuchungsfokus vom Modellsystem mit C3S auf Portlandzement erweitert. Hierbei wird der Frage nachgegangen, wie sich eine Änderung der Zusammensetzung der Zementsuspension (w/z-Wert, Fließmittelmenge) beziehungsweise eine Änderung des Ultraschallenergieeintrag auf die Fließeigenschaften und das Erhärtungsverhalten auswirken. Um den Einfluss verschiedener Faktoren gleichzeitig zu betrachten, werden mit Hilfe von statistischen Versuchsplänen Modelle erstellt, die das Verhalten der einzelnen Faktoren beschreiben. Zur Beschreibung der Fließeigenschaften wurde das Setzfließ- und Ausbreitmaß von Zementsuspensionen herangezogen. Die Beschleunigung der Erhärtung wurde mit Hilfe der Ermittlung des Zeitpunkts des normalen Erstarrens der Zementsuspension bestimmt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen deutlich, dass die Fließeigenschaften und der Erstarrungsbeginn nicht linear mit steigendem Ultraschall-Energieeintrag verändert werden. Es zeigt sich, dass es besonders bei den Verarbeitungseigenschaften der Portlandzementsuspensionen zur Ausbildung eines spezifischen Energieeintrages kommt, bis zu welchem das Setzfließ- und das Ausbreitmaß erhöht werden. Bei Überschreiten dieses Punktes, der als kritischer Energieeintrag definiert wurde, nimmt das Setzfließ- und Ausbreitmaß wieder ab. Das Auftreten dieses Punktes ist im besonderen Maße abhängig vom w/z-Wert. Mit sinkendem w/z-Wert wird der Energieeintrag, der eine Verbesserung der Fließeigenschaften hervorruft, reduziert. Bei sehr niedrigen w/z-Werten (< 0,35), kann keine Verbesserung mehr beobachtet werden. Wird Fließmittel vor der Beschallung zur Zementsuspension zugegeben, können die Eigenschaften der Zementsuspension maßgeblich beeinflusst werden. In beschallten Suspensionen mit Fließmittel, konnte in Abhängigkeit des Energieeintrages die fließmittelbedingte Verzögerung des Erstarrungsbeginns deutlich reduziert werden. Weiterhin zeigt sich, dass der Energieeintrag, der notwendig ist um den Erstarrungsbeginn um einen festen Betrag zu reduzieren, bei Suspensionen mit Fließmittel deutlich reduziert ist. Auf Grundlage der Beobachtungen an Zementsuspensionen wird der Einfluss von Ultraschall in einen dispergierenden und einen beschleunigenden Effekt unterteilt. Bei hohen w/z-Werten dominiert der dispergierende Einfluss von Ultraschall und der Erstarrungsbeginn wird moderat verkürzt. Bei niedrigeren w/z-Werten der Zementsuspension, dominiert der beschleunigende Effekt wobei kein oder sogar ein negativer Einfluss auf die Verarbeitungseigenschaften beobachtet werden kann. Im nächsten Schritt werden die Untersuchungen auf den Betonmaßstab mit Hilfe einer Technikumsanlage erweitert und der Einfluss eines zweistufigen Mischens (also dem Herstellen einer Zementsuspension im ersten Schritt und dem darauffolgenden Vermischen mit der Gesteinskörnung im zweiten Schritt) mit Ultraschall auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften betrachtet. Durch die Anlagentechnik, die mit der Beschallung größerer Mengen Zementsuspension einhergeht, kommen weitere Einflussfaktoren auf die Zementsuspension hinzu (z. B. Pumpgeschwindigkeit, Temperatur, Druck). Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine Betonrezeptur mit und ohne Ultraschall hergestellt und die Frisch- und Festbetoneigenschaften verglichen. Darüber hinaus wurde ein umfangreiches Untersuchungsprogramm zur Ermittlung wesentlicher Dauerhaftigkeitsparameter durchgeführt. Aufbauend auf den Erfahrungen mit der Technikumsanlage wurde das Ultraschall-Vormischsystem in mehreren Stufen weiterentwickelt und abschließend in einem Betonwerk zur Betonproduktion verwendet. Die Untersuchungen am Beton zeigen eine deutliche Steigerung der Frühdruckfestigkeiten des Portlandzementbetons. Hierbei kann die zum Entschalen von Betonbauteilen notwendige Druckfestigkeit von 15 MPa deutlich früher erreicht werden. Das Ausbreitmaß der Betone (w/z-Wert = 0,47) wird infolge der Beschallung leicht reduziert, was sich mit den Ergebnissen aus den Untersuchungen an reinen Zementsuspensionen deckt. Bei Applikation eines Überdruckes in der Beschallkammer oder einer Kühlung der Suspension während der Beschallung, kann das Ausbreitmaß leicht gesteigert werden. Allerdings werden die hohen Frühdruckfestigkeiten der ungekühlten beziehungsweise drucklosen Variante nicht mehr erreicht. In den Untersuchungen kann gezeigt werden, dass das Potential durch die Ultraschall-Beschleunigung genutzt werden kann, um entweder die Festigkeitsklasse des Zementes leitungsneutral zu reduzieren (von CEM I 52,5 R auf CEM I 42,5 R) oder eine 4-stündige Wärmebehandlung vollständig zu substituieren. Die Dauerhaftigkeit der Betone wird dabei nicht negativ beeinflusst. In den Untersuchungen zum Sulfat-, Karbonatisierung-, Chlorideindring- oder Frost/Tauwiderstand kann weder ein positiver noch ein negativer Einfluss durch die Beschallung abgeleitet werden. Ebenso kann in einer Untersuchung zur Alkali-Kieselsäure-Reaktion kein negativer Einfluss durch die Ultraschallbehandlung beobachtet werden. In den darauf aufbauenden Untersuchungen wird die Anlagentechnik weiterentwickelt, um die Ultraschallbehandlung stärker an eine reale Betonproduktion anzupassen. In der ersten Iterationsstufe wird das in den Betonuntersuchungen verwendete Anlagenkonzept 1 modifiziert (von der In-line-Beschallung zur Batch-Beschallung) und als Analgenkonzept 2 für weitere Untersuchungen genutzt. Hierbei wird eine neue Betonrezeptur mit höherem w/z-Wert (0,52) verwendet, wobei die Druckfestigkeiten ebenfalls deutlich gesteigert werden können. Im Gegensatz zum ersten Beton, wird das Ausbreitmaß dieser Betonzusammensetzung gesteigert, was zur Reduktion von Fließmittel genutzt wird. Dies deckt sich ebenfalls mit den Beobachtungen an reinen Portlandzementsuspensionen, wo eine deutliche Verbesserung der Fließfähigkeit bei höheren w/z-Werten beschrieben wird. Für diese Betonrezeptur wird ein Vergleich mit einem kommerziell erhältlichen Erhärtungsbeschleuniger (synthetische C-S-H-Keime) angestellt. Hierbei zeigt sich, dass die Beschleunigungswirkung beider Technologien vergleichbar ist. Eine Kombination beider Technologien führt zu einer weiteren deutlichen Steigerung der Frühfestigkeiten, so dass hier von einem synergistischen Effekt ausgegangen werden kann. In der letzten Iterationsstufe, dem Anlagenkonzept 3, wird beschrieben, wie das Mischsystem im Rahmen einer universitären Ausgründung signifikant weiterentwickelt wird und erstmals in einem Betonwerk zur Betonproduktion verwendet wird. Bei den Überlegungen zur Weiterentwicklung des Ultraschall-Mischsystems wird der Fokus auf die Praktikabilität gelegt und gezeigt, dass das ultraschallgestütze Mischsystem die Druckfestigkeitsentwicklung auch im Werksmaßstab deutlich beschleunigen kann. Damit ist die Voraussetzung für eine ökologisch nachhaltige Optimierung eines Fertigteilbetons unter realen Produktionsbedingungen geschaffen worden.
Einblick: Gestalterische Potentiale und Perspektiven der Videotelefonie im Kontext von Nähe und Distanz. Eine praxis-basierte, (re-)kontextualisierende und diskursanalytische Studie. (2022)
Held, Tobias
Inhaltlich beschäftigt sich die Arbeit, die im Rahmen des Promotionsstudiengangs Kunst und Gestaltung an der Bauhaus-Universität entstand, mit der Erforschung sozio-interaktiver Potentiale der Videotelefonie im Kontext von Nähe und Verbundenheit mit Fokus auf Eigenbild, Embodiment sowie den Rederechtswechsel. Die Videotelefonie als Kommunikationsform hat sich – und darauf deuten die Erfahrungen der Co- vid-19-Pandemie hin – im lebensweltlichen Alltag der Menschen etabliert und wird dort in naher Zukunft nicht mehr wegzudenken sein. Auf Basis ihrer Möglichkeiten und Errungenschaften ist es inzwischen Realität und Lebenswirklichkeit, dass die Kommunikation sowohl im privaten als auch im geschäftlichen Kontext mittels verschiedenster Kanäle stattfindet. Der Videotelefonie kommt hierbei als solche nicht nur eine tragende Funktion, sondern auch eine herausragende Rolle bei der vermeintlichen Reproduktion der Face-to-Face-Kommunikation im digitalen Raum zu und wird wie selbstverständlich zum zwischenmenschlichen Austausch genutzt. Just an diesem Punkt knüpft die Forschungsarbeit an. Zentral stand dabei das Vorhaben einer dezidierte Untersuchung des Forschungsgegenstandes Videotelefonie, sowohl aus Kultur- als auch Technikhistorischer, aber auch Medien-, Wahrnehmungs- wie Kommunikations- theoretischer Perspektive, indem analytische und phänosemiotische Perspektiven miteinander in Beziehung gesetzt werden (z.B. Wahrnehmungsbedingungen, Interaktionsmerkmale, realisierte Kommunikationsprozesse etc.). Damit verbundenes, wünschenswertes Ziel war es, eine möglichst zeitgemäße wie relevante Forschungsfrage zu adressieren, die neben den kulturellen Technisierungs- und Mediatisierungstendenzen in institutionellen und privaten Milieus ebenfalls eine conditio sine qua non der pandemischen (Massen-)Kommunikation entwirft. Die Arbeit ist damit vor allem im Bereich des Produkt- und Interactiondesigns zu verorten. Darüber hinaus hatte sie das Ziel der Darlegung und Begründung der Videotelefonie als eigenständige Kommunikationsform, welche durch eigene, kommunikative Besonderheiten, die sich in ihrer jeweiligen Ingebrauchnahme sowie durch spezielle Wahrnehmungsbedingungen äußern, und die die Videotelefonie als »Rederechtswechselmedium« avant la lettre konsolidieren, gekennzeichnet ist. Dabei sollte der Beweis erbracht werden, dass die Videotelefonie nicht als Schwundstufe einer Kommunikation Face-to-Face, sondern als ein eigenständiges Mediatisierungs- und Kommunikationsereignis zu verstehen sei. Und eben nicht als eine beliebige – sich linear vom Telefon ausgehende – entwickelte Form der audio-visuellen Fernkommunikation darstellt, sondern die gestalterische (Bewegtbild-)Technizität ein eigenständiges Funktionsmaß offeriert, welches wiederum ein innovatives Kommunikationsmilieu im Kontext einer Rederechtswechsel-Medialität stabilisiert.
Salt-frost Attack on Concrete - New Findings regarding the Damage Mechanism (2022)
Müller, Matthias
The reduction of the cement clinker content is an important prerequisite for the improvement of the CO2-footprint of concrete. Nevertheless, the durability of such concretes must be sufficient to guarantee a satisfactory service life of structures. Salt frost scaling resistance is a critical factor in this regard, as it is often diminished at increased clinker substitution rates. Furthermore, only insufficient long-term experience for such concretes exists. A high salt frost scaling resistance thus cannot be achieved by applying only descriptive criteria, such as the concrete composition. It is therefore to be expected, that in the long term a performance based service life prediction will replace the descriptive concept. To achieve the important goal of clinker reduction for concretes also in cold and temperate climates it is important to understand the underlying mechanisms for salt frost scaling. However, conflicting damage theories dominate the current State of the Art. It was consequently derived as the goal of this thesis to evaluate existing damage theories and to examine them experimentally. It was found that only two theories have the potential to describe the salt frost attack satisfactorily – the glue spall theory and the cryogenic suction theory. The glue spall theory attributes the surface scaling to the interaction of an external ice layer with the concrete surface. Only when moderate amounts of deicing salt are present in the test solution the resulting mechanical properties of the ice can cause scaling. However, the results in this thesis indicate that severe scaling also occurs at deicing salt levels, at which the ice is much too soft to damage concrete. Thus, the inability of the glue spall theory to account for all aspects of salt frost scaling was shown. The cryogenic suction theory is based on the eutectic behavior of salt solutions, which consist of two phases – water ice and liquid brine – between the freezing point and the eutectic temperature. The liquid brine acts as an additional moisture reservoir, which facilitates the growth of ice lenses in the surface layer of the concrete. The experiments in this thesis confirmed, that the ice formation in hardened cement paste increases due to the suction of brine at sub-zero temperatures. The extent of additional ice formation was influenced mainly by the porosity and by the chloride binding capacity of the hardened cement paste. Consequently, the cryogenic suction theory plausibly describes the actual generation of scaling, but it has to be expanded by some crucial aspects to represent the salt frost scaling attack completely. The most important aspect is the intensive saturation process, which is ascribed to the so-called micro ice lens pump. Therefore a combined damage theory was proposed, which considers multiple saturation processes. Important aspects of this combined theory were confirmed experimentally. As a result, the combined damage theory constitutes a good basis to understand the salt frost scaling attack on concrete on a fundamental level. Furthermore, a new approach was identified, to account for the reduced salt frost scaling resistance of concretes with reduced clinker content.
Analysis of Functionally Graded Porous Materials Using Deep Energy Method and Analytical Solution (2022)
Mojahedin, Arvin
Porous materials are an emerging branch of engineering materials that are composed of two elements: One element is a solid (matrix), and the other element is either liquid or gas. Pores can be distributed within the solid matrix of porous materials with different shapes and sizes. In addition, porous materials are lightweight, and flexible, and have higher resistance to crack propagation and specific thermal, mechanical, and magnetic properties. These properties are necessary for manufacturing engineering structures such as beams and other engineering structures. These materials are widely used in solid mechanics and are considered a good replacement for classical materials by many researchers recently. Producing lightweight materials has been developed because of the possibility of exploiting the properties of these materials. Various types of porous material are generated naturally or artificially for a specific application such as bones and foams. Like functionally graded materials, pore distribution patterns can be uniform or non-uniform. Biot’s theory is a well-developed theory to study the behavior of poroelastic materials which investigates the interaction between fluid and solid phases of a fluid-saturated porous medium. Functionally graded porous materials (FGPM) are widely used in modern industries, such as aerospace, automotive, and biomechanics. These advanced materials have some specific properties compared to materials with a classic structure. They are extremely light, while they have specific strength in mechanical and high-temperature environments. FGPMs are characterized by a gradual variation of material parameters over the volume. Although these materials can be made naturally, it is possible to design and manufacture them for a specific application. Therefore, many studies have been done to analyze the mechanical and thermal properties of FGPM structures, especially beams. Biot was the pioneer in formulating the linear elasticity and thermoelasticity equations of porous material. Since then, Biot's formulation has been developed in continuum mechanics which is named poroelasticity. There are obstacles to analyzing the behavior of these materials accurately like the shape of the pores, the distribution of pores in the material, and the behavior of the fluid (or gas) that saturated pores. Indeed, most of the engineering structures made of FGPM have nonlinear governing equations. Therefore, it is difficult to study engineering structures by solving these complicated equations. The main purpose of this dissertation is to analyze porous materials in engineering structures. For this purpose, the complex equations of porous materials have been simplified and applied to engineering problems so that the effect of all parameters of porous materials on the behavior of engineering structure has been investigated. The effect of important parameters of porous materials on beam behavior including pores compressibility, porosity distribution, thermal expansion of fluid within pores, the interaction of stresses between pores and material matrix due to temperature increase, effects of pore size, material thickness, and saturated pores with fluid and unsaturated conditions are investigated. Two methods, the deep energy method, and the exact solution have been used to reduce the problem hypotheses, increase accuracy, increase processing speed, and apply these in engineering structures. In both methods, they are analyzed nonlinear and complex equations of porous materials. To increase the accuracy of analysis and study of the effect of shear forces, Timoshenko and Reddy's beam theories have been used. Also, neural networks such as residual and fully connected networks are designed to have high accuracy and less processing time than other computational methods.
Discrete potential and function theories on a rectangular lattice and their applications (2022)
Legatiuk, Anastasiia
The growing complexity of modern engineering problems necessitates development of advanced numerical methods. In particular, methods working directly with discrete structures, and thus, representing exactly some important properties of the solution on a lattice and not just approximating the continuous properties, become more and more popular nowadays. Among others, discrete potential theory and discrete function theory provide a variety of methods, which are discrete counterparts of the classical continuous methods for solving boundary value problems. A lot of results related to the discrete potential and function theories have been presented in recent years. However, these results are related to the discrete theories constructed on square lattices, and, thus, limiting their practical applicability and potentially leading to higher computational costs while discretising realistic domains. This thesis presents an extension of the discrete potential theory and discrete function theory to rectangular lattices. As usual in the discrete theories, construction of discrete operators is strongly influenced by a definition of discrete geometric setting. For providing consistent constructions throughout the whole thesis, a detailed discussion on the discrete geometric setting is presented in the beginning. After that, the discrete fundamental solution of the discrete Laplace operator on a rectangular lattice, which is the core of the discrete potential theory, its numerical analysis, and practical calculations are presented. By using the discrete fundamental solution of the discrete Laplace operator on a rectangular lattice, the discrete potential theory is then constructed for interior and exterior settings. Several discrete interior and exterior boundary value problems are then solved. Moreover, discrete transmission problems are introduced and several numerical examples of these problems are discussed. Finally, a discrete fundamental solution of the discrete Cauchy-Riemann operator on a rectangular lattice is constructed, and basics of the discrete function theory on a rectangular lattice are provided. This work indicates that the discrete theories provide solution methods with very good numerical properties to tackle various boundary value problems, as well as transmission problems coupling interior and exterior problems. The results presented in this thesis provide a basis for further development of discrete theories on irregular lattices.
Computational Fracture Modeling and Design of Encapsulation-Based Self-Healing Concrete Using XFEM and Cohesive Surface Technique (2022)
Hanna, John
Encapsulation-based self-healing concrete (SHC) is the most promising technique for providing a self-healing mechanism to concrete. This is due to its capacity to heal fractures effectively without human interventions, extending the operational life and lowering maintenance costs. The healing mechanism is created by embedding capsules containing the healing agent inside the concrete. The healing agent will be released once the capsules are fractured and the healing occurs in the vicinity of the damaged part. The healing efficiency of the SHC is still not clear and depends on several factors; in the case of microcapsules SHC the fracture of microcapsules is the most important aspect to release the healing agents and hence heal the cracks. This study contributes to verifying the healing efficiency of SHC and the fracture mechanism of the microcapsules. Extended finite element method (XFEM) is a flexible, and powerful discrete crack method that allows crack propagation without the requirement for re-meshing and has been shown high accuracy for modeling fracture in concrete. In this thesis, a computational fracture modeling approach of Encapsulation-based SHC is proposed based on the XFEM and cohesive surface technique (CS) to study the healing efficiency and the potential of fracture and debonding of the microcapsules or the solidified healing agents from the concrete matrix as well. The concrete matrix and a microcapsule shell both are modeled by the XFEM and combined together by CS. The effects of the healed-crack length, the interfacial fracture properties, and microcapsule size on the load carrying capability and fracture pattern of the SHC have been studied. The obtained results are compared to those obtained from the zero thickness cohesive element approach to demonstrate the significant accuracy and the validity of the proposed simulation. The present fracture simulation is developed to study the influence of the capsular clustering on the fracture mechanism by varying the contact surface area of the CS between the microcapsule shell and the concrete matrix. The proposed fracture simulation is expanded to 3D simulations to validate the 2D computational simulations and to estimate the accuracy difference ratio between 2D and 3D simulations. In addition, a proposed design method is developed to design the size of the microcapsules consideration of a sufficient volume of healing agent to heal the expected crack width. This method is based on the configuration of the unit cell (UC), Representative Volume Element (RVE), Periodic Boundary Conditions (PBC), and associated them to the volume fraction (Vf) and the crack width as variables. The proposed microcapsule design is verified through computational fracture simulations.
An Efficient Adaptive PD Formulation for Complex Microstructures (2022)
Jenabidehkordi, Ali
The computational costs of newly developed numerical simulation play a critical role in their acceptance within both academic use and industrial employment. Normally, the refinement of a method in the area of interest reduces the computational cost. This is unfortunately not true for most nonlocal simulation, since refinement typically increases the size of the material point neighborhood. Reducing the discretization size while keep- ing the neighborhood size will often require extra consideration. Peridy- namic (PD) is a newly developed numerical method with nonlocal nature. Its straightforward integral form equation of motion allows simulating dy- namic problems without any extra consideration required. The formation of crack and its propagation is known as natural to peridynamic. This means that discontinuity is a result of the simulation and does not demand any post-processing. As with other nonlocal methods, PD is considered an expensive method. The refinement of the nodal spacing while keeping the neighborhood size (i.e., horizon radius) constant, emerges to several nonphysical phenomena. This research aims to reduce the peridynamic computational and imple- mentation costs. A novel refinement approach is introduced. The pro- posed approach takes advantage of the PD flexibility in choosing the shape of the horizon by introducing multiple domains (with no intersections) to the nodes of the refinement zone. It will be shown that no ghost forces will be created when changing the horizon sizes in both subdomains. The approach is applied to both bond-based and state-based peridynamic and verified for a simple wave propagation refinement problem illustrating the efficiency of the method. Further development of the method for higher dimensions proves to have a direct relationship with the mesh sensitivity of the PD. A method for solving the mesh sensitivity of the PD is intro- duced. The application of the method will be examined by solving a crack propagation problem similar to those reported in the literature. New software architecture is proposed considering both academic and in- dustrial use. The available simulation tools for employing PD will be collected, and their advantages and drawbacks will be addressed. The challenges of implementing any node base nonlocal methods while max- imizing the software flexibility to further development and modification will be discussed and addressed. A software named Relation-Based Sim- ulator (RBS) is developed for examining the proposed architecture. The exceptional capabilities of RBS will be explored by simulating three dis- tinguished models. RBS is available publicly and open to further develop- ment. The industrial acceptance of the RBS will be tested by targeting its performance on one Mac and two Linux distributions.
An efficient adaptive PD formulation for complex microstructures (2022)
Jenabidehkordi, Ali
The computational costs of newly developed numerical simulation play a critical role in their acceptance within both academic use and industrial employment. Normally, the refinement of a method in the area of interest reduces the computational cost. This is unfortunately not true for most nonlocal simulation, since refinement typically increases the size of the material point neighborhood. Reducing the discretization size while keep- ing the neighborhood size will often require extra consideration. Peridynamic (PD) is a newly developed numerical method with nonlocal nature. Its straightforward integral form equation of motion allows simulating dynamic problems without any extra consideration required. The formation of crack and its propagation is known as natural to peridynamic. This means that discontinuity is a result of the simulation and does not demand any post-processing. As with other nonlocal methods, PD is considered an expensive method. The refinement of the nodal spacing while keeping the neighborhood size (i.e., horizon radius) constant, emerges to several nonphysical phenomena. This research aims to reduce the peridynamic computational and imple- mentation costs. A novel refinement approach is introduced. The pro- posed approach takes advantage of the PD flexibility in choosing the shape of the horizon by introducing multiple domains (with no intersections) to the nodes of the refinement zone. It will be shown that no ghost forces will be created when changing the horizon sizes in both subdomains. The approach is applied to both bond-based and state-based peridynamic and verified for a simple wave propagation refinement problem illustrating the efficiency of the method. Further development of the method for higher dimensions proves to have a direct relationship with the mesh sensitivity of the PD. A method for solving the mesh sensitivity of the PD is intro- duced. The application of the method will be examined by solving a crack propagation problem similar to those reported in the literature. New software architecture is proposed considering both academic and in- dustrial use. The available simulation tools for employing PD will be collected, and their advantages and drawbacks will be addressed. The challenges of implementing any node base nonlocal methods while max- imizing the software flexibility to further development and modification will be discussed and addressed. A software named Relation-Based Sim- ulator (RBS) is developed for examining the proposed architecture. The exceptional capabilities of RBS will be explored by simulating three distinguished models. RBS is available publicly and open to further develop- ment. The industrial acceptance of the RBS will be tested by targeting its performance on one Mac and two Linux distributions.
Numerical Simulation Models for Thermoelastic Damping Effects (2022)
Zacharias, Christin
Finite Element Simulations of dynamically excited structures are mainly influenced by the mass, stiffness, and damping properties of the system, as well as external loads. The prediction quality of dynamic simulations of vibration-sensitive components depends significantly on the use of appropriate damping models. Damping phenomena have a decisive influence on the vibration amplitude and the frequencies of the vibrating structure. However, developing realistic damping models is challenging due to the multiple sources that cause energy dissipation, such as material damping, different types of friction, or various interactions with the environment. This thesis focuses on thermoelastic damping, which is the main cause of material damping in homogeneous materials. The effect is caused by temperature changes due to mechanical strains. In vibrating structures, temperature gradients arise in adjacent tension and compression areas. Depending on the vibration frequency, they result in heat flows, leading to increased entropy and the irreversible transformation of mechanical energy into thermal energy. The central objective of this thesis is the development of efficient simulation methods to incorporate thermoelastic damping in finite element analyses based on modal superposition. The thermoelastic loss factor is derived from the structure's mechanical mode shapes and eigenfrequencies. In subsequent analyses that are performed in the time and frequency domain, it is applied as modal damping. Two approaches are developed to determine the thermoelastic loss in thin-walled plate structures, as well as three-dimensional solid structures. The realistic representation of the dissipation effects is verified by comparing the simulation results with experimentally determined data. Therefore, an experimental setup is developed to measure material damping, excluding other sources of energy dissipation. The three-dimensional solid approach is based on the determination of the generated entropy and therefore the generated heat per vibration cycle, which is a measure for thermoelastic loss in relation to the total strain energy. For thin plate structures, the amount of bending energy in a modal deformation is calculated and summarized in the so-called Modal Bending Factor (MBF). The highest amount of thermoelastic loss occurs in the state of pure bending. Therefore, the MBF enables a quantitative classification of the mode shapes concerning the thermoelastic damping potential. The results of the developed simulations are in good agreement with the experimental results and are appropriate to predict thermoelastic loss factors. Both approaches are based on modal superposition with the advantage of a high computational efficiency. Overall, the modeling of thermoelastic damping represents an important component in a comprehensive damping model, which is necessary to perform realistic simulations of vibration processes.
A Nonlocal Operator Method for Quasi-static and Dynamic Fracture Modeling (2022)
Zhang, Yongzheng
Material failure can be tackled by so-called nonlocal models, which introduce an intrinsic length scale into the formulation and, in the case of material failure, restore the well-posedness of the underlying boundary value problem or initial boundary value problem. Among nonlocal models, peridynamics (PD) has attracted a lot of attention as it allows the natural transition from continuum to discontinue and thus allows modeling of discrete cracks without the need to describe and track the crack topology, which has been a major obstacle in traditional discrete crack approaches. This is achieved by replacing the divergence of the Cauchy stress tensor through an integral over so-called bond forces, which account for the interaction of particles. A quasi-continuum approach is then used to calibrate the material parameters of the bond forces, i.e., equating the PD energy with the energy of a continuum. One major issue for the application of PD to general complex problems is that they are limited to fairly simple material behavior and pure mechanical problems based on explicit time integration. PD has been extended to other applications but losing simultaneously its simplicity and ease in modeling material failure. Furthermore, conventional PD suffers from instability and hourglass modes that require stabilization. It also requires the use of constant horizon sizes, which drastically reduces its computational efficiency. The latter issue was resolved by the so-called dual-horizon peridynamics (DH-PD) formulation and the introduction of the duality of horizons. Within the nonlocal operator method (NOM), the concept of nonlocality is further extended and can be considered a generalization of DH-PD. Combined with the energy functionals of various physical models, the nonlocal forms based on the dual-support concept can be derived. In addition, the variation of the energy functional allows implicit formulations of the nonlocal theory. While traditional integral equations are formulated in an integral domain, the dual-support approaches are based on dual integral domains. One prominent feature of NOM is its compatibility with variational and weighted residual methods. The NOM yields a direct numerical implementation based on the weighted residual method for many physical problems without the need for shape functions. Only the definition of the energy or boundary value problem is needed to drastically facilitate the implementation. The nonlocal operator plays an equivalent role to the derivatives of the shape functions in meshless methods and finite element methods (FEM). Based on the variational principle, the residual and the tangent stiffness matrix can be obtained with ease by a series of matrix multiplications. In addition, NOM can be used to derive many nonlocal models in strong form. The principal contributions of this dissertation are the implementation and application of NOM, and also the development of approaches for dealing with fractures within the NOM, mostly for dynamic fractures. The primary coverage and results of the dissertation are as follows: -The first/higher-order implicit NOM and explicit NOM, including a detailed description of the implementation, are presented. The NOM is based on so-called support, dual-support, nonlocal operators, and an operate energy functional ensuring stability. The nonlocal operator is a generalization of the conventional differential operators. Combining with the method of weighted residuals and variational principles, NOM establishes the residual and tangent stiffness matrix of operate energy functional through some simple matrix without the need of shape functions as in other classical computational methods such as FEM. NOM only requires the definition of the energy drastically simplifying its implementation. For the sake of conciseness, the implementation in this chapter is focused on linear elastic solids only, though the NOM can handle more complex nonlinear problems. An explicit nonlocal operator method for the dynamic analysis of elasticity solid problems is also presented. The explicit NOM avoids the calculation of the tangent stiffness matrix as in the implicit NOM model. The explicit scheme comprises the Verlet-velocity algorithm. The NOM can be very flexible and efficient for solving partial differential equations (PDEs). It's also quite easy for readers to use the NOM and extend it to solve other complicated physical phenomena described by one or a set of PDEs. Several numerical examples are presented to show the capabilities of this method. -A nonlocal operator method for the dynamic analysis of (thin) Kirchhoff plates is proposed. The nonlocal Hessian operator is derived from a second-order Taylor series expansion. NOM is higher-order continuous, which is exploited for thin plate analysis that requires $C^1$ continuity. The nonlocal dynamic governing formulation and operator energy functional for Kirchhoff plates are derived from a variational principle. The Verlet-velocity algorithm is used for time discretization. After confirming the accuracy of the nonlocal Hessian operator, several numerical examples are simulated by the nonlocal dynamic Kirchhoff plate formulation. -A nonlocal fracture modeling is developed and applied to the simulation of quasi-static and dynamic fractures using the NOM. The phase field's nonlocal weak and associated strong forms are derived from a variational principle. The NOM requires only the definition of energy. We present both a nonlocal implicit phase field model and a nonlocal explicit phase field model for fracture; the first approach is better suited for quasi-static fracture problems, while the key application of the latter one is dynamic fracture. To demonstrate the performance of the underlying approach, several benchmark examples for quasi-static and dynamic fracture are solved.
Urban Agoraphobia: The pursuit of security within confined community ties. Urban-ethnographic analysis on gated housing developments of Guadalajara, Mexico. (2022)
Ortiz Alvis, Alfredo
The Gated Community (GC) phenomenon in Latin American cities has become an inherent element of their urban development, despite academical debate, their approach thrives within the housing market; not surprisingly, as some of the premises on which GCs are based, namely safety, control and supervision intersperse seamlessly with the insecure conditions of the contexts from which they arise. The current security crisis in Mexico, triggered in 2006 by the so-called war on drugs, has reached its peak with the highest insecurity rates in decades, representing a unique chance to study these interactions. Although the leading term of this research, Urban Agoraphobia, implies a causal dichotomy between the rise in the sense of fear amongst citizens and housing confinement as lineal consequence, I acknowledge that GCs represent a complex phenomenon, a hub of diverse factors and multidimensional processes held on four fundamental levels: global, social, individual and state-related. The focus of this dissertation is set on the individual plane and contributes, from the analysis of the GC’s resident’s perspective, experiences and perceptions, to a debate that has usually been limited to the scrutiny of other drivers, disregarding the role of dweller’s underlying fears, motivations and concerns. Assuming that the current ruling security model in Mexico tends to empower its commodification rather than its collective quality, this research draws upon the use of a methodological triangulation, along conceptual and contextual analyses, to test the hypothesis that insecurity plays an increasingly major role, leading citizens into the belief that acquiring a household in a controlled and surveilled community represents a counterweight against the feared environment of the open city. The focus of the analysis lies on the internal hatch of community ties as potential palliative for the provision of a sense of security, aiming to transcend the unidimensional discourse of GCs as defined mainly by their defensive apparatus. Residents’ perspectives acquired through ethnographical analyses may provide the chance to gain an essential view into a phenomenon that further consolidates without a critical study of its actual implications, not only for Mexican cities, but also for the Latin American and global contexts.
Discontinuous propagating fronts: linear and nonlinear systems (2022)
Yousefi, Hassan
The aim of this study is controlling of spurious oscillations developing around discontinuous solutions of both linear and non-linear wave equations or hyperbolic partial differential equations (PDEs). The equations include both first-order and second-order (wave) hyperbolic systems. In these systems even smooth initial conditions, or smoothly varying source (load) terms could lead to discontinuous propagating solutions (fronts). For the first order hyperbolic PDEs, the concept of central high resolution schemes is integrated with the multiresolution-based adaptation to capture properly both discontinuous propagating fronts and effects of fine-scale responses on those of larger scales in the multiscale manner. This integration leads to using central high resolution schemes on non-uniform grids; however, such simulation is unstable, as the central schemes are originally developed to work properly on uniform cells/grids. Hence, the main concern is stable collaboration of central schemes and multiresoltion-based cell adapters. Regarding central schemes, the considered approaches are: 1) Second order central and central-upwind schemes; 2) Third order central schemes; 3) Third and fourth order central weighted non-oscillatory schemes (central-WENO or CWENO); 4) Piece-wise parabolic methods (PPMs) obtained with two different local stencils. For these methods, corresponding (nonlinear) stability conditions are studied and modified, as well. Based on these stability conditions several limiters are modified/developed as follows: 1) Several second-order limiters with total variation diminishing (TVD) feature, 2) Second-order uniformly high order accurate non-oscillatory (UNO) limiters, 3) Two third-order nonlinear scaling limiters, 4) Two new limiters for PPMs. Numerical results show that adaptive solvers lead to cost-effective computations (e.g., in some 1-D problems, number of adapted grid points are less than 200 points during simulations, while in the uniform-grid case, to have the same accuracy, using of 2049 points is essential). Also, in some cases, it is confirmed that fine scale responses have considerable effects on higher scales. In numerical simulation of nonlinear first order hyperbolic systems, the two main concerns are: convergence and uniqueness. The former is important due to developing of the spurious oscillations, the numerical dispersion and the numerical dissipation. Convergence in a numerical solution does not guarantee that it is the physical/real one (the uniqueness feature). Indeed, a nonlinear systems can converge to several numerical results (which mathematically all of them are true). In this work, the convergence and uniqueness are directly studied on non-uniform grids/cells by the concepts of local numerical truncation error and numerical entropy production, respectively. Also, both of these concepts have been used for cell/grid adaptations. So, the performance of these concepts is also compared by the multiresolution-based method. Several 1-D and 2-D numerical examples are examined to confirm the efficiency of the adaptive solver. Examples involve problems with convex and non-convex fluxes. In the latter case, due to developing of complex waves, proper capturing of real answers needs more attention. For this purpose, using of method-adaptation seems to be essential (in parallel to the cell/grid adaptation). This new type of adaptation is also performed in the framework of the multiresolution analysis. Regarding second order hyperbolic PDEs (mechanical waves), the regularization concept is used to cure artificial (numerical) oscillation effects, especially for high-gradient or discontinuous solutions. There, oscillations are removed by the regularization concept acting as a post-processor. Simulations will be performed directly on the second-order form of wave equations. It should be mentioned that it is possible to rewrite second order wave equations as a system of first-order waves, and then simulated the new system by high resolution schemes. However, this approach ends to increasing of variable numbers (especially for 3D problems). The numerical discretization is performed by the compact finite difference (FD) formulation with desire feature; e.g., methods with spectral-like or optimized-error properties. These FD methods are developed to handle high frequency waves (such as waves near earthquake sources). The performance of several regularization approaches is studied (both theoretically and numerically); at last, a proper regularization approach