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This study deals with design for AI/ML systems, more precisely in the industrial AI context based on case studies from the factory automation field. It therefore touches on core concepts from Human-Centered-Design (HCD), User Experience (UX) and Human Computer Interaction (HCI) on one hand, as well as concepts from Artificial Intelligence (AI), Machine Learning (ML) and the impact of technology on the other. The case studies the research is based on are within the industrial AI domain. However, the final outcomes, the findings, solutions, artifacts and so forth, should be transferable to a wider spectrum of domains. The study’s aim is to examine the role of designers in the age of AI and the factors which are relevant, based on the hypothesis that current AI/ML development lacks the human perspective, which means that there are pitfalls and challenges that design can help resolve. The initial literature review revealed that AI/ML are perceived as a new design material that calls for a new design paradigm. Additional research based on qualitative case study research was conducted to gain an overview of the relevant issues and challenges. From this, 17 themes emerged, which together with explorative expert interviews and a structured literature review, were further analyzed to produce the relevant HCD, UX and HCI themes. It became clear that designers need new processes, methods, and tools in the age of AI/ML in combination with not only design, but also data science and business expertise, which is why the proposed solution in this PhD features process modules for design, data science and business collaboration. There are seven process modules and their related activities and dependencies that serve as guidelines for practitioners who want to design intelligence. A unified framework for collecting use case exemplars was created, based on a workshop with different practitioners and researchers from the area of AI/ML to support and enrich the process modules with concrete projects examples.
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.
Im Rahmen dieser Arbeit wird das Charakterisieren struktureller Veränderungen zementgebundener Baustoffe durch zwei auf dem Ultraschall-Transmissionsverfahren beruhenden Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) mit mechanischen Wellen vorgenommen.
Zur kontinuierlichen Charakterisierung der Erstarrung und Erhärtung frischer zementgebundener Systeme wird ein auf Ultraschallsensoren für Longitudinal- und Scherwellen basierendes Messsystem in Kombination mit zugehörigen Verfahrensweisen zur Datenauswertung konzipiert, charakterisiert und angewandt. Gegenüber der bislang üblichen alleinigen Bewertung der Verfestigung anhand indirekter Ultraschallparameter wie Ausbreitungsgeschwindigkeit, Signalenergie oder Frequenzgehalt der Longitudinalwelle lässt sich damit eine direkte, sensible Erfassung der sich während der Strukturbildung entwickelnden dynamischen elastischen Eigenschaften auf der Basis primärer physikalischer Werkstoffparameter erreichen. Insbesondere Scherwellen und der dynamische Schubmodul sind geeignet, den graduellen Übergang zum Festkörper mit Überschreiten der Perkolationsschwelle sensibel und unabhängig vom Luftgehalt zu erfassen. Die zeitliche Entwicklung der dynamischen elastischen Eigenschaften, die Strukturbildungsraten sowie die daraus extrahierten diskreten Ergebnisparameter ermöglichen eine vergleichende quantitative Charakterisierung der Strukturbildung zementgebundener Baustoffe aus mechanischer Sicht. Dabei lassen sich typische, oft unvermeidbare Unterschiede in der Zusammensetzung der Versuchsmischungen berücksichtigen.
Der Einsatz laserbasierter Methoden zur Anregung und Erfassung von mechanischen Wellen und deren Kombination zu Laser-Ultraschall zielt darauf ab, die mit der Anwendung des konventionellen Ultraschall-Transmissionsverfahrens verbundenen Nachteile zu eliminieren. Diese resultieren aus der Sensorgeometrie, der mechanischen Ankopplung und bei einer Vielzahl von Oberflächenpunkten aus einem hohen prüftechnischen Aufwand. Die laserbasierte, interferometrische Erfassung mechanischer Wellen ist gegenüber Ultraschallsensoren rauschbehaftet und vergleichsweise unsensibel. Als wesentliche Voraussetzung der scannenden Anwendung von Laser-Ultraschall auf zementgebundene Baustoffe erfolgen systematische experimentelle Untersuchungen zur laserinduzierten ablativen Anregung. Diese sollen zum Verständnis des Anregungsmechanismus unmittelbar auf den Oberflächen von zementgebundenen Baustoffen, Gesteinskörnungen und metallischen Werkstoffen beitragen, relevante Einflussfaktoren aus den charakteristischen Materialeigenschaften identifizieren, geeignete Prozessparameter gewinnen und die Verfahrensgrenzen aufzeigen. Unter Einsatz von Longitudinalwellen erfolgt die Anwendung von Laser-Ultraschall zur zeit- und ortsaufgelösten Charakterisierung der Strukturbildung und Homogenität frischer sowie erhärteter Proben zementgebundener Baustoffe. Während der Strukturbildung wird erstmals eine simultane berührungslose Erfassung von Longitudinal- und Scherwellen vorgenommen. Unter Anwendung von tomographischen Methoden (2D-Laufzeit¬tomo¬graphie) werden überlagerungsfreie Informationen zur räumlichen Verteilung struktureller Gefügeveränderungen anhand der longitudinalen Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. des relativen dynamischen Elastizitätsmoduls innerhalb von virtuellen Schnittebenen geschädigter Probekörper gewonnen. Als beton-schädigende Mechanismen werden exemplarisch der kombinierte Frost-Tausalz-Angriff sowie die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) herangezogen.
Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung bieten erweiterte Möglichkeiten zur Charakterisierung zementgebundener Baustoffe und deren strukturellen Veränderungen und lassen sich zielgerichtet in der Werkstoffentwicklung, bei der Qualitätssicherung sowie zur Analyse von Schadensprozessen und -ursachen einsetzen.
Bauablaufplänen kommt bei der Realisierung von Bauprojekten eine zentrale Rolle zu. Sie dienen der Koordination von Schnittstellen und bilden für die am Projekt Beteiligten die Grundlage für ihre individuelle Planung. Eine verlässliche Terminplanung ist daher von großer Bedeutung, tatsächlich sind aber gerade Bauablaufpläne für ihre Unzuverlässigkeit bekannt.
Aufgrund der langen Vorlaufzeiten bei der Planung von Bauprojekten sind zum Zeitpunkt der Planung viele Informationen nur als Schätzwerte bekannt. Auf der Grundlage dieser geschätzten und damit mit Unsicherheiten behafteten Daten werden im Bauwesen deterministische Terminpläne erstellt. Kommt es während der Realisierung zu Diskrepanzen zwischen Schätzungen und Realität, erfordert dies die Anpassung der Pläne. Aufgrund zahlreicher Abhängigkeiten zwischen den geplanten Aktivitäten können einzelne Planänderungen vielfältige weitere Änderungen und Anpassungen nach sich ziehen und damit einen reibungslosen Projektablauf gefährden.
In dieser Arbeit wird ein Vorgehen entwickelt, welches Bauablaufpläne erzeugt, die im Rahmen der durch das Projekt definierten Abhängigkeiten und Randbedingungen in der Lage sind, Änderungen möglichst gut zu absorbieren. Solche Pläne, die bei auftretenden Änderungen vergleichsweise geringe Anpassungen des Terminplans erfordern, werden hier als robust bezeichnet.
Ausgehend von Verfahren der Projektplanung und Methoden zur Berücksichtigung von Unsicherheiten werden deterministische Terminpläne bezüglich ihres Verhaltens bei eintretenden Änderungen betrachtet. Hierfür werden zunächst mögliche Unsicherheiten als Ursachen für Änderungen benannt und mathematisch abgebildet. Damit kann das Verhalten von Abläufen für mögliche Änderungen betrachtet werden, indem die durch Änderungen erzwungenen angepassten Terminpläne simuliert werden. Für diese Monte-Carlo-Simulationen der angepassten Terminpläne wird sichergestellt, dass die angepassten Terminpläne logische Weiterentwicklungen des deterministischen Terminplans darstellen. Auf der Grundlage dieser Untersuchungen wird ein stochastisches Maß zur Quantifizierung der Robustheit erarbeitet, welches die Fähigkeit eines Planes, Änderungen zu absorbieren, beschreibt. Damit ist es möglich, Terminpläne bezüglich ihrer Robustheit zu vergleichen.
Das entwickelte Verfahren zur Quantifizierung der Robustheit wird in einem Optimierungsverfahren auf Basis Genetischer Algorithmen angewendet, um gezielt robuste Terminpläne zu erzeugen. An Beispielen werden die Methoden demonstriert und ihre Wirksamkeit nachgewiesen.
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.
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.
With the growing importance of the World Wide Web, the major challenges our society faces are also increasingly affecting the digital areas of our lives. Some of the associated problems can be addressed by computer science, and some of these specifically by data-driven research. To do so, however, requires to solve open issues related to archive quality and the large volume and variety of the data contained.
This dissertation contributes data, algorithms, and concepts towards leveraging the big data and temporal provenance capabilities of web archives to tackle societal challenges. We selected three such challenges that highlight the central issues of archive quality, data volume, and data variety, respectively:
(1) For the preservation of digital culture, this thesis investigates and improves the automatic quality assurance of the web page archiving process, as well as the further processing of the resulting archive data for automatic analysis.
(2) For the critical assessment of information, this thesis examines large datasets of Wikipedia and news articles and presents new methods for automatically determining quality and bias.
(3) For digital security and privacy, this thesis exploits the variety of content on the web to quantify the security of mnemonic passwords and analyzes the privacy-aware re-finding of the various seen content through private web archives.
The objective of this thesis was to understand the 20th-century history of informal urbanisation in Europe and its origins in Madrid and Paris. The concept of informal urbanisation was employed to refer to the process of developing shacks and precarious single-family housing areas that were not planned by the public powers and were considered to be substandard because of their below-average materials and social characteristics. Our main hypothesis was that despite being a phenomenon with ancient roots, informal urbanisation emerged as a public problem and was subsequently prohibited in connection with another historical process occurred: the birth of contemporary urban planning. Therefore, its transformation into a deviant and illegal urban growth mechanism would have been a pan-European process occurring at the same pace that urban planning developed during the first decades of the 20th century.
Analysing the 20th-century history of informal urbanisation in Europe was an ambitious task that required using a large number of sources. To contend with this issue, this thesis combined two main methods: historiographical research about informal urbanisation in Europe and archival research of two case studies, Madrid and Paris, to make the account more precise by analysing primary sources of the subject.
Our research of these informal areas, which were produced mainly through poor private allotments and housing developed on land squats, revealed two key moments of explosive growth across Europe: the 1920s and 1960s. The near disappearance of informal urbanisation throughout the continent seemed to be a consequence not of the historical development of urban planning—which was commonly transgressed and bypassed—but of the exacerbation of global economic inequalities, permitting the development of a geography of privilege in Europe.
Concerning the cases of Paris and Madrid, the origins of informal urbanisation—that is, the moment the issue started to be problematised—seemed to occur in the second half of the 19th century, when a number of hygienic norms and surveillance devices began to control housing characteristics. From that moment onwards, informal urbanisation areas formed peripheral belts in both cities. This growth became the object of an illegalisation process of which we have identified three phases: (i) the unregulated development of the phenomenon during the second half of the 20th century, (ii) the institutional production of “exception regulations” to permit a controlled development of substandard housing in the peripheral fringes of both cities, and (iii) the synchronic prohibition of informal urbanisation in the 1920s and its illegal reproduction.
In ten chapters, this thesis presents information retrieval technology which is tailored to the research activities that arise in the context of corpus-based digital humanities projects.
The presentation is structured by a conceptual research process that is introduced in Chapter 1. The process distinguishes a set of five research activities: research question generation, corpus acquisition, research question modeling, corpus annotation, and result dissemination. Each of these research activities elicits different information retrieval tasks with special challenges, for which algorithmic approaches are presented after an introduction of the core information retrieval concepts in Chapter 2.
A vital concept in many of the presented approaches is the keyquery paradigm introduced in Chapter 3, which represents an operation that returns relevant search queries in response to a given set of input documents. Keyqueries are proposed in Chapter 4 for the recommendation of related work, and in Chapter 5 for improving access to aspects hidden in the long tail of search result lists.
With pseudo-descriptions, a document expansion approach is presented in Chapter 6. The approach improves the retrieval performance for corpora where only bibliographic meta-data is originally available. In Chapter 7, the keyquery paradigm is employed to generate dynamic taxonomies for corpora in an unsupervised fashion.
Chapter 8 turns to the exploration of annotated corpora, and presents scoped facets as a conceptual extension to faceted search systems, which is particularly useful in exploratory search settings. For the purpose of highlighting the major topical differences in a sequence of sub-corpora, an algorithm called topical sequence profiling is presented in Chapter 9.
The thesis concludes with two pilot studies regarding the visualization of (re)search results for the means of successful result dissemination: a metaphoric interpretation of the information nutrition label, as well as the philosophical bodies, which are 3D-printed search results.
Das Ziel der Arbeit ist, eine mögliche Verbesserung der Güte der Lebensdauervorhersage für Gusseisenwerkstoffe mit Kugelgraphit zu erreichen, wobei die Gießprozesse verschiedener Hersteller berücksichtigt werden.
Im ersten Schritt wurden Probenkörper aus GJS500 und GJS600 von mehreren Gusslieferanten gegossen und daraus Schwingproben erstellt.
Insgesamt wurden Schwingfestigkeitswerte der einzelnen gegossenen Proben sowie der Proben des Bauteils von verschiedenen Gussherstellern weltweit entweder durch direkte Schwingversuche oder durch eine Sammlung von Betriebsfestigkeitsversuchen bestimmt.
Dank der metallografischen Arbeit und Korrelationsanalyse konnten drei wesentliche Parameter zur Bestimmung der lokalen Dauerfestigkeit festgestellt werden: 1. statische Festigkeit, 2. Ferrit- und Perlitanteil der Mikrostrukturen und 3. Kugelgraphitanzahl pro Flächeneinheit.
Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein neues Festigkeitsverhältnisdiagramm (sogenanntes Sd/Rm-SG-Diagramm) entwickelt.
Diese neue Methodik sollte vor allem ermöglichen, die Bauteildauerfestigkeit auf der Grundlage der gemessenen oder durch eine Gießsimulation vorhersagten lokalen Zugfestigkeitswerte sowie Mikrogefügenstrukturen besser zu prognostizieren.
Mithilfe der Versuche sowie der Gießsimulation ist es gelungen, unterschiedliche Methoden der Lebensdauervorhersage unter Berücksichtigung der Herstellungsprozesse weiterzuentwickeln.
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.
Die Europatournee des Indischen Menaka-Balletts von 1936-38 ist der Ausgangspunkt dieser archivologischen Navigation entlang der Spuren indischer KünstlerInnen in Europa. In einer breit angelegten Archivrecherche wurden dazu Dokumente, Fundstücke, orale Erinnerungen und ethnografische Beobachtungen aus dem Kontext der Menaka-Tournee durch das nationalsozialistische Deutschland zusammengetragen.
Das Buch beschreibt den Rekonstruktionsprozess eines bedeutsamen Projekts der indischen Tanzmoderne. Es verfolgt dabei eine Methode, mit der sich die fragmentierten Dokumente des Medienereignisses als Spur lesen lassen und nutzt eine künstlerisch-forschende Involvierung in gegenwärtige Erinnerungspolitiken, in welche die verflochtenen Strukturen der künstlerischen Avantgarde zwischen Kolkata, Mumbai und Berlin hineinreichen. Die Spur des Menaka-Ballett erweist sich dabei als Teil weitreichender ideologischer, tänzerischer, musikalischer, filmischer und literarischer Strömungen, die auch in gegenwärtigen kulturellen Bestimmungen fortwirken.
Fotografien, Zeitungsberichte, Film- und Tonaufnahmen, Briefe und persönliche Erinnerungstücke erzählen davon, wie sich, vor dem Hintergrund der im antikolonialen Aufbruch befindlichen Kulturreform in Indien, und der nationsozialistisch-völkischen Kulturpolitik in Deutschland, die Tänzerinnen und Musiker der indischen Ballettgruppe und die deutsche Öffentlichkeit im gegenseitigen Spiegel betrachteten, während die Vorzeichen des kommenden Krieges immer deutlicher wurden.
Das Ziel dieser Arbeit war es, neuartige Fließmittel auf Basis von Stärke als nachwachsenden Rohstoff zu synthetisieren und die Wechselwirkung mit Portlandzement zu charakterisieren. Die Notwendigkeit, Alternativen zu synthetischen Zusatzmittel zu erforschen, ergibt sich aus der benötigten Menge zur Verarbeitung von ca. 4,1 Gt/a, wobei ca. 85 % der Zusatzmittel auf die Fließmittel entfallen.
Um Fließmittel aus Stärke zu synthetisieren, wurden drei Basisstärken unterschiedlicher Herkunft verwendet. Es wurde eine Maniokstärke mit einer niedrigen Molekularmasse und eine Weizenstärke mit einer hohen Molekularmasse verwendet. Darüber hinaus wurde eine Kartoffelstärke mit einer mittleren Molekularmasse, die ein Abfallprodukt der kartoffelverarbeitenden Industrie darstellt, genutzt. Die Stärkefließmittel wurden durch chemische Modifikation in einem zweistufigen Prozess synthetisiert. Im ersten Schritt wurde das Molekulargewicht der Weizen- und Kartoffelstärke durch säurehydrolytischen Abbau verringert. Für die kurzkettige Maniokstärke war eine Degradation der Molekularmasse nicht notwendig. Im zweiten Syntheseschritt wurden anionische Ladungen durch das Versetzen der degradierten Stärken und Maniokstärke mit Natriumvinylsulfonat in die Stärkemoleküle eingeführt.
Beurteilung der Synthesemethode zur Erzeugung von Stärkefließmitteln
In diesem Zusammenhang sollten molekulare Parameter der Stärkefließmittel gezielt eingestellt werden, um eine Fließwirkung im Portlandzement zu erhalten. Insbesondere die Molekularmasse und die Menge anionischer Ladungen sollte variiert werden, um Abhängigkeiten mit der Dispergierleistung zu identifizieren.
1. Es konnte durch GPC-Messungen gezeigt werden, dass die Molekularmasse der langkettigen Weizenstärke durch die gewählten Modifizierungsbedingungen zum säurehydrolytischen Abbau verringert werden konnte. Durch Variation der säurehydrolytischen Bedingungen wurden 4 degradierte Weizenstärken erzeugt, die eine Reduzierung der Molekularmasse um 27,5 – 43 % aufwiesen. Die Molekularmasse der Kartoffelstärke konnte durch säurehydrolytischen Abbau um ca. 26 % verringert werden.
2. Durch PCD-Messungen wurde gezeigt, dass anionische Ladungen durch Sulfoethylierung der freien Hydroxylgruppen in die degradierten Stärken eingeführt werden konnten. Durch Variation der Dauer der Sulfoethylierung konnte die Menge der anionischen Ladungen gesteuert und gezielt variiert werden, so dass Stärkefließmittel mit steigender Ladungsmenge in folgender Reihenfolge synthetisiert wurden:
W-3 < W-2 < K-1 < W¬-4 < W¬1 < M-1
Im Ergebnis der chemischen Modifizierung konnten 6 Stärkefließmittel mit variierten Molekularmassen und anionischen Ladungen erzeugt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Herkunft der Stärke für die chemische Modifizierung unerheblich ist. Die Fließmittel lagen synthesebedingt als basische, wässrige Suspensionen mit Wirkstoffgehalten im Bereich von 23,5 – 50 % vor.
Beurteilung der Dispergierleistung der synthetisierten Stärkefließmittel
Die Dispergierperformance wurde durch rheologische Experimente mit einem Rotationsviskosimeter erfasst. Dabei wurden der Einfluss auf die Fließkurven und die Viskositätskurven betrachtet. Durch Vergleich der Dispergierleistung mit einem Polykondensat- und einem PCE-Fließmittel konnte eine Einordnung und Bewertung der Fließmittel vorgenommen werden.
3. Die rheologische Experimente haben gezeigt, dass die Stärkefließmittel eine vergleichbar hohe Dispergierleistung aufweisen, wie das zum Vergleich herangezogen PCE-Fließmittel. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Fließwirkung der 6 Stärkefließmittel gegenüber dem Polykondensatfließmittel deutlich höher ist. Das aus der Literatur bekannte Einbrechen der Dispergierleistung der Polykondensat-fließmittel bei w/z-Werten < 0,4 konnte bestätigt werden.
4. Alle 6 Stärkefließmittel führten zu einer Verringerung der Fließgrenze und der dynamischen Viskosität des Zementleimes bei einem w/z-Wert von 0,35.
5. Der Vergleich der Dispergierleistung der Stärkefließmittel untereinander zeigte, dass die anionische Ladungsmenge einen Schlüsselparameter darstellt. Die Stärkefließmittel M-1, K-1, W-1 und W-4 mit anionischen Ladungsmengen > 6 C/g zeigten die höchste Dispergier¬performance. Die vergleichend herangezogenen klassischen Fließmittel wiesen anionische Ladungsmengen im Bereich von 1,2 C/g (Polycondensat) und 1,6 C/g (PCE) auf. Die Molekularmasse schien für die Dispergierleistung zunächst unerheblich zu sein. Aus diesem Grund wurde die Basisweizenstärke erneut chemisch modifiziert, indem anionische Ladungen eingeführt wurden, ohne die Molekularmasse jedoch zu verringern. Das Stärkederivat wies verdickende Eigenschaften im Zementleim auf. Daraus konnte geschlussfolgert werden, dass eine definierte Grenzmolekularmasse (150.000 Da) existiert, die unterschritten werden muss, um Fließmittel aus Stärke zu erzeugen. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass durch die chemische Modifizierung sowohl Fließmittel als auch Verdicker aus Stärke erzeugt werden können.
Beurteilung der Beeinflussung der Hydratation und der Porenlösung des Portlandzementes
Aus der Literatur ist bekannt, dass Fließmittel die Hydratation von Portlandzement maßgeblich beeinflussen können. Aus diesem Grund wurden kalorimetrische und konduktometrische Untersuchungen an Zementsuspensionen, die mit den synthetisierten Stärkefließmitteln versetzt wurden, durchgeführt. Ergänzt wurden die Untersuchungen durch Porenlösungsanalysen zu verschiedenen Zeitpunkten der Hydratation.
6. Die kalorimetrischen Untersuchungen zur Beeinflussung der Hydratation des Portlandzementes zeigten, dass die dormante Periode durch die Zugabe der Stärkefließmittel z.T. erheblich verlängert wird. Es konnte gezeigt werden, dass, je höher die anionische Ladungsmenge der Stärkefließmittel ist, desto länger dauert die dormante Periode andauert. Darüber hinaus zeigte sich, dass eine niedrige Molekularmasse der Stärkefließmittel die Verlängerung der dormanten Periode begünstigt.
7. Durch die konduktometrischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass alle Stärkefließmittel die Dauer des freien- und diffusionskontrollierten CSH-Phasenwachstums verlangsamen. Insbesondere die Ausfällung des Portlandits, welches mit dem Erstarrungsbeginn korreliert, erfolgt zu deutlich späteren Zeitpunkten. Des Weiteren korrelierten die konduktometrischen Untersuchungen mit der zeitlichen Entwicklung der Calciumkonzentration der Porenlösungen. Der Vergleich der Stärkefließmittel untereinander zeigte, dass die Molekularmasse ein Schlüsselparameter ist. Das Stärkefließmittel M-1 mit der geringsten Molekularmasse, welches geringe Mengen kurzkettiger Anhydroglucoseeinheiten aufweist, verzögert die Hydratphasenbildung am stärksten. Diese Wirkung ist vergleichbar mit der von Zuckern. Darüber hinaus deuteten die Ergebnisse daraufhin, dass die Stärkefließmittel auf den ersten Hydratationsprodukten adsorbieren, wodurch die Hydratphasenbildung verlangsamt wird.
Die kalorimetrischen und konduktometrischen Daten sowie die Ergebnisse der Porenlösungsanalytik des Zementes, erforderten eine genauere Betrachtung der Beeinflussung der Hydratation der Klinkerphasen C3A und C3S, durch die Stärkefließmittel. Demzufolge wurden die Untersuchungen mit den Klinkerphasen C3A und C3S in Analogie zum Portlandzement durchgeführt.
Beurteilung der Beeinflussung der Hydratation und der Porenlösung des C3A
Während die kalorimetrischen Untersuchungen zur C3A-Hydratation eine Tendenz zur verlangsamten Hydratphasenbildung durch die Stärkefließmittel aufzeigten, lieferten die konduktometrischen Ergebnisse grundlegende Erkenntnisse zur Beeinflussung der C3A-Hydratation. Das Stadium I der C3A-Hydratation ist durch einen Abfall der elektrischen Leitfähigkeit geprägt. Dies korreliert mit dem Absinken der Calciumionenkonzentration und dem Anstieg der Aluminiumionenkonzentration in der Porenlösung der C3A-Suspensionen. Im Anschluss an das Stadium I bildet sich ein Plateau in den elektrischen Leitfähigkeitskurven aus.
8. Es konnte gezeigt werden, dass die Stärkefließmittel das Stadium I der C3A-Hydratation, d.h. die Auflösung und Bildung erster Calciumaluminathydrate verlangsamen. Insbesondere die Stärkefließmittel mit höherer Molekularmasse erhöhten die Dauer des Stadium I. Das Stadium II wird durch die Stärkefließmittel in folgender Reihenfolge am stärksten verlängert: M-1 > W-3 > K-1 > W-2 ≥ W-4 und verdeutlicht, dass keine Abhängigkeit von der anionischen Ladungsmenge identifiziert werden konnte. Die Ergebnisse zeigten, dass speziell die kurzkettige Stärke M-1, das Stadium II länger aufrechterhalten.
9. Das Stadium III und IV der C3A-Hydratation wird insbesondere durch die Stärkefließmittel mit höherer Molekularmasse verlängert.
Die Ergebnisse der Porenlösungsanalytik korrelieren mit den Ergebnissen der elektrischen Leitfähigkeit. Speziell die zeitlichen Verläufe der Calciumionenkonzentration bildeten die Verläufe der Konduktivitätskurven der C3A-Hydratation mit großer Übereinstimmung ab.
Beurteilung der Beeinflussung der Hydratation und der Porenlösung des C3S
Die Ergebnisse der kalorimetrischen Untersuchungen zur Beeinflussung der C3S-Hydratation durch die Stärkefließmittel zeigen, dass diese maßgeblich verlangsamt wird. Das Maximum des Haupthydratationspeaks wird zu späteren Zeiten verschoben und auch die Höhe des Maximums wird deutlich verringert. Durch die konduktometrischen Experimente wurde aufgeklärt, welche Stadien der C3S-Hydrataion beeinflusst wurden.
10. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Menge der eingebrachten anionischen Ladungen als auch das Vorhandensein sehr kleiner Stärkefließmittelmoleküle (Zucker), Schlüsselparameter der verzögerten Hydratationskinetik des C3S sind. Der grundlegende Mechanismus der Hydratationsverzögerung beruht auf einer Kombination aus verminderter CSH-Keimbildung und Adsorptionsprozessen auf den ersten gebildeten CSH-Phasen der C3S-Partikel.
Beurteilung des Adsorptionsverhaltens am Zement, C3A und C3S
Die Bestimmung des Adsorptionsverhaltens der Stärkefließmittel erfolgte mit der Phenol-Schwefelsäure-Methode an Zement,- C3A- und C3S-Suspensionen. Durch den Vergleich der Adsorptionsraten und Adsorptionsmengen in Abhängigkeit von den molekularen Parametern der Stärkefließmittel wurde ein Wechselwirkungsmodell identifiziert.
11. Die Ursache für die hohe Dispergierleistung der Stärkefließmittel liegt in Adsorptionsprozessen an den ersten gebildeten Hydratphasen des Zementes begründet. Die Molekularmasse der Stärkefließmittel ist ein Schlüsselparameter der entscheidend für den Mechanismus der Adsorption ist. Während anionische, langkettige Stärken an mehreren Zementpartikeln gleichzeitig adsorbieren und für eine Vernetzung der Zementpartikel untereinander sorgen (Verdickerwirkung), adsorbieren kurzkettige anionische Stärken lediglich an den ersten gebildeten Hydratphasen der einzelnen Zementpartikel und führen zu elektrostatischer Abstoßung (Fließmittelwirkung).
12. Es konnte gezeigt werden, dass die Stärkefließmittel mit geringerem Molekulargewicht bei höheren Konzentrationen an den Hydratphasen des Zementes adsorbieren. Die Stärkefließmittel mit höherer Molekularmasse erreichen bei einer Zugabemenge von 0,7 % ein Plateau. Daraus wird geschlussfolgert, dass die größeren Fließmittelmoleküle einen erhöhten Platzbedarf erfordern und zur Absättigung der hydratisierenden Oberflächen bei geringeren Zugabemengen führen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Stärkefließmittel mit höherer anionischer Ladungsmenge zu höheren Adsorptionsmengen auf den Zement-, C3A- und C3S-Partikeln führen.
13. Die Adsorptionsprozesse finden an den ersten gebildeten Hydratphasen der C3A-Partikel statt, wodurch sowohl die Auflösung des C3A als auch die Bildung der Calciumhydroaluminate verlangsamt wird. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Verlangsamung des freien- und diffusionskontrollierten Hydratphasenwachstums des C3S, durch die Adsorption der Stärkefließmittel auf den ersten gebildeten CSH-Phasen hervorgerufen wird. Des Weiteren wurde festgestellt, dass sehr kleine zuckerähnliche Moleküle in der kurzkettigen Maniokstärke in der Lage sind, die Bildung der ersten CSH-Keime zu unterdrücken. Dadurch kann die langanhaltende Plateauphase der elektrischen Leitfähigkeit der C3S-Hydratation erklärt werden.
Beurteilung der Porenstruktur- und Festigkeitsausbildung
Die Beurteilung der Qualität der Mikrostruktur erfolgte durch die Bestimmung der Rohdichte und der Porenradienverteilung mit Hilfe der Quecksilberhochdruckporosimetrie. Durch das Versetzen der Zementleime mit den Stärkefließmitteln konnten bei gleichbleibender Verarbeitbarkeit Zementsteinprobekörper mit einem um 17,5 % geringeren w/z-Wert von 0,35 hergestellt werden. Die Absenkung des w/z-Wertes führt zu einem Anstieg der Rohdichte des Zementsteins.
14. Durch die Zugabe der Stärkefließmittel und den verringerten w/z-Wert wird die Porenstruktur der Zementsteinproben im Vergleich zum Referenzzementstein verfeinert, da die Gesamtporosität sinkt. Insbesondere der Kapillarporenanteil wird verringert und der Gelporenanteil erhöht. Im Unterschied zu den PCE-Fließmitteln führt die Zugabe der Stärkefließmittel zu keinem erhöhten Eintrag von Luftporen. Dies wiederum hat zur Folge, dass bei der Verwendung der Stärkefließmittel auf Entschäumer verzichtet werden kann.
15. Entsprechend der dichteren Zementsteinmatrix wurden für die Zementsteine mit den Stärkefließmitteln nach 7 d und 28 d, erhöhte Biegezug- und Druckfestigkeiten ermittelt. Insbesondere die 28 d Druckfestigkeit wurde durch den verringerten w/z-Wert um die Faktoren 3,5 - 6,6 erhöht.
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 controlling the Gibbs phenomenon is recommended.
At the end, some numerical results are provided to confirm efficiency of numerical solvers enhanced by the regularization concept. In this part, shock-like responses due to local and abrupt changing of physical properties, and also stress wave propagation in stochastic-like domains are studied.
Diese Dissertation untersucht Handlungsressourcen von zivilgesellschaftlichen Akteuren in Planungsprozessen um innerstädtische Planungsverfahren. Den theoretischen Rahmen bilden die Kapitalarten von Pierre Bourdieu, die zusammen mit dem Matrixraum von Dieter Läpple zu einem neuen Feldbegriff des ‚Raumfeldes‘ zusammengeführt und operationalisiert wurden. Es handelt sich um eine qualitative Arbeit, die zwischen Stadtsoziologie und Urbanistik zu verorten ist. Als Fallbeispiele wurde die Erweiterung des Berliner Mauerparks sowie das Baugebiet „So! Berlin“ in Berlin gewählt.
El paisaje de la Cuenca Lechera Central Argentina: la huella de la producción sobre el territorio
(2022)
In recent times, the study of landscape heritage acquires value by virtue of becoming an alternative to rethink regional development, especially from the point of view of territorial planning. In this sense, the Central Argentine Dairy Basin (CADB) is presented as a space where the traces of different human projects have accumulated over centuries of occupation, which can be read as heritage. The impact of dairy farming and other productive activities has shaped the configuration of its landscape. The main hypothesis assumed that a cultural landscape would have been formed in the CADB, whose configuration would have depended to a great extent on the history of productive activities and their deployment over the territory, and this same history would hide the keys to its alternative.
The thesis approached the object of study from descriptive and cartographic methods that placed the narration of the history of territory and the resources of the landscape as a discursive axis. A series of intentional readings of the territory and its constituent parts pondered the layers of data that have accumulated on it in the form of landscape traces, with the help of an approach from complementary dimensions (natural, sociocultural, productive, planning). Furthermore, the intersection of historical sources was used in order to allow the construction of the territorial story and the detection of the origin of the landscape components. A meticulous cartographic work also helped to spatialise the set of phenomena and elements studied, and was reflected in a multiscalar scanning.
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.
Analysis of Functionally Graded Porous Materials Using Deep Energy Method and Analytical Solution
(2022)
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.
The Finite Element Method (FEM) is widely used in engineering for solving Partial Differential Equations (PDEs) over complex geometries. To this end, it is required to provide the FEM software with a geometric model that is typically constructed in a Computer-Aided Design (CAD) software. However, FEM and CAD use different approaches for the mathematical description of the geometry. Thus, it is required to generate a mesh, which is suitable for FEM, based on the CAD model. Nonetheless, this procedure is not a trivial task and it can be time consuming. This issue becomes more significant for solving shape and topology optimization problems, which consist in evolving the geometry iteratively. Therefore, the computational cost associated to the mesh generation process is increased exponentially for this type of applications.
The main goal of this work is to investigate the integration of CAD and CAE in shape and topology optimization. To this end, numerical tools that close the gap between design and analysis are presented. The specific objectives of this work are listed below:
• Automatize the sensitivity analysis in an isogeometric framework for applications in shape optimization. Applications for linear elasticity are considered.
• A methodology is developed for providing a direct link between the CAD model and the analysis mesh. In consequence, the sensitivity analysis can be performed in terms of the design variables located in the design model.
• The last objective is to develop an isogeometric method for shape and topological optimization. This method should take advantage of using Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) with higher continuity as basis functions.
Isogeometric Analysis (IGA) is a framework designed to integrate the design and analysis in engineering problems. The fundamental idea of IGA is to use the same basis functions for modeling the geometry, usually NURBS, for the approximation of the solution fields. The advantage of integrating design and analysis is two-fold. First, the analysis stage is more accurate since the system of PDEs is not solved using an approximated geometry, but the exact CAD model. Moreover, providing a direct link between the design and analysis discretizations makes possible the implementation of efficient sensitivity analysis methods. Second, the computational time is significantly reduced because the mesh generation process can be avoided.
Sensitivity analysis is essential for solving optimization problems when gradient-based optimization algorithms are employed. Automatic differentiation can compute exact gradients, automatically by tracking the algebraic operations performed on the design variables. For the automation of the sensitivity analysis, an isogeometric framework is used. Here, the analysis mesh is obtained after carrying out successive refinements, while retaining the coarse geometry for the domain design. An automatic differentiation (AD) toolbox is used to perform the sensitivity analysis. The AD toolbox takes the code for computing the objective and constraint functions as input. Then, using a source code transformation approach, it outputs a code for computing the objective and constraint functions, and their sensitivities as well. The sensitivities obtained from the sensitivity propagation method are compared with analytical sensitivities, which are computed using a full isogeometric approach.
The computational efficiency of AD is comparable to that of analytical sensitivities. However, the memory requirements are larger for AD. Therefore, AD is preferable if the memory requirements are satisfied. Automatic sensitivity analysis demonstrates its practicality since it simplifies the work of engineers and designers.
Complex geometries with sharp edges and/or holes cannot easily be described with NURBS. One solution is the use of unstructured meshes. Simplex-elements (triangles and tetrahedra for two and three dimensions respectively) are particularly useful since they can automatically parameterize a wide variety of domains. In this regard, unstructured Bézier elements, commonly used in CAD, can be employed for the exact modelling of CAD boundary representations. In two dimensions, the domain enclosed by NURBS curves is parameterized with Bézier triangles. To describe exactly the boundary of a two-dimensional CAD model, the continuity of a NURBS boundary representation is reduced to C^0. Then, the control points are used to generate a triangulation such that the boundary of the domain is identical to the initial CAD boundary representation. Thus, a direct link between the design and analysis discretizations is provided and the sensitivities can be propagated to the design domain.
In three dimensions, the initial CAD boundary representation is given as a collection of NURBS surfaces that enclose a volume. Using a mesh generator (Gmsh), a tetrahedral mesh is obtained. The original surface is reconstructed by modifying the location of the control points of the tetrahedral mesh using Bézier tetrahedral elements and a point inversion algorithm. This method offers the possibility of computing the sensitivity analysis using the analysis mesh. Then, the sensitivities can be propagated into the design discretization. To reuse the mesh originally generated, a moving Bézier tetrahedral mesh approach was implemented.
A gradient-based optimization algorithm is employed together with a sensitivity propagation procedure for the shape optimization cases. The proposed shape optimization approaches are used to solve some standard benchmark problems in structural mechanics. The results obtained show that the proposed approach can compute accurate gradients and evolve the geometry towards optimal solutions. In three dimensions, the moving mesh approach results in faster convergence in terms of computational time and avoids remeshing at each optimization step.
For considering topological changes in a CAD-based framework, an isogeometric phase-field based shape and topology optimization is developed. In this case, the diffuse interface of a phase-field variable over a design domain implicitly describes the boundaries of the geometry. The design variables are the local values of the phase-field variable. The descent direction to minimize the objective function is found by using the sensitivities of the objective function with respect to the design variables. The evolution of the phase-field is determined by solving the time dependent Allen-Cahn equation.
Especially for topology optimization problems that require C^1 continuity, such as for flexoelectric structures, the isogeometric phase field method is of great advantage. NURBS can achieve the desired continuity more efficiently than the traditional employed functions. The robustness of the method is demonstrated when applied to different geometries, boundary conditions, and material configurations. The applications illustrate that compared to piezoelectricity, the electrical performance of flexoelectric microbeams is larger under bending. In contrast, the electrical power for a structure under compression becomes larger with piezoelectricity.
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.