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Diese erste umfassende Monographie über den Architekten, Professor und Museumsmann Manfred Lehmbruck (Paris 1913 – Stuttgart 1992) konzentriert sich neben dem Lebensweg und den theoretischen Arbeiten Lehmbrucks zum Museumsbau auf die drei realisierten Museumsbauten: das Reuchlinhaus Pforzheim, das Wilhelm-Lehmbruck-Museum Duisburg und das Federseemuseum Bad Buchau. Aber auch die drei anderen bedeutenden Gebäudeensembles, die Pausa AG Mössingen, die Berufsschule und das Stadtbad Stuttgart-Feuerbach und der Solitär der Mittelschule in Mössingen, alle fertiggestellt in den Sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts, werden ausführlich besprochen. Das umfassende Werkverzeichnis im Anhang zeigt deutlich den Einfluß, den seine Lehrer, allen voran Ludwig Mies van der Rohe, aber auch Heinrich Tessenow, Paul Bonatz und Auguste Perret, auf die Architektursprache Lehmbrucks gehabt haben.
The task-based view of web search implies that retrieval should take the user perspective into account. Going beyond merely retrieving the most relevant result set for the current query, the retrieval system should aim to surface results that are actually useful to the task that motivated the query.
This dissertation explores how retrieval systems can better understand and support their users’ tasks from three main angles: First, we study and quantify search engine user behavior during complex writing tasks, and how task success and behavior are associated in such settings. Second, we investigate search engine queries formulated as questions, and explore patterns in a large query log that may help search engines to better support this increasingly prevalent interaction pattern. Third, we propose a novel approach to reranking the search result lists produced by web search engines, taking into account retrieval axioms that formally specify properties of a good ranking.
Die Dissertation untersucht Ideen von Virtualität im Hinblick auf mobile Medientechnologien. Es verbinden sich eine medienphilosophische und eine technikhistorische Perspektive: Das Virtuelle wird philosophiehistorisch ergründet und damit verbunden die Emergenz von mobilen Medientechnologien wie dem Mobiltelefon rekonstruiert. Zentral ist dabei die Frage, wie sich Weltverständnisse durch mobile Telekommunikation wandeln und wie das Virtuelle bislang im Kontext von Realitätsvorstellungen gedacht wurde.
Nanostructured materials are extensively applied in many fields of material science for new industrial applications, particularly in the automotive, aerospace industry due to their exceptional physical and mechanical properties. Experimental testing of nanomaterials is expensive, timeconsuming,challenging and sometimes unfeasible. Therefore,computational simulations have been employed as alternative method to predict macroscopic material properties. The behavior of polymeric nanocomposites (PNCs) are highly complex.
The origins of macroscopic material properties reside in the properties and interactions taking place on finer scales. It is therefore essential to use multiscale modeling strategy to properly account for all large length and time scales associated with these material systems, which across many orders of magnitude. Numerous multiscale models of PNCs have been established, however, most of them connect only two scales. There are a few multiscale models for PNCs bridging four length scales (nano-, micro-, meso- and macro-scales). In addition, nanomaterials are stochastic in nature and the prediction of macroscopic mechanical properties are influenced by many factors such as fine-scale features. The predicted mechanical properties obtained by traditional approaches significantly deviate from the measured values in experiments due to neglecting uncertainty of material features. This discrepancy is indicated that the effective macroscopic properties of materials are highly sensitive to various sources of uncertainty, such as loading and boundary conditions and material characteristics, etc., while very few stochastic multiscale models for PNCs have been developed. Therefore, it is essential to construct PNC models within the framework of stochastic modeling and quantify the stochastic effect of the input parameters on the macroscopic mechanical properties of those materials.
This study aims to develop computational models at four length scales (nano-, micro-, meso- and macro-scales) and hierarchical upscaling approaches bridging length scales from nano- to macro-scales. A framework for uncertainty quantification (UQ) applied to predict the mechanical properties
of the PNCs in dependence of material features at different scales is studied. Sensitivity and uncertainty analysis are of great helps in quantifying the effect of input parameters, considering both main and interaction effects, on the mechanical properties of the PNCs. To achieve this major
goal, the following tasks are carried out:
At nano-scale, molecular dynamics (MD) were used to investigate deformation mechanism of glassy amorphous polyethylene (PE) in dependence of temperature and strain rate. Steered molecular dynamics (SMD)were also employed to investigate interfacial characteristic of the PNCs.
At mico-scale, we developed an atomistic-based continuum model represented by a representative volume element (RVE) in which the SWNT’s properties and the SWNT/polymer interphase are modeled at nano-scale, the surrounding polymer matrix is modeled by solid elements. Then, a two-parameter model was employed at meso-scale. A hierarchical multiscale approach has been developed to obtain the structure-property relations at one length scale and transfer the effect to the higher length
scales. In particular, we homogenized the RVE into an equivalent fiber.
The equivalent fiber was then employed in a micromechanical analysis (i.e. Mori-Tanaka model) to predict the effective macroscopic properties of the PNC. Furthermore, an averaging homogenization process was also used to obtain the effective stiffness of the PCN at meso-scale.
Stochastic modeling and uncertainty quantification consist of the following ingredients:
- Simple random sampling, Latin hypercube sampling, Sobol’ quasirandom sequences, Iman and Conover’s method (inducing correlation in Latin hypercube sampling) are employed to generate independent and dependent sample data, respectively.
- Surrogate models, such as polynomial regression, moving least squares (MLS), hybrid method combining polynomial regression and MLS, Kriging regression, and penalized spline regression, are employed as an approximation of a mechanical model. The advantage of the surrogate models is the high computational efficiency and robust as they can be constructed from a limited amount of available data.
- Global sensitivity analysis (SA) methods, such as variance-based methods for models with independent and dependent input parameters, Fourier-based techniques for performing variance-based methods and partial derivatives, elementary effects in the context of local SA, are used to quantify the effects of input parameters and their interactions on the mechanical properties of the PNCs. A bootstrap technique is used to assess the robustness of the global SA methods with respect to their performance.
In addition, the probability distribution of mechanical properties are determined by using the probability plot method. The upper and lower bounds of the predicted Young’s modulus according to 95 % prediction intervals were provided.
The above-mentioned methods study on the behaviour of intact materials. Novel numerical methods such as a node-based smoothed extended finite element method (NS-XFEM) and an edge-based smoothed phantom node method (ES-Phantom node) were developed for fracture problems. These methods can be used to account for crack at macro-scale for future works. The predicted mechanical properties were validated and verified. They show good agreement with previous experimental and simulations results.
This dissertation is devoted to the theoretical development and experimental laboratory verification of a new damage localization method: The state projection estimation error (SP2E). This method is based on the subspace identification of mechanical structures, Krein space based H-infinity estimation and oblique projections. To explain method SP2E, several theories are discussed and laboratory experiments have been conducted and analysed.
A fundamental approach of structural dynamics is outlined first by explaining mechanical systems based on first principles. Following that, a fundamentally different approach, subspace identification, is comprehensively explained. While both theories, first principle and subspace identification based mechanical systems, may be seen as widespread methods, barely known and new techniques follow up. Therefore, the indefinite quadratic estimation theory is explained. Based on a Popov function approach, this leads to the Krein space based H-infinity theory. Subsequently, a new method for damage identification, namely SP2E, is proposed. Here, the introduction of a difference process, the analysis by its average process power and the application of oblique projections is discussed in depth.
Finally, the new method is verified in laboratory experiments. Therefore, the identification of a laboratory structure at Leipzig University of Applied Sciences is elaborated. Then structural alterations are experimentally applied, which were localized by SP2E afterwards. In the end four experimental sensitivity studies are shown and discussed. For each measurement series the structural alteration was increased, which was successfully tracked by SP2E. The experimental results are plausible and in accordance with the developed theories. By repeating these experiments, the applicability of SP2E for damage localization is experimentally proven.
Einfluss der Porosität von Beton auf den Ablauf einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion
(2016)
Der Dissertation liegt die Frage zugrunde, welchen Einfluss die Porosität von Beton auf den Ablauf einer schädigenden AKR hat. Insbesondere soll geklärt werden, ob der Einsatz von Gleitschalungsfertigern – anstelle von klassischen schienengeführten Betondeckenfertigern – und die damit verbundene verringerte Porosität der Betone den Ablauf einer schädigenden AKR begünstigt. Eine verringerte Porosität führt zu einer reduzierten Duktilität des Betons, so dass infolge AKR entstehende Zugspannungen schlechter abgebaut werden können. Weiterhin steht ein geringerer Expansionsraum für das entstehende AKR-Gel zur Verfügung. Diese Faktoren können den Ablauf einer AKR begünstigen. Allerdings können extern anstehende Alkalien schlechter in den Beton mit einer verringerten Porosität eindringen. Ferner wird die Diffusion der Alkalien zu den potenziell reaktiven Gesteinskörnungen verlangsamt.
Zur Beantwortung der aufgeworfenen Frage wird unter Einsatz einer neuartigen Prüfmethodologie und bei variierender Porosität untersucht, welche Schädigungsparameter maßgebend für den Ablauf und die Intensität einer schädigenden AKR sind. Die berücksichtigten Schädigungsparameter sind die mechanischen Eigenschaften des Betons, der zur Verfügung stehende Expansionsraum und die im Beton ablaufenden Transportvorgänge. Um den Einfluss der jeweiligen Schädigungsparameter spezifizieren zu können, gehen die Prüfungen einerseits von einem hohen internen und andererseits von einem hohen externen AKR-Schädigungspotenzial aus. In beiden Fällen erfolgen die Untersuchungen an langsam reagierenden alkaliempfindlichen Gesteinskörnungen. Die unterschiedlichen Porositäten ergeben sich hauptsächlich durch Variation des w/z-Wertes.
Bei dem hohen internen AKR-Schädigungspotenzial stehen die mechanischen Eigenschaften und der Expansionsraum im Vordergrund; außerdem ist der Einfluss der Zugabe eines LP-Bildners zu analysieren. Um ein hohes internes AKR-Schädigungspotenzial zu erreichen, kommt bei der Herstellung der Betonprobekörper ein Zement mit einem hohen Alkaligehalt zum Einsatz. Die Betonprobekörper werden der 40 °C-Nebelkammerlagerung und dem 60 °C-Betonversuch über Wasser unterzogen. Dabei findet eine neue Prüfmethodologie Anwendung, die der kontinuierlichen Messung der Dehnung und der ablaufenden Erhärtungs- und Rissbildungsprozesse dient. Diese Prüfmethodologie umfasst die Messung der Ultraschallgeschwindigkeit, die Schallemissionsanalyse und die µ-3D-Computertomografie.
Hingegen richtet sich der Fokus bei dem hohen externen AKR-Schädigungspotenzial auf die Transportvorgänge. Zur Provokation eines hohen externen AKR-Schädigungspotenzials werden die Probekörper der FIB-Klimawechsellagerung ausgesetzt.
Kein anderes Material hat im 19. Jahrhundert das Design und die Architektur beeinflußt, wie die Kunststoffe. Das Feld der Realisationen und der Projekte des gesamten Kunststoffbaus ist dabei aufgrund der unterschiedlichen Kunststoffarten und somit Ausführungen sehr weitläufig. Daher begrenzt sich diese Untersuchung auf die glasfaserverstärkten Kunststoffe (GFK). Die Glasfasern übertragen die auftretenden Kräfte und werden durch das sie umschließende Harz gebunden. Die GFK sind daher bestens für tragende Bauteile geeignet. Die glasfaserverstärkten Kunststoffe durchliefen in den 1940er bis 1970er Jahren eine für einen Baustoff kurze aber sehr ergiebige Pionierphase. Die umfassende Analyse der drei zu unterscheidenden Perioden setzt sich aus der Untersuchung der wirtschaftlichen, politischen, gesellschaftlichen und kulturellen Beeinflussungen zusammen. Circa 260 unterschiedliche Projekte wurden weltweit aus selbsttragenden / tragenden GFK-Bauteilen realisiert. Diese sind ausführlich innerhalb des Kataloges im Anhang aufgelistet. GFK-Bauten waren nicht allein aufgrund des neuen Materials modern, sondern auch aufgrund ihrer freien Formbarkeit, transluzenten Flächen und auffälligen Farben und den flexiblen Nutzungskonzepten entsprechend einer modernen demokratischen Gesellschaft, die aufgeschlossen und optimistisch der Zukunft gegenübersteht. Die Realisationen, die zum Teil bis heute noch genutzt werden, beweisen den hohen Wissensstand der Pioniere. Die von den Pionieren gesuchte GFK-Architektur war eine sehr vielfältige, die sich nicht auf wenige Formenmerkmale zusammenfassen läßt. Das neue Material ermöglichte es den Architekten, ihre Vorstellungen und Träume von Formen, Gehäusen und Bauten zu realisieren. Die Analyse der Vorgänger und der Inspirationsquellen diese Formenvielfalt sind Grundlage einer objektiven Beurteilung dieser Bauten. Architekten und Bauingenieure suchten ideale Einsatzgebiete und Konstruktionsvarianten für den bis dahin assoziationsfreien Baustoff. Die Nutzungskonzepte: Wohnhaus, Zweithaus, Ausstellung, Spielgerät und die Entwicklung von Gebäudeteilen: Gebäudehülle, Überdachung, Fassade werden im Gesamtzusammenhang und nach der optimalen Verwendbarkeit untersucht. Das Wissen über den Verlauf der Pionierphase der GFK, die damals formulierten Gründe für und wider deren Einsatz und der entwickelten Konstruktionen, Verbindungstechniken und Tragwerke kann einem erneuten Einsatz des Baumateriales nur dienlich sein. Anliegen dieser Dissertation ist es, die GFK als einsatzfähige Werkstoffe innerhalb der Architekturlandschaft wieder einen Platz zu geben. Diese Analyse soll verschüttetes Wissen aufdecken, die in den 1970er Jahren entstandenen Vorurteile sichtbar machen und die glasfaserverstärkten Kunststoffe als das darstellen, was sie sind, leistungsfähige Baustoffe für gekrümmte und gefaltete Konstruktionen.
Tropical coral reefs, one of the world’s oldest ecosystems which support some of the highest levels of biodiversity on the planet, are currently facing an unprecedented ecological crisis during this massive human-activity-induced period of extinction. Hence, tropical reefs symbolically stand for the destructive effects of human activities on nature [4], [5]. Artificial reefs are excellent examples of how architectural design can be combined with ecosystem regeneration [6], [7], [8]. However, to work at the interface between the artificial and the complex and temporal nature of natural systems presents a challenge, i.a. in respect to the B-rep modelling legacy of computational modelling.
The presented doctorate investigates strategies on how to apply digital practice to realise what is an essential bulwark to retain reefs in impossibly challenging times. Beyond the main question of integrating computational modelling and high precision monitoring strategies in artificial coral reef design, this doctorate explores techniques, methods, and linking frameworks to support future research and practice in ecology led design contexts.
Considering the many existing approaches for artificial coral reefs design, one finds they often fall short in precisely understanding the relationships between architectural and ecological aspects (e.g. how a surface design and material composition can foster coral larvae settlement, or structural three-dimensionality enhance biodiversity) and lack an integrated underwater (UW) monitoring process. Such a process is necessary in order to gather knowledge about the ecosystem and make it available for design, and to learn whether artificial structures contribute to reef regeneration or rather harm the coral reef ecosystem.
For the research, empirical experimental methods were applied: Algorithmic coral reef design, high precision UW monitoring, computational modelling and simulation, and validated through parallel real-world physical experimentation – two Artificial Reef Prototypes (ARPs) in Gili Trawangan, Indonesia (2012–today). Multiple discrete methods and sub techniques were developed in seventeen computational experiments and applied in a way in which many are cross valid and integrated in an overall framework that is offered as a significant contribution to the field. Other main contributions include the Ecosystem-aware design approach, Key Performance Indicators (KPIs) for coral reef design, algorithmic design and fabrication of Biorock cathodes, new high precision UW monitoring strategies, long-term real-world constructed experiments, new digital analysis methods and two new front-end web-based tools for reef design and monitoring reefs. The methodological framework is a finding of the research that has many technical components that were tested and combined in this way for the very first time.
In summary, the thesis responds to the urgency and relevance in preserving marine species in tropical reefs during this massive extinction period by offering a differentiated approach towards artificial coral reefs – demonstrating the feasibility of digitally designing such ‘living architecture’ according to multiple context and performance parameters. It also provides an in-depth critical discussion of computational design and architecture in the context of ecosystem regeneration and Planetary Thinking. In that respect, the thesis functions as both theoretical and practical background for computational design, ecology and marine conservation – not only to foster the design of artificial coral reefs technically but also to provide essential criteria and techniques for conceiving them.
Keywords: Artificial coral reefs, computational modelling, high precision underwater monitoring, ecology in design.
Carl Heinrich Ferdinand Streichhan prägte zwischen 1848 und 1884 als Oberbaudirektor maßgeblich das Baugeschehen im Großherzogtum Sachsen-Weimar-Eisenach. Beauftragt mit für die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts typischen staatlichen Bauaufgaben, hinterließ er als Architekt ein zwar nicht sehr umfängliches, jedoch facettenreiches und zumindest regional bedeutendes Werk. Geprägt wurde seine Baugesinnung durch die dem Schinkel´schen Vorbild und einem spezifischen, selektiven Historismus verpflichtete, sogenannte Berliner Schule, der Streichhan zeit seines Berufslebens eng verbunden blieb. Neben einer Würdigung des Oeuvres fokussiert die Arbeit auf das weitgefächerte Aufgabenspektrum eines leitend im Staatsdienst tätigen „Bautechnikers“, das – wie zeitgenössisch üblich – sowohl konstruktiv planende als auch vielfältige administrative Tätigkeiten, ingenieurtechnische Leistungen ebenso wie baukünstlerische umfasste. Streichhans Bildungsweg, Laufbahn und berufliches Selbstverständnis sind für den Baubeamten des (mittleren) 19. Jahrhunderts ebenso typisch wie schließlich, infolge beschleunigter Wandlungsprozesse ab 1871, nicht mehr zeitgemäß: Im Kontext tiefgreifender Umwälzungen veränderten sich auch die Handlungsfelder der Architekten und die Bedingungen architektonischen Schaffens, wie Streichhans Wirken paradigmatisch belegt.
Im Rahmen der Dissertation ist ein analytisches Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Kapazität in lichtsignalgeregelten Zufahrten mit zusätzlichen Aufstellstreifen bei gleichzeitiger Freigabezeit entwickelt worden, dass sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet:
a) einfaches Berechnungsverfahren – Ansatz eines einfachen linearen Berechnungsansatzes, der auf den Grundzusammenhängen des Verkehrsablaufs in lichtsignalgeregelten Zufahrten aufbaut,
b) breites Anwendungsgebiet – Berechnungsverfahren kann in Zufahrten mit bis zu zwei zusätzlichen Aufstellstreifen angewendet werden,
c) hohe Genauigkeit – Im Rahmen eines direkten Vergleichs konnte u. a.
gezeigt werden, dass mit dem hergeleiteten analytischen Berechnungsverfahren genauere Kapazitätswerte ermittelt werden können, als mit dem Berechnungsverfahren nach HBS 2015.
In der Welt der Objekte zählt der Schlüssel zu den wichtigsten und ältesten Gebrauchs-gegenständen der Menschheit. Das Leben und die Werte der zivilisierten Kulturen werden durch dieses Objekt mitbestimmt. In dieser Arbeit wird der Wandel eines allgemeingültigen Produkts der heutigen Dingwelt in den Fokus gestellt.
Zunehmend werden die Objekte der Dingwelt dematerialisiert. Die Beziehung der Nutzer zu den Objekten verliert an Wirkungskraft. Das zentrale Objekt der Beobachtungen und der Forschung ist der Schlüssel als ein Artefakt der realen Dingwelt - im Wandel der Zeit, in Bezug auf die Notwendigkeiten der Nutzer und den ausschlaggebenden Technologien.
Auf der Grundlage von strukturierten Daten sollen Maßnahmen für eine nutzerorientierte Produktgestaltung aufgezeigt werden. Oftmals fehlt das entsprechende Verständnis für den Nutzer und dessen Anforderungen, um diese als Teil des Produktentstehungsprozess ein-beziehen zu können.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Analyse der Nutzer-Generationen im Kontext der Technologien mit Hinblick auf die Erarbeitung einer konzeptionellen Entwurfsbasis. Mit der vorliegenden Forschungsarbeit wird aufgezeigt, wie mit dem Verständnis der historischen Untersuchungen, den Erkenntnissen der durchgeführten Studien und einem praxisorientierten Entstehungs-prozess künftige Ideen und Ansätze, eine fortwährende und fundierte Grundlage der nutzerorientierten Gestaltung generiert werden kann. Die Arbeit verfolgt das Ziel, die Gestaltung der Produkte förderlich zu betrachten und einsetzen zu können.
In der Welt der Objekte zählt der Schlüssel zu den wichtigsten und ältesten Gebrauchs-gegenständen der Menschheit. Das Leben und die Werte der zivilisierten Kulturen werden durch dieses Objekt mitbestimmt. In dieser Arbeit wird der Wandel eines allgemeingültigen Produkts der heutigen Dingwelt in den Fokus gestellt.
Zunehmend werden die Objekte der Dingwelt dematerialisiert. Die Beziehung der Nutzer zu den Objekten verliert an Wirkungskraft. Das zentrale Objekt der Beobachtungen und der Forschung ist der Schlüssel als ein Artefakt der realen Dingwelt - im Wandel der Zeit, in Bezug auf die Notwendigkeiten der Nutzer und den ausschlaggebenden Technologien.
Auf der Grundlage von strukturierten Daten sollen Maßnahmen für eine nutzerorientierte Produktgestaltung aufgezeigt werden. Oftmals fehlt das entsprechende Verständnis für den Nutzer und dessen Anforderungen, um diese als Teil des Produktentstehungsprozess ein-beziehen zu können.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Analyse der Nutzer-Generationen im Kontext der Technologien mit Hinblick auf die Erarbeitung einer konzeptionellen Entwurfsbasis. Mit der vorliegenden Forschungsarbeit wird aufgezeigt, wie mit dem Verständnis der historischen Untersuchungen, den Erkenntnissen der durchgeführten Studien und einem praxisorientierten Entstehungs-prozess künftige Ideen und Ansätze, eine fortwährende und fundierte Grundlage der nutzerorientierten Gestaltung generiert werden kann. Die Arbeit verfolgt das Ziel, die Gestaltung der Produkte förderlich zu betrachten und einsetzen zu können.
The present thesis studies the effects of rice husk ash (RHA) as a pozzolanic admixture and the combination of RHA and ground granulated blast-furnace slag (GGBS) on properties of ultra-high performance concrete (UHPC). The ultimate purpose of this study is to replace completely silica fume (SF) and partially Portland cement by RHA and GGBS to achieve sustainable UHPC. To reach this aim, characteristics of RHA in dependence of grinding period, especially its pozzolanic reactivity in saturated Ca(OH)2 solution and in a cementitious system at a very low water binder ration (w/b) were assessed. The influences of RHA on compatibility between superplasticizer and binder, workability, compressive strength, shrinkage, internal relative humidity, microstructure and durability of UHPC were also evaluated. Furthermore, synergic effects of RHA and GGBS on the properties of UHPC were investigated to produce more sustainable UHPC. Finally, various heat treatments were applied to study the properties of UHPC under these conditions. All the characteristics of these UHPCs containing RHA were compared to those of mixtures containing SF.
Isogeometric analysis (IGA) is a numerical method for solving partial differential equations (PDEs), which was introduced with the aim of integrating finite element analysis with computer-aided design systems. The main idea of the method is to use the same spline basis functions which describe the geometry in CAD systems for the approximation of solution fields in the finite element method (FEM). Originally, NURBS which is a standard technology employed in CAD systems was adopted as basis functions in IGA but there were several variants of IGA using other technologies such as T-splines, PHT splines, and subdivision surfaces as basis functions. In general, IGA offers two key advantages over classical FEM: (i) by describing the CAD geometry exactly using smooth, high-order spline functions, the mesh generation process is simplified and the interoperability between CAD and FEM is improved, (ii) IGA can be viewed as a high-order finite element method which offers basis functions with high inter-element continuity and therefore can provide a primal variational formulation of high-order PDEs in a straightforward fashion. The main goal of this thesis is to further advance isogeometric analysis by exploiting these major advantages, namely precise geometric modeling and the use of smooth high-order splines as basis functions, and develop robust computational methods for problems with complex geometry and/or complex multi-physics.
As the first contribution of this thesis, we leverage the precise geometric modeling of isogeometric analysis and propose a new method for its coupling with meshfree discretizations. We exploit the strengths of both methods by using IGA to provide a smooth, geometrically-exact surface discretization of the problem domain boundary, while the Reproducing Kernel Particle Method (RKPM) discretization is used to provide the volumetric discretization of the domain interior. The coupling strategy is based upon the higher-order consistency or reproducing conditions that are directly imposed in the physical domain. The resulting coupled method enjoys several favorable features: (i) it preserves the geometric exactness of IGA, (ii) it circumvents the need for global volumetric parameterization of the problem domain, (iii) it achieves arbitrary-order approximation accuracy while preserving higher-order smoothness of the discretization. Several numerical examples are solved to show the optimal convergence properties of the coupled IGA–RKPM formulation, and to demonstrate its effectiveness in constructing volumetric discretizations for complex-geometry objects.
As for the next contribution, we exploit the use of smooth, high-order spline basis functions in IGA to solve high-order surface PDEs governing the morphological evolution of vesicles. These governing equations are often consisted of geometric PDEs, high-order PDEs on stationary or evolving surfaces, or a combination of them. We propose an isogeometric formulation for solving these PDEs. In the context of geometric PDEs, we consider phase-field approximations of mean curvature flow and Willmore flow problems and numerically study the convergence behavior of isogeometric analysis for these problems. As a model problem for high-order PDEs on stationary surfaces, we consider the Cahn–Hilliard equation on a sphere, where the surface is modeled using a phase-field approach. As for the high-order PDEs on evolving surfaces, a phase-field model of a deforming multi-component vesicle, which consists of two fourth-order nonlinear PDEs, is solved using the isogeometric analysis in a primal variational framework. Through several numerical examples in 2D, 3D and axisymmetric 3D settings, we show the robustness of IGA for solving the considered phase-field models.
Finally, we present a monolithic, implicit formulation based on isogeometric analysis and generalized-alpha time integration for simulating hydrodynamics of vesicles according to a phase-field model. Compared to earlier works, the number of equations of the phase-field model which need to be solved is reduced by leveraging high continuity of NURBS functions, and the algorithm is extended to 3D settings. We use residual-based variational multi-scale method (RBVMS) for solving Navier–Stokes equations, while the rest of PDEs in the phase-field model are treated using a standard Galerkin-based IGA. We introduce the resistive immersed surface (RIS) method into the formulation which can be employed for an implicit description of complex geometries using a diffuse-interface approach. The implementation highlights the robustness of the RBVMS method for Navier–Stokes equations of incompressible flows with non-trivial localized forcing terms including bending and tension forces of the vesicle. The potential of the phase-field model and isogeometric analysis for accurate simulation of a variety of fluid-vesicle interaction problems in 2D and 3D is demonstrated.
Gaze based human-computer-interaction has been a research topic for over a quarter century. Since then, the main scenario for gaze interaction has been helping handicapped people to communicate an interact with their environment. With the rapid development of mobile and wearable display technologies, a new application field for gaze interaction has appeared, opening new research questions.
This thesis investigates the feasibility of mobile gaze based interaction, studying deeply the use of pie menus as a generic and robust widget for gaze interaction as well as visual and perceptual issues on head mounted (wearable) optical see-through displays.
It reviews conventional gaze-based selection methods and investigates in detail the use of pie menus for gaze control. It studies and discusses layout issues, selection methods and applications. Results show that pie menus can allocate up to six items in width and multiple depth layers, allowing a fast and accurate navigation through hierarchical levels by using or combining multiple selection methods. Based on these results, several text entry methods based on pie menus are proposed. Character-by-character text entry, text entry with bigrams and with text entry with bigrams derived by word prediction, as well as possible selection methods, are examined in a longitudinal study. Data showed large advantages of the bigram entry methods over single character text entry in speed and accuracy. Participants preferred the novel selection method based on saccades (selecting by borders) over the conventional and well established dwell time method.
On the one hand, pie menus showed to be a feasible and robust widget, which may enable the efficient use of mobile eye tracking systems that may not be accurate enough for controlling elements on conventional interface. On the other hand, visual perception on mobile displays technologies need to be examined in order to deduce if the mentioned results can be transported to mobile devices.
Optical see-through devices enable observers to see additional information embedded in real environments. There is already some evidence of increasing visual load on the respective systems. We investigated visual performance on participants with a visual search tasks and dual tasks presenting visual stimuli on the optical see-through device, only on a computer screen, and simultaneously on both devices. Results showed that switching between the presentation devices (i.e. perceiving information simultaneously from both devices) produced costs in visual performance. The implications of these costs and of further perceptual and technical factors for mobile gaze-based interaction are discussed and solutions are proposed.
From a macroscopic point of view, failure within concrete structures is characterized by the initiation and propagation of cracks. In the first part of the thesis, a methodology for macroscopic crack growth simulations for concrete structures using a cohesive discrete crack approach based on the extended finite element method is introduced. Particular attention is turned to the investigation of criteria for crack initiation and crack growth. A drawback of the macroscopic simulation is that the real physical phenomena leading to the nonlinear behavior are only modeled phenomenologically. For concrete, the nonlinear behavior is characterized by the initiation of microcracks which coalesce into macroscopic cracks. In order to obtain a higher resolution of this failure zones, a mesoscale model for concrete is developed that models particles, mortar matrix and the interfacial transition zone (ITZ) explicitly. The essential features are a representation of particles using a prescribed grading curve, a material formulation based on a cohesive approach for the ITZ and a combined model with damage and plasticity for the mortar matrix. Compared to numerical simulations, the response of real structures exhibits a stochastic scatter. This is e.g. due to the intrinsic heterogeneities of the structure. For mesoscale models, these intrinsic heterogeneities are simulated by using a random distribution of particles and by a simulation of spatially variable material parameters using random fields. There are two major problems related to numerical simulations on the mesoscale. First of all, the material parameters for the constitutive description of the materials are often difficult to measure directly. In order to estimate material parameters from macroscopic experiments, a parameter identification procedure based on Bayesian neural networks is developed which is universally applicable to any parameter identification problem in numerical simulations based on experimental results. This approach offers information about the most probable set of material parameters based on experimental data and information about the accuracy of the estimate. Consequently, this approach can be used a priori to determine a set of experiments to be carried out in order to fit the parameters of a numerical model to experimental data. The second problem is the computational effort required for mesoscale simulations of a full macroscopic structure. For this purpose, a coupling between mesoscale and macroscale model is developed. Representative mesoscale simulations are used to train a metamodel that is finally used as a constitutive model in a macroscopic simulation. Special focus is placed on the ability of appropriately simulating unloading.
The intention of this thesis is to analyse the performance of the theory and the practice of the integrated development planning by Cape Town’s local government in two Townships named Nyanga and Philippi between 1999 and 2001. Since then the local government aimed to supply a planning approach that is of an integrative nature, opposed to the disintegrative one during Apartheid before 1994. South Africa’s primary instrument for development is named the Integrated Development Plan (IDP). This instrument is primarily responsible for socioeconomic development but significantly affects and considers spatial planning aspects as well. Between 1999 and 2001 the five selected project cases along the Ingulube Drive in Nyanga and Philippi under the umbrella of the Dignified Places rogramme have been implemented. The study analysis aims to investigate a specific momentum in time, where spatial practice in South Africa began to experience a new, integrative approach. Furthermore, the study is embedded in the planning conventions in Cape Town’s black Townships before, during and after Apartheid. ...
In der Ph.D.-Arbeit wird gefragt, wie verschieden gestaltete Landschaften heute erlebt werden und wie sie auf die Menschen wirken. Dafür wird die Atmosphärentheorie erweitert und auf Landschaften angewendet. Atmosphären sind räumliche Stimmungsqualitäten, geprägt von der Umgebung, welche Menschen beeinflussen. Es wird ein Modell entwickelt, welches die Prägung von Atmosphären auf massiver, mobiler und ephemer Ebene beschreibt. Mit künstlerischen Arbeiten werden Atmosphären verschiedener anthropogener Landschaften übersetzt. Mit der exemplarischen wie theoretischen Bearbeitung von landschaftsverbundenen Atmosphären wird die Korrelation von Menschen und Umgebung nachgewiesen.
Im Rahmen des sich derzeit vollziehenden Wandels von der segmentierten, zeichnungsorientierten zur integrierten, modellbasierten Arbeitsweise bei der Planung von Bauwerken und ihrer Erstellung werden Computermodelle nicht mehr nur für die physikalische Simulation des Bauwerksverhaltens, sondern auch zur Koordination zwischen den einzelnen Planungsdisziplinen und Projektbeteiligten genutzt. Die gemeinsame Erstellung und Nutzung dieses Modells zur virtuellen Abbildung des Bauwerks und seiner Erstellungsprozesse, das sog. Building Information Modeling (BIM), ist dabei zentraler Bestandteil der Planung. Die Integration der Terminplanung in diese Arbeitsweise erfolgt bisher jedoch nur unzureichend, meist lediglich in der Form einer nachgelagerten 4D-Simulation zur Kommunikation der Planungsergebnisse. Sie weist damit im Verhältnis zum entstehenden Zusatzaufwand einen zu geringen Nutzen für den Terminplaner auf. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die tiefere Einbettung der Terminplanung in die modellbasierte Arbeitsweise. Auf Basis einer umfassende Analyse der Rahmenbedingungen und des Informationsbedarfs der Terminplanung werden Konzepte zur effizienten Wiederverwendung von im Modell gespeicherten Daten mit Hilfe einer Verknüpfungssprache, zum umfassenden Datenaustausch auf Basis der Industry Foundation Classes (IFC) und für das Änderungsmanagement mittels einer Versionierung auf Objektebene entwickelt.Die für die modellbasierte Terminplanung relevanten Daten und ihre Beziehungen zueinander werden dabei formal beschrieben sowie die Kompatibilität ihrer Granularität durch eine Funktionalität zur Objektteilung sichergestellt. Zur zielgenauen Extraktion von Daten werden zudem Algorithmen für räumliche Anfragen entwickelt. Die vorgestellten Konzepte und ihre Anwendbarkeit werden mittels einer umfangreichen Pilotimplementierung anhand von mehreren Praxisbeispielen demonstriert und somit deren praktische Relevanz und Nutzen nachgewiesen.
Vor dem Hintergrund einer stetig wachsenden Nachfrage an Beton wie auch ambitionierter Reduktionsziele beim in der Zementproduktion anfallenden CO2 gelten calcinierte Tone als derzeit aussichtsreichste technische Neuerung im Bereich nachhaltiger Bindemittelkonzepte. Unter Ausnutzung ihrer Puzzolanität soll ein erheblicher Teil der Klinkerkomponente im Zement ersetzt werden, wobei der zu ihrer Aktivierung notwendige Energiebedarf vergleichsweise niedrig ist. Wesentliche Vorteile der Tone sind ihre weltweit nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit sowie der äußerst geringe rohstoffbedingte CO2-Ausstoß während der Calcinierung. Schwierigkeiten auf dem Weg der Umsetzung bestehen allerdings in der Vielseitigkeit des Systems, welches durch eine hohe Varietät der Rohtone und des daraus folgenden thermischen Verhaltens gekennzeichnet ist. Entsprechend schwierig ist die Übertragbarkeit von Erfahrungen mit bereits etablierten calcinierten Tonen wie dem Metakaolin, der sich durch hohe Reinheit, einen aufwendigen Aufbereitungsprozess und eine entsprechend hohe Reaktivität auszeichnet. Ziel der Arbeit ist es daher, den bereits erlangten Kenntnisstand auf andere, wirtschaftlich relevante Tone zu erweitern und deren Eignung für die Anwendung im Beton herauszuarbeiten.
In einem mehrstufigen Arbeitsprogramm wurde untersucht, inwieweit großtechnisch nutzbare Tone aktivierbar sind und welche Eigenschaften sich daraus für Zement und Beton ergeben. Die dabei festgestellte Reihenfolge Kaolinit > Montmorillonit > Illit beschreibt sowohl die Reaktivität der Brennprodukte als auch umgekehrt die Höhe der optimalen Calciniertemperatur. Auch wandelt sich der Charakter der entstandenen Metaphasen in dieser Abfolge von röntgenamorph und hochreaktiv zu glasig und reaktionsträge. Trotz dieser Einordnung konnte selbst mit dem Illit eine mit Steinkohlenflugasche vergleichbare Puzzolanität festgestellt werden. Dies bestätigte sich anschließend in Parameterversuchen, bei denen die Einflüsse von Rohstoffqualität, Calcinierung, Aufbereitung und Zement hinsichtlich der Reaktivitätsausbeute bewertet wurden. Die Bandbreite der erzielbaren Qualitäten ist dabei immens und gipfelt nicht zuletzt in stark unterschiedlichen Wirkungen auf die Festbetoneigenschaften. Hier machte sich vor allem die für Puzzolane typische Porenverfeinerung bemerkbar, sodass viele von Transportvorgängen abhängige Schadmechanismen unterdrückt wurden. Andere Schadex-positionen wie der Frostangriff ließen sich durch Zusatzmaßnahmen wie dem Eintrag von Luftporen beherrschen. Zu bemängeln sind vor allem die schlechte Verarbeitbarkeit kaolinitischer Metatone wie auch die für Puzzolane stark ausgeprägte Carbonatisierungsneigung.
Wesentliches Ergebnis der Arbeit ist, dass auch Tone, die bisher als geringwertig bezüglich des Aktivierungspotentials galten, nutzbare puzzolanische Eigenschaften entwickeln können. So kann selbst ein stark verunreinigter Illit-Ton die Qualität von Flugasche erreichen. Mit stei-gendem Tonmineralgehalt sowie bei Präsens thermisch instabilerer Tonminerale wie Mont-morillonit und Kaolinit erweitert sich das Spektrum nutzbarer Puzzolanitäten bis hin zur hochreaktiven Metakaolin-Qualität. Damit lassen sich gute bis sehr gute Betoneigenschaften erzielen, sodass die Leistungsfähigkeit etablierter Kompositmaterialien erreicht wird. Somit sind die Voraussetzungen für eine umfangreiche Nutzung der erheblichen Tonmengen im Zement und Beton gegeben. Entsprechend können Tone einen effektiven Beitrag zu einer gesteigerten Nachhaltigkeit in der Baustoffproduktion weltweit leisten.