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Modell bedarfsorientierter Leistungserbringung im FM auf Grundlage von Sensortechnologien und BIM
(2023)
Während der Digitalisierung im Bauwesen insbesondere im Bereich der Planungs- und Errichtungsphase von Bauwerken immer größere Aufmerksamkeit zuteilwird, ist das digitale Potenzial im Facility Management weit weniger ausgeschöpft, als dies möglich wäre. Vor dem Hintergrund, dass die Bewirtschaftung von Gebäuden jedoch einen wesentlichen Kostenanteil im Lebenszyklus darstellt, ist eine Fokussierung auf digitale Prozesse im Gebäudebetrieb erforderlich. Im Facility Management werden Dienstleistungen häufig verrichtungsorientiert, d. h. nach statischen Intervallen, oder bedarfsorientiert erbracht. Beide Arten der Leistungserbringung weisen Defizite auf, beispielweise weil Tätigkeiten auf Basis definierter Intervalle erbracht werden, ohne dass eine Notwendigkeit besteht oder weil bestehende Bedarfe mangels Möglichkeiten der Bedarfsermittlung nicht identifiziert werden. Speziell die Definition und Ermittlung eines Bedarfs zur Leistungserbringung ist häufig subjektiv geprägt. Auch sind Dienstleister oft nicht in frühen Phasen der Gebäudeplanung involviert und erhalten für ihre Dienstleistungen notwendige Daten und Informationen erst kurz vor Inbetriebnahme des zu betreibenden Gebäudes.
Aktuelle Ansätze des Building Information Modeling (BIM) und die zunehmende Verfügbarkeit von Sensortechnologien in Gebäuden bieten Chancen, die o. g. Defizite zu beheben.
In der vorliegenden Arbeit werden deshalb Datenmodelle und Methoden entwickelt, die mithilfe von BIM-basierten Datenbankstrukturen sowie Auswertungs- und Entscheidungsmethodiken Dienstleistungen der Gebäudebewirtschaftung objektiviert und automatisiert auslösen können. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf dem Facility Service der Reinigungs- und Pflegedienste des infrastrukturellen Facility Managements.
Eine umfangreiche Recherche etablierter Normen und Standards sowie öffentlich zugänglicher Leistungsausschreibungen bilden die Grundlage der Definition erforderlicher Informationen zur Leistungserbringung. Die identifizierten statischen Gebäude- und Prozessinformationen werden in einem relationalen Datenbankmodell strukturiert, das nach einer Darstellung von Messgrößen und der Beschreibung des Vorgehens zur Auswahl geeigneter Sensoren für die Erfassung von Bedarfen, um Sensorinformationen erweitert wird. Um Messwerte verschiedener und bereits in Gebäuden existenten Sensoren für die Leistungsauslösung verwenden zu können, erfolgt die Implementierung einer Normierungsmethodik in das Datenbankmodell. Auf diese Weise kann der Bedarf zur Leistungserbringung ausgehend von Grenzwerten ermitteln werden. Auch sind Verknüpfungsmethoden zur Kombination verschiedener Anwendungen in dem Datenbankmodell integriert. Zusätzlich zur direkten Auslösung erforderlicher Aktivitäten ermöglicht das entwickelte Modell eine opportune Auslösung von Leistungen, d. h. eine Leistungserbringung vor dem eigentlich bestehenden Bedarf. Auf diese Weise können tätigkeitsähnliche oder räumlich nah beieinander liegende Tätigkeiten sinnvoll vorzeitig erbracht werden, um für den Dienstleister eine Wegstreckeneinsparung zu ermöglichen. Die Arbeit beschreibt zudem die für die Auswertung, Entscheidungsfindung und Auftragsüberwachung benötigen Algorithmen.
Die Validierung des entwickelten Modells bedarfsorientierter Leistungserbringung erfolgt in einer relationalen Datenbank und zeigt simulativ für unterschiedliche Szenarien des Gebäudebetriebs, dass Bedarfsermittlungen auf Grundlage von Sensortechnologien erfolgen und Leistungen opportun ausgelöst, beauftragt und dokumentiert werden können.
Due to the development of new technologies and materials, optimized bridge design has recently gained more attention. The aim is to reduce the bridge components materials and the CO2 emission from the cement manufacturing process. Thus, most long-span bridges are designed to be with high flexibility, low structural damping, and longer and slender spans. Such designs lead, however, to aeroelastic challenges. Moreover, the consideration of both the structural and aeroelastic behavior in bridges leads to contradictory solutions as the structural constraints lead to deck prototypes with high depth which provide high inertia to material volume ratios. On the other hand, considering solely the aerodynamic requirements, slender airfoil-shaped bridge box girders are recommended since they prevent vortex shedding and exhibit minimum drag. Within this framework comes this study which provides approaches to find optimal bridge deck cross-sections while considering the aerodynamic effects. Shape optimization of deck cross-section is usually formulated to minimize the amount of material by finding adequate parameters such as the depth, the height, and the thickness and while ensuring the overall stability of the structure by the application of some constraints. Codes and studies have been implemented to analyze the wind phenomena and the structural responses towards bridge deck cross-sections where simplifications have been adopted due to the complexity and the uniqueness of such components besides the difficulty of obtaining a final model of the aerodynamic behavior. In this thesis, two main perspectives have been studied; the first is fully deterministic and presents a novel framework on generating optimal aerodynamic shapes for streamlined and trapezoidal cross-sections based on the meta-modeling approach. Single and multi-objective optimizations were both carried out and a Pareto Front is generated. The performance of the optimal designs is checked afterwards. In the second part, a new strategy based on Reliability-Based Design Optimization (RBDO) to mitigate the vortex-induced vibration (VIV) on the Trans-Tokyo Bay bridge is proposed. Small changes in the leading and trailing edges are presented and uncertainties are considered in the structural system. Probabilistic constraints based on polynomial regression are evaluated and the problem is solved while applying the Reliability Index Approach (RIA) and the Performance Measure Approach (PMA). The results obtained in the first part showed that the aspect ratio has a significant effect on the aerodynamic behavior where deeper cross-sections have lower resistance against flutter and should be avoided. In the second part, the adopted RBDO approach succeeded to mitigate the VIV, and it is proven that designs with narrow or prolonged bottom-base length and featuring an abrupt surface change in the leading and trailing edges can lead to high vertical vibration amplitude. It is expected that this research will help engineers with the selections of the adequate deck cross-section layout, and encourage researchers to apply concepts of optimization regarding this field and develop the presented approaches for further studies.
Die fortschreitende Digitalisierung lässt innovative bauprojekt- und unternehmensinterne Workflows sowie Organisationssysteme entstehen. In diesem Zusammenhang ist die digitale Fortentwicklung durch Building Information Modeling [BIM] als Veränderungsprozess zu definieren, der Organisationsstrukturen nachhaltig umformen wird. BIM ist die führende digitale Arbeitsmethodik im Bauwesen, die entwurfs-, ausführungs- und bauprojektbezogenen Belangen gerecht werden kann. Die deutsche Bauwirtschaft ist im Vergleich zu anderen Branchen jedoch als digital rückständig zu betrachten. Sie ist durch einen Markt gekennzeichnet, an dem kleine und mittelständische Unternehmen [KMU] in hoher Zahl vertreten sind. Aufgrund von Anwendungsunkenntnis der kleinen und mittelständischen Unternehmen fehlt der flächendeckende und durchgängige BIM-Einsatz in Projekten. Mit dem Fokus auf dem Bauprojekt als temporärer Organisation adressiert der vorliegende Forschungsschwerpunkt die Schaffung eines realistischen Abbilds erprobter BIM-Anwendungsfälle in Modellprojekten. Herausgearbeitet werden derzeit bestehende BIM-Herausforderungen für Erstanwender, die die durchgängige BIM-Anwendung in Deutschland bisher hemmen.
Die Forschungsarbeit fokussiert sich auf die Evaluation erfolgskritischer Faktoren [ekF] in BIM-Anwendungsfällen [AWF] im Rahmen einer qualitativen Inhaltsanalyse. Die digitale Transformation birgt strukturrelevante Veränderungsdeterminanten für Organisationen durch die BIM-Anwendung und außerdem Herausforderungen, die in der Anwendungsfallforschung betrachtet werden.
Die Zielstellung ist dreiteilig. Ein entwickeltes BIM-Strukturmodell erfasst die aktuelle Richtlinienarbeit sowie Standardisierung und stellt dadurch den Rahmen notwendiger BIM-Strukturen im Bauprojekt auf. Aus dem Strukturmodell ist ein Modell zur Prüfung von Anwendungsfallrisiken abgeleitet worden. Dieses wird auf gezielt recherchierte BIM-Modellprojekte in Deutschland angewendet, um aus den erfolgskritischen Faktoren der darin praktizierten BIM-Anwendungsfälle eine ekF-Risikomatrix abzuleiten. Daraus geht ein unterstützendes BIM-Anwendungsinstrument in Form von BPMN-Abläufen für KMU hervor. Resultierend aus der Verbindung des BIM-Strukturmodels und der Anwendungsfallanalyse wird in den einzelnen Ablaufübersichten eine Risikoverortung je Anwendungsfall kenntlich gemacht. Unternehmen ohne BIM-Anwendungsexpertise in Bauprojektorganisationen erhalten auf diese Weise einen instrumentellen und niederschwelligen Zugang zu BIM, um die kollaborativen und wirtschaftlichen Vorteile der digitalen Arbeitsmethodik nutzen zu können.
Die Form der Datenbank
(2023)
Datenbanken sind heute die wichtigste Technik zur Organisation und Verarbeitung von Daten. Wie wurden sie zu einer der allgegenwärtigsten und gleichzeitig unsichtbarsten Praxis, die menschliche Zusammenarbeit ermöglicht? Diese Studie beginnt mit einer historiographischen Erkundung der zentralen medialen Konzepte von Datenbanken und mündet in das praxeologische Konzept der "Daten als Formation", kurz: In-Formation.
Der erste Hauptteil befasst sich mit der Formatierung von Daten durch die Verarbeitung strukturierter Daten mittels relationaler Algebra. Es wird erarbeitet, auf welche Weise Struktur neues Wissen schafft. Im zweiten Teil wird erörtert, wie Datenbanken durch den diagrammatisch-epistemischen Raum der Tabelle operationalisiert werden. Drittens untersucht die Studie Transaktionen als Erklärungen dafür, wie Daten und reale Handlungen koordiniert und synchronisiert werden können.
Im zweiten Hauptteil wird untersucht, wie relationale Datenbanken zunehmend zum Zentrum von Softwareanwendungen und Infrastrukturen wurden, wobei der Schwerpunkt auf wirtschaftlichen Praktiken liegt. In einem vergleichenden Ansatz wird anhand von Fallstudien in der DDR der 1970er bis 1990er Jahren die Frage gestellt, ob es eine „sozialistische“ Datenbankmanagement-Software gegeben hat. Dabei werden die „westlichen“ Produktionsdatenbanken BOMP, COPICS und MAPICS (IBM) sowie R2 (SAP) im Zusammenspiel mit den ostdeutschen Sachgebietsorientierten Programmiersystemen (SOPS) von Robotron diskutiert. Schließlich untersucht dieser Teil, wie die DDR ihr eigenes relationales Datenbankmanagementsystem, DABA 1600, entwickelte und dabei „westliche“ Technologie neu interpretierte.
Das abschließende Kapitel fasst die Konzepte der relationalen Datenbanken als heute wichtigsten Datenorganisationstechnik zusammen. Es erörtert, inwiefern es möglich ist, die historiographische Erzählung über die Entstehung von Datenbankmanagementsystemen und ihre Folgen für die Geschichte der Informatik zu dezentrieren. Es schließt mit der Erkenntnis, dass östliche und westliche Medien der Kooperation sich in Form und Funktion erstaunlich ähnlich sind, beide wurzeln in den tiefen Genealogien von organisatorischen und wissensbildenden Datenpraktiken.
Neben dieser medienwissenschaftlichen Arbeit besteht die Dissertation aus einem künstlerischen Teil, der dokumentiert wird: Anhand einer Reihe von Vlogs erkundet die fiktionale Figur „Data Proxy“ aktuelle Datenökologien.
In this work, practice-based research is conducted to rethink the understanding of aesthetics, especially in relation to current media art. Granted, we live in times when technologies merge with living organisms, but we also live in times that provide unlimited resources of knowledge and maker tools. I raise the question: In what way does the hybridization of living organisms and non-living technologies affect art audiences in the culture that may be defined as Maker culture? My hypothesis is that active participation of an audience in an artwork is inevitable for experiencing the artwork itself, while also suggesting that the impact of the umwelt changes the perception of an artwork. I emphasize artistic projects that unfold through mutual interaction among diverse peers, including humans, non-human organisms, and machines. In my thesis, I pursue collaborative scenarios that lead to the realization of artistic ideas: (1) the development of ideas by others influenced by me and (2) the materialization of my own ideas influenced by others. By developing the scenarios of collaborative work as an artistic experience, I conclude that the role of an artist in Maker culture is to mediate different types of knowledge and different positions, whereas the role of the audience is to actively engage in the artwork itself. At the same time, aesthetics as experience is triggered by the other, including living and non-living actors. It is intended that the developed methodologies could be further adapted in artistic practices, philosophy, anthropology, and environmental studies.
Anhand der städtebaulichen und sozialen Transformation des östlichen Gründerzeitgebietes von Leipzig wird die Rolle von migrantischen Hausbesitzenden und in der Bausanierung Tätigen im Aufwertungsprozess untersucht. Der Zugang zum Gegenstand verbindet Fragen der Stadtsoziologie und der Denkmalforschung. Im sozialen Feld der Stadterneuerung wird die Revitalisierung des ehemals von Leerstand und Rückbau betroffenen Baubestandes ausgehandelt. Die Positionen der Akteur:innen im Feld werden durch ihre Ausstattung mit ökonomischem, aber auch sozialem und kulturellem Kapital bestimmt. Angehörige der Planungs- und Denkmalbehörden verfügen über institutionalisiertes Kulturkapital und stehen damit Kleineigentümer:innen, häufig Autodidakt:innen, gegenüber. Baudenkmale können über ihre Funktion als Geldanlage und Wohnraum hinaus Status repräsentieren und symbolisch angeeignet werden. Denkmalschutz dient dem öffentlichen Interesse am Erhalt historischer Bausubstanz. Bei Sanierungen bestehen die Herausforderungen der Vereinbarkeit von Konservierung und Modernisierung, der Finanzierbarkeit für Eigentümer:innen und der Sozialverträglichkeit für Bewohnende. Eine Darstellung der historischen Entwicklung des Leipziger Ostens zu Beginn der Analyse veranschaulicht die Abhängigkeit kultureller, sozialer und ökonomischer Werte des Baubestandes vom jeweiligen gesellschaftlichen Kontext. Planerische Konzepte für das Gebiet zeigen, dass eine sozioökonomische Stabilisierung und Imageverbesserung erreicht werden sollte durch das Aufgreifen von Potentialen, wie den denkmalgeschützten Bauten, dem zuziehenden alternativen Milieu und migrantischer Ökonomie. Es wird deutlich, dass nach einer initialen Ansässigkeit von Pionier:innen die öffentlichen Infrastrukturmaßnahmen und Denkmalausweisungen eine Inwertsetzung v. a. durch externe Anlegende vorbereiteten. Darauf aufbauend wurden anhand einer qualitativen Befragung die Erfahrungen von städtischen Mitarbeitenden, Fachleuten und im Quartier Engagierten denen von lokalen migrantischen Hausbesitzenden und im Bereich Sanierung Tätigen gegenübergestellt. Migrant:innengruppen haben den Stadtraum in einer Phase vorherrschender Abwanderung durch die Eröffnung von Geschäften und Institutionen sowie den Erwerb von Immobilien für sich erschlossen. Strukturelle Benachteiligungen, wie Diskriminierung auf dem Arbeitsmarkt, ihre Ansässigkeit im sozial stigmatisierten Gebiet sowie geringes ökonomisches Kapital versuchten sie durch den Einsatz von sozialem Kapital auszugleichen. Sanierungen erfolgten mit hoher Eigenleistung und Rückgriff auf private Netzwerke. Die Analyse des Erneuerungsprozesses im Leipziger Osten zeigt, dass in einer initialen Phase Pionier:innen von Planenden und der Denkmalpflege als essentiell für die Entwicklung angesehen wurden. Günstige Instandsetzungen durch Kleineigentümer:innen wurden akzeptiert, um Gebäude vor weiterem Verfall zu bewahren. Mit der zunehmenden Forderung nach Verwendung hochwertiger Materialen werden die Sanierungsleistungen nach ästhetischen und letztlich ökonomischen Kriterien bewertet. Gegenüber sozialen Folgen einer Aufwertung von Bausubstanz lässt sich eine unkritische Haltung der Denkmalpflege erkennen. Bei der Vermarktung der Bestände durch professionelle Investierende findet die Sozialgeschichte des Stadtteils wenig Berücksichtigung, positiv besetzte Merkmale des Quartiers, wie Multikulturalität werden selektiv aufgegriffen. Der Anteil migrantischer Akteur:innen an der Entwicklung wird durch die Öffentlichkeit unzureichend anerkannt. Auch die Wertschätzung von Planenden und im Quartier Engagierten erfolgt v. a. anhand des ökonomischen Status. Hohe Erwartungen an die Geschäftsstruktur und die Erscheinung des Straßenbildes können nicht erfüllt werden. Migrantische Hausbesitzende und im Bereich Sanierung Tätige benötigen für die Auseinandersetzung mit der Denkmalpflege kulturelles Kapital. Sie erkennen die Bedeutung des historischen Baubestandes für die Stadt und die Arbeit der Institution an, kritisieren jedoch Sanierungsauflagen bzw. Mitarbeitende der Denkmalpflege und können sich z. T. gegen diese behaupten. Lokale migrantische Kleineigentümer:innen leisten durch ihre Quartiersbindung einen Beitrag zur ökonomischen und sozialen Stabilisierung. Mit ihrer Aufstiegsorientierung fördern sie in der Vermietungspraxis jedoch nur bedingt die Integration anderer Migrant:innen und grenzen sich von statusniedrigen Gruppen im Quartier ab. Migrantische Hausbesitzende und Unternehmende nehmen sich selbst als erfolgreiche Vorreitende in einer heterogener werdenden ostdeutschen Stadtgesellschaft wahr. Sie erkannten frühzeitig das Entwicklungspotential und gehören zu den Initiierenden und Profitierenden der Inwertsetzung.
Search engines are very good at answering queries that look for facts. Still, information needs that concern forming opinions on a controversial topic or making a decision remain a challenge for search engines. Since they are optimized to retrieve satisfying answers, search engines might emphasize a specific stance on a controversial topic in their ranking, amplifying bias in society in an undesired way. Argument retrieval systems support users in forming opinions about controversial topics by retrieving arguments for a given query. In this thesis, we address challenges in argument retrieval systems that concern integrating them in search engines, developing generalizable argument mining approaches, and enabling frame-guided delivery of arguments.
Adapting argument retrieval systems to search engines should start by identifying and analyzing information needs that look for arguments. To identify questions that look for arguments we develop a two-step annotation scheme that first identifies whether the context of a question is controversial, and if so, assigns it one of several question types: factual, method, and argumentative. Using this annotation scheme, we create a question dataset from the logs of a major search engine and use it to analyze the characteristics of argumentative questions. The analysis shows that the proportion of argumentative questions on controversial topics is substantial and that they mainly ask for reasons and predictions. The dataset is further used to develop a classifier to uniquely map questions to the question types, reaching a convincing F1-score of 0.78.
While the web offers an invaluable source of argumentative content to respond to argumentative questions, it is characterized by multiple genres (e.g., news articles and social fora). Exploiting the web as a source of arguments relies on developing argument mining approaches that generalize over genre. To this end, we approach the problem of how to extract argument units in a genre-robust way. Our experiments on argument unit segmentation show that transfer across genres is rather hard to achieve using existing sequence-to-sequence models.
Another property of text which argument mining approaches should generalize over is topic. Since new topics appear daily on which argument mining approaches are not trained, argument mining approaches should be developed in a topic-generalizable way. Towards this goal, we analyze the coverage of 31 argument corpora across topics using three topic ontologies. The analysis shows that the topics covered by existing argument corpora are biased toward a small subset of easily accessible controversial topics, hinting at the inability of existing approaches to generalize across topics. In addition to corpus construction standards, fostering topic generalizability requires a careful formulation of argument mining tasks. Same side stance classification is a reformulation of stance classification that makes it less dependent on the topic. First experiments on this task show promising results in generalizing across topics.
To be effective at persuading their audience, users of an argument retrieval system should select arguments from the retrieved results based on what frame they emphasize of a controversial topic. An open challenge is to develop an approach to identify the frames of an argument. To this end, we define a frame as a subset of arguments that share an aspect. We operationalize this model via an approach that identifies and removes the topic of arguments before clustering them into frames. We evaluate the approach on a dataset that covers 12,326 frames and show that identifying the topic of an argument and removing it helps to identify its frames.
Biomembranes are selectively permeable barriers that separate the internal components of the cell from its surroundings. They have remarkable mechanical behavior which is characterized by many phenomena, but most noticeably their fluid-like in-plane behavior and solid-like out-of-plane behavior. Vesicles have been studied in the context of discrete models, such as Molecular Dynamics, Monte Carlo methods, Dissipative Particle Dynamics, and Brownian Dynamics. Those methods, however, tend to have high computational costs, which limited their uses for studying atomistic details. In order to broaden the scope of this research, we resort to the continuum models, where the atomistic details of the vesicles are neglected, and the focus shifts to the overall morphological evolution. Under the umbrella of continuum models, vesicles morphology has been studied extensively. However, most of those studies were limited to the mechanical response of vesicles by considering only the bending energy and aiming for the solution by minimizing the total energy of the system. Most of the literature is divided between two geometrical representation methods; the sharp interface methods and the diffusive interface methods. Both of those methods track the boundaries and interfaces implicitly. In this research, we focus our attention on solving two non-trivial problems. In the first one, we study a constrained Willmore problem coupled with an electrical field, and in the second one, we investigate the hydrodynamics of a vesicle doublet suspended in an external viscous fluid flow.
For the first problem, we solve a constrained Willmore problem coupled with an electrical field using isogeometric analysis to study the morphological evolution of vesicles subjected to static electrical fields. The model comprises two phases, the lipid bilayer, and the electrolyte. This two-phase problem is modeled using the phase-field method, which is a subclass of the diffusive interface methods mentioned earlier. The bending, flexoelectric, and dielectric energies of the model are reformulated using the phase-field parameter. A modified Augmented-Lagrangian (ALM) approach was used to satisfy the constraints while maintaining numerical stability and a relatively large time step. This approach guarantees the satisfaction of the constraints at each time step over the entire temporal domain.
In the second problem, we study the hydrodynamics of vesicle doublet suspended in an external viscous fluid flow. Vesicles in this part of the research are also modeled using the phase-field model. The bending energy and energies associated with enforcing the global volume and area are considered. In addition, the local inextensibility condition is ensured by introducing an additional equation to the system. To prevent the vesicles from numerically overlapping, we deploy an interaction energy definition to maintain a short-range repulsion between the vesicles. The fluid flow is modeled using the incompressible Navier-Stokes equations and the vesicle evolution in time is modeled using two advection equations describing the process of advecting each vesicle by the fluid flow. To overcome the velocity-pressure saddle point system, we apply the Residual-Based Variational MultiScale (RBVMS) method to the Navier-Stokes equations and solve the coupled systems using isogeometric analysis. We study vesicle doublet hydrodynamics in shear flow, planar extensional flow, and parabolic flow under various configurations and boundary conditions.
The results reveal several interesting points about the electrodynamics and hydrodynamics responses of single vesicles and vesicle doublets. But first, it can be seen that isogeometric analysis as a numerical tool has the ability to model and solve 4th-order PDEs in a primal variational framework at extreme efficiency and accuracy due to the abilities embedded within the NURBS functions without the need to reduce the order of the PDE by creating an intermediate environment. Refinement whether by knot insertion, order increasing or both is far easier to obtain than traditional mesh-based methods. Given the wide variety of phenomena in natural sciences and engineering that are mathematically modeled by high-order PDEs, the isogeometric analysis is among the most robust methods to address such problems as the basis functions can easily attain high global continuity.
On the applicational side, we study the vesicle morphological evolution based on the electromechanical liquid-crystal model in 3D settings. This model describing the evolution of vesicles is composed of time-dependent, highly nonlinear, high-order PDEs, which are nontrivial to solve. Solving this problem requires robust numerical methods, such as isogeometric analysis. We concluded that the vesicle tends to deform under increasing magnitudes of electric fields from the original sphere shape to an oblate-like shape. This evolution is affected by many factors and requires fine-tuning of several parameters, mainly the regularization parameter which controls the thickness of the diffusive interface width. But it is most affected by the method used for enforcing the constraints. The penalty method in presence of an electrical field tends to lock on the initial phase-field and prevent any evolution while a modified version of the ALM has proven to be sufficiently stable and accurate to let the phase-field evolve while satisfying the constraints over time at each time step. We show additionally the effect of including the flexoelectric nature of the Biomembranes in the computation and how it affects the shape evolution as well as the effect of having different conductivity ratios. All the examples were solved based on a staggered scheme, which reduces the computational cost significantly.
For the second part of the research, we consider vesicle doublet suspended in a shear flow, in a planar extensional flow, and in a parabolic flow. When the vesicle doublet is suspended in a shear flow, it can either slip past each other or slide on top of each other based on the value of the vertical displacement, that is the vertical distance between the center of masses between the two vesicles, and the velocity profile applied. When the vesicle doublet is suspended in a planar extensional flow in a configuration that resembles a junction, the time in which both vesicles separate depends largely on the value of the vertical displacement after displacing as much fluid from between the two vesicles. However, when the vesicles are suspended in a tubular channel with a parabolic fluid flow, they develop a parachute-like shape upon converging towards each other before exiting the computational domain from the predetermined outlets. This shape however is affected largely by the height of the tubular channel in which the vesicle is suspended. The velocity essential boundary conditions are imposed weakly and strongly. The weak implementation of the boundary conditions was used when the velocity profile was defined on the entire boundary, while the strong implementation was used when the velocity profile was defined on a part of the boundary. The strong implementation of the essential boundary conditions was done by selectively applying it to the predetermined set of elements in a parallel-based code. This allowed us to simulate vesicle hydrodynamics in a computational domain with multiple inlets and outlets. We also investigate the hydrodynamics of oblate-like shape vesicles in a parabolic flow. This work has been done in 2D configuration because of the immense computational load resulting from a large number of degrees of freedom, but we are actively seeking to expand it to 3D settings and test a broader set of parameters and geometrical configurations.
This dissertation presents three studies on the design and implementation of interactive surface environments. It puts forward approaches to engineering interactive surface prototypes using prevailing methodologies and technologies. The scholarly findings from each study have been condensed into academic manuscripts, which are conferred herewith.
The first study identifies a communication gap between engineers of interactive surface systems (i.e., originators of concepts) and future developers. To bridge the gap, it explores a UML-based framework to establish a formal syntax for modeling hardware, middleware, and software of interactive surface prototypes. The proposed framework targets models-as-end-products, towards enabling a shared view of research prototypes thereby facilitating dialogue between concept originators and future developers.
The second study positions itself to support developers with an open-source solution for exploiting 3D point clouds for interactive tabletop applications using CPU architectures. Given dense 3D point-cloud representations of tabletop environments, the study aims toward mitigating high computational effort by segmenting candidate interaction regions as a preprocessing step. The study contributes a robust open-source solution for reducing computational costs when leveraging 3D point clouds for interactive tabletop applications. The solution itself is flexible and adaptable to variable interactive surface applications.
The third study contributes an archetypal concept for integrating mobile devices as active components in augmented tabletop surfaces. With emphasis on transparent development trails, the study demonstrates the utility of the open-source tool developed in the second study. In addition to leveraging 3D point clouds for real-time interaction, the research considers recent advances in computer vision and wireless communication to realize a modern, interactive tabletop application. A robust strategy that combines spatial augmented reality, point-cloud-based depth perception, CNN-based object detection, and Bluetooth communication is put forward. In addition to seamless communication between adhoc mobile devices and interactive tabletop systems, the archetypal concept demonstrates the benefits of preprocessing point clouds by segmenting candidate interaction regions, as suggested in the second study.
Collectively, the studies presented in this dissertation contribute; 1—bridging the gap between originators of interactive surface concepts and future developers, 2— promoting the exploration of 3D point clouds for interactive surface applications using CPU-based architectures, and 3—leveraging 3D point clouds together with emerging CNN-based object detection, and Bluetooth communication technologies to advance existing surface interaction concepts.
One of the main criteria determining the thermal comfort of occupants is the air temperature. To monitor this parameter, a thermostat is traditionally mounted in the indoor environment for instance in office rooms in the workplaces, or directly on the radiator or in another location in a room. One of the drawbacks of this conventional method is the measurement at a certain location instead of the temperature distribution in the entire room including the occupant zone. As a result, the climatic conditions measured at the thermostat point may differ from those at the user's location. This not only negatively impacts the thermal comfort assessment but also leads to a waste of energy due to unnecessary heating and cooling. Moreover, for measuring the distribution of the air temperature under laboratory conditions, multiple thermal sensors should be installed in the area under investigation. This requires high effort in both installation and expense.
To overcome the shortcomings of traditional sensors, Acoustic travel-time TOMography (ATOM) offers an alternative based on measuring the transmission sound velocity signals. The basis of the ATOM technique is the first-order dependency of the sound velocity on the medium's temperature. The average sound velocity, along the propagation paths, can be determined by travel-times estimation of a defined acoustic signal between transducers. After the travel-times collection, the room is divided into several volumetric grid cells, i.e. voxels, whose sizes are defined depending on the dimension of the room and the number of sound paths. Accordingly, the spatial air temperature in each voxel can be determined using a suitable tomographic algorithm. Recent studies indicate that despite the great potential of this technique to detect room climate, few experiments have been conducted.
This thesis aims to develop the ATOM technique for indoor climatic applications while coupling the analysis methods of tomography and room acoustics. The method developed in this thesis uses high-energy early reflections in addition to the direct paths between transducers for travel time estimation. In this way, reflections can provide multiple sound paths that allow the room coverage to be maintained even when a few or even only one transmitter and receiver are used.
In the development of the ATOM measurement system, several approaches have been employed, including the development of numerical methods and simulations and conducting experimental measurements, each of which has contributed to the improvement of the system's accuracy. In order to effectively separate the early reflections and ensure adequate coverage of the room with sound paths, a numerical method was developed based on the optimization of the coordinates of the sound transducers in the test room. The validation of the optimal positioning method shows that the reconstructed temperatures were significantly improved by placing the transducers at the optimal coordinates derived from the developed numerical method. The other numerical method developed is related to the selection of the travel times of the early reflections. Accordingly, the detection of the travel times has been improved by adjusting the lengths of the multiple analysis time-windows according to the individual travel times in the reflectogram of the room impulse response. This can reduce the probability of trapping faulty travel times in the analysis time-windows.
The simulation model used in this thesis is based on the image source model (ISM) method for simulating the theoretical travel times of early reflection sound paths. The simulation model was developed to simulate the theoretical travel times up to third-order reflections.
The empirical measurements were carried out in the climate lab of the Chair of Building Physics under different boundary conditions, i.e., combinations of different room air temperatures under both steady-state and transient conditions, and different measurement setups. With the measurements under controllable conditions in the climate lab, the validity of the developed numerical methods was confirmed.
In this thesis, the performance of the ATOM measurement system was evaluated using two measurement setups. The setup for the initial investigations consists of an omnidirectional receiver and a near omnidirectional sound source, keeping the number of transducers as few as possible. This has led to accurately identify the sources of error that could occur in each part of the measuring system. The second measurement setup consists of two directional sound sources and one omnidirectional receiver. This arrangement of transducers allowed a higher number of well-detected travel times for tomography reconstruction, a better travel time estimation due to the directivity of the sound source, and better space utilization. Furthermore, this new measurement setup was tested to determine an optimal selection of the excitation signal. The results showed that for the utilized setup, a linear chirp signal with a frequency range of 200 - 4000 Hz and a signal duration of t = 1 s represents an optimal selection with respect to the reliability of the measured travel times and higher signal-to-noise ratio (SNR).
To evaluate the performance of the measuring setups, the ATOM temperatures were always compared with the temperatures of high-resolution NTC thermistors with an accuracy of ±0.2 K. The entire measurement program, including acoustic measurements, simulation, signal processing, and visualization of measurement results are performed in MATLAB software.
In addition, to reduce the uncertainty of the positioning of the transducers, the acoustic centre of the loudspeaker was determined experimentally for three types of excitation signals, namely MLS (maximum length sequence) signals with different lengths and duration, linear and logarithmic chirp signals with different defined frequency ranges. For this purpose, the climate lab was converted into a fully anechoic chamber by attaching absorption panels to the entire surfaces of the room. The measurement results indicated that the measurement of the acoustic centre of the sound source significantly reduces the displacement error of the transducer position.
Moreover, to measure the air temperature in an occupied room, an algorithm was developed that can convert distorted signals into pure reference signals using an adaptive filter. The measurement results confirm the validity of the approach for a temperature interval of 4 K inside the climate lab.
Accordingly, the accuracy of the reconstructed temperatures indicated that ATOM is very suitable for measuring the air temperature distribution in rooms.
Diese Arbeit soll einen Beitrag zum Neuen Steuerungsmodell der Öffentlichen Verwaltung auf staatlicher Ebene in Deutschland leisten. Sie dient der Untersuchung zum Aufbau eines ökonomischen Modells zur Koordination von Dienstliegenschaften auf staatlicher Ebene.
Die Untersuchung der Dienstliegenschaften zeigt, dass diese eine interne Dienstbarkeit des Staates als Wirtschaftssubjekt an den Staat als Hoheitsträger fingieren.
Die Untersuchung der Liegenschaftsverwaltung belegt, dass sie vor allem ein Controlling-Instrument für den Informationsfluss zu Entscheidungen über Dienstliegenschaften zwischen dem Hoheitsträger und dem Wirtschaftssubjekt darstellt.
Die Untersuchung der Transaktionskosten beweist, dass eine Koordination am effizientesten über die eigene Organisation mittels dezentraler Aufgabenkonzentration in Form eines SSC erreicht werden kann.
Die Untersuchung der Handlungs- und Verfügungsrechte ergab, dass die Verfügungsrechte an den Dienstliegenschaften weiter den Ressorts bzw. Nutzern obliegen. Allein das Handlungsrecht der Aufgabenwahrnehmung ist an die Liegenschaftsverwaltung übergegangen.
Die Untersuchung der Prinzipal-Agent-Verhältnisse teilt der Liegenschaftsverwaltung die Rolle eines Erfüllungsgehilfen des Wirtschaftssubjektes zu. Die monetäre Abwicklung der Ge-schäfte zwischen dem Wirtschaftssubjekt und dem Hoheitsträger obliegt als zuarbeitende Organisationseinheit ohne eigene Entscheidungsgewalt der Liegenschaftsverwaltung.
Aus diesen Thesen ergeben sich monetäre Handlungsmöglichkeiten, die in den Aufbau des Modells einfließen. Es rückt das Wirtschaftssubjekt als Entscheidungsträger über den Ressourceneinsatz in den Mittelpunkt der Betrachtung. Der Hoheitsträger ist hierbei nur der Forderungsberechtigte an das Wirtschaftssubjekt und die Liegenschaftsverwaltung dessen immobilienwirtschaftlicher Vertreter.
Diese Konstellation berücksichtigend erfolgt dem Credo des NPM gemäß die Beschreibung des Modells und des institutionellen Arrangements nach den gängigen Modellen aus der Privatwirtschaft. Anhand der Untersuchungsergebnisse wird eine Liegenschaftsverwaltung skizziert, welche einerseits den tatsächlichen betriebswirtschaftlichen Anforderungen der Immobilienwirtschaft und andererseits den Gegebenheiten des haushaltswirtschaftlichen Umfeldes der öffentlichen Verwaltung gerecht werden kann.
Das aufgebaute Realmodell dient gleichzeitig dem Vergleich mit dem bestehenden und in der Praxis angewandten Mieter-Vermieter-Modell als Idealmodell. Der Vergleich zeigt, dass sich aus der Untersuchung zivilrechtlicher Institutionen zwar kein schuldrechtliches, wohl aber ein dingliches Recht ableiten lässt. Damit einher geht die Vermutung, dass es sich bei dem Mieter-Vermieter-Modell im staatlichen Bereich um einen Fall von Modellplatonismus handelt.
Der Erfahrung auf der Spur
(2023)
Dieselbe Zeit, derselbe Raum - zwei, grundverschiedene Regisseure und damit Erfahrungswelten. Aleksandr Rastorguevs und Sergei Loznitsas Dokumentarfilme der 90er und 2000er Jahre sind politische, poetische, punktgenaue Interventionen in die Gegenwart der „kleinen Menschen“. Das Buch widmet sich dokumentarfilmischen Meisterwerken, die methodisch Verdrängtes und Übersehenes, planmäßig Vergessenes sichtbar machen – nach dem Krieg ist vor dem Krieg. Ästhetik in ihrer sozial-, geschichts- und kulturwissenschaftlichen Relevanz.
Im post- und kontrafaktischen Zeitalter des allgegenwärtigen medialen Überflusses, inmitten der Fernseh-, YouTube- und virtuellen Realität, erfüllen, begründen, ermöglichen oder schlichtweg erkämpfen die Filme und ihre Autoren verloren gegangene Räume für Widersprüche, Fragen, die mal in ihrer Ambivalenz, mal in ihrer spröden Eindeutigkeit ihren Aussagewert haben. Wider die marginale Rezeption rückt die Publikation sie in den Raum der interdisziplinären wissenschaftlichen Forschung und stellt sie als gleichwertige Formen der Wissens- und Erfahrungsproduktion vor.
Bei all ihrer Unterschiedlichkeit, katapultieren die Filme den Zuschauer in ebenjene bekannte, aber nicht erkannte, weil nicht gesehene, übersehene, nicht wahrgenommene Hyperrealität ihrer Alltagswirklichkeit. Weder der Autor noch das Werk noch der Zuschauer sind aus dem jeweiligen historischen oder soziopolitischen Diktum herauslösbar oder gar gänzlich frei.
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.
Strategien der Sichtbarkeit und Sichtbarmachung von ‚Wearable Enhancement‘ im Bereich Smart Health
(2022)
Die vorliegende Forschungsarbeit befasst sich mit der Entwicklung und Gestaltung von körpernahen, tragbaren Artefakten für den digitalisierten Gesundheitsbereich. Unter dem entwickelten Begriff des Wearable Enhancements werden die verschiedenen Termini aus smarten Textilien, Fashion Technologies, Wearable Technologies sowie elektronischen Textilien zusammengefasst und zwei zentrale Forschungsfragen untersucht. Wie kann Wearable Enhancement im Bereich Smart Health ethisch, sozial und ökologisch entwickelt und gestaltet werden? Inwiefern können textile Schnittstellen die Wahrnehmung und die Wahrnehmbarkeit des Körpers verändern? Mit der ersten Forschungsfrage sollen vorrangig Ansätze und Strategien der Sichtbarkeit für die Entwicklung und Gestaltung diskutiert werden, welche Aussagen für die Designpraxis, den Gestaltungs- und Designforschungsprozess sowie die Designlösungen selbst generieren sollen. Die zweite Forschungsfrage zielt darauf, Formen der Sichtbarmachung von sowie für Wearable Enhancement zu untersuchen.
Anhand von drei konkreten Fallstudien werden wesentliche Aspekte der Rezeption, Perzeption, Konstruktion, Konfiguration und Konzeption von soziotechnischen Artefakten zur Funktionssteigerung des menschlichen Körpers untersucht und verschiedene Formen der Sichtbarkeit und Sichtbarmachung entwickelt. In der Arbeit wird ein dual-angelegter transdisziplinärer Designforschungsansatz entwickelt und praktiziert, welcher sowohl die menschlichen Bedürfnisse der Nutzer*innen als auch die Weiterentwicklung von Technologien berücksichtigt. Auf dieser Grundlage wird versucht Anregungen für ein zukunftsfähiges und zugleich verantwortungsorientiertes Design zu geben.
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.
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 thesis addresses journalistic, administrative and judicial historical documentation to analyze the links between aridity and geographical imaginaries in the province of Catamarca (Argentina), from a historical point of view. The research aims to contribute to the understanding of the "non-hegemonic" versions of Modernity, its territoriality and the productions of geographic imaginaries that they involve. To provide a broad purpose, it raises as an object of study the ways in which "modern" practices, actors, links, discourses and expectations about the territory are mobilized when they are located in a space in "other" water conditions. those that are intended to "civilize" it.
The general objective of the research is to analyze time-space controversies around water in the city and valley of Catamarca towards 19th and 20th centuries. The specific objectives derived are a) analyzing how various actors are related to waters behavior - in other words, the local water regime – in Catamarca and the meanings built around it. b) to analyze the controversies about the place of Catamarca and its water regime in the local and national geographic imaginary. c) analyze controversies in which the relationships between actors and materialities involved in modernization projects are put into discussion.
These concerns by the experience of the actors and by the historical-spatial imagination of the territory, combined, led to the construction of an interdisciplinary methodology based on tools from anthropology, sociology, geography and history.
Open Innovation in kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) hat sich stark ausdifferenziert. Dabei zeigt die Empirie, dass KMU unterschiedliche Wege in der offenen Entwicklung von Innovationen begehen. Um die bestehende Literatur zu erweitern, wurden mit dieser Dissertation die Ziele verfolgt 1) offene Innovationsaktivitäten in KMU aus einer Prozessperspektive aufzudecken und genau zu beschreiben und 2) zu erklären, warum sich die Öffnung von Innovationsprozessen in KMU unterscheidet. Dafür wurde auf eine multiple Fallstudienanalyse zurückgegriffen. Untersuchungsobjekte waren kleine etablierte High-Tech Unternehmen aus den neuen Bundesländern. Die Ergebnisse zeigen sechs Prozessmodelle der offenen Innovationsentwicklung, beschrieben als Open Innovation Muster. Deskriptionen dieser Muster unter Berücksichtigung von formenden Innovationsaktivitäten, ausgetauschtem Wissen, beteiligten externen Akteuren und Gründen für und gegen Open Innovation vermitteln ein über den bisherigen Forschungsstand hinausgehendes Verständnis von Open Innovation in KMU. Zudem zeigen die Ergebnisse, dass die Entrepreneurial Orientation erklärt, warum KMU bei der Ausgestaltung von offenen Innovationsprozessen unterschiedlich vorgehen. In der Dissertation wird detailliert dargelegt, welche Open Innovation Muster sich anhand der Entrepreneurial Orientation von KMU (nicht-entrepreneurial bis entrepreneurial) zeigen. Die Ergebnisse liefern sowohl wissenschaftliche Implikationen, als auch Handlungsempfehlungen für die Unternehmenspraxis.
Reine Calciumsulfatbindemittel weisen eine hohe Löslichkeit auf. Feuchteinwirkung führt zudem zu starken Festigkeitsverlusten. Aus diesem Grund werden diese Bindemittel ausschließlich für Baustoffe und -produkte im Innenbereich ohne permanenten Feuchtebeanspruchung eingesetzt. Eine Möglichkeit, die Feuchtebeständigkeit zu erhöhen, ist die Beimischung puzzolanischer und zementärer Komponenten. Diese Mischsysteme werden Gips-Zement-Puzzolan-Bindemittel (kurz: GZPB) genannt.
Mischungen aus Calciumsulfaten und Portlandzementen allein sind aufgrund der treibenden Ettringitbildung nicht raumbeständig. Durch die Zugabe von puzzolanischen Stoffen können aber Bedingungen im hydratisierenden System geschaffen werden, welche eine rissfreie Erhärtung ermöglichen. Hierfür ist eine exakte Rezeptierung der GZPB notwendig, um die GZPB-typischen, ettringitbedingten Dehnungen zeitlich zu begrenzen. Insbesondere bei alumosilikatischen Puzzolanen treten während der Hydratation gegenüber rein silikatischen Puzzolanen deutlich höhere Expansionen auf, wodurch die Gefahr einer potenziellen Rissbildung steigt. Für die Erstellung geeigneter GZPB-Zusammensetzungen bedarf es daher einer Methodik, um raumbeständig erhärtende Systeme sicher von destruktiven Mischungen unterscheiden zu können.
Sowohl für die Rezeptierung als auch für die Anwendung der GZPB existieren in Deutschland keinerlei Normen. Darüber hinaus sind die Hydratationsvorgänge sowie die entstehenden Produkte nicht konsistent beschrieben. Auch auf die Besonderheiten der GZPB mit alumosilikatischen Puzzolanen wird in der Literatur nur unzureichend eingegangen.
Ziel war es daher, ein grundlegendes Verständnis der Hydratation sowie eine sichere Methodik zur Rezeptierung raumbeständig und rissfrei erhärtender GZPB, insbesondere in Hinblick auf die Verwendung alumosilikatischer Puzzolane, zu erarbeiten. Darüber hinaus sollte systematisch der Einfluss der Einzelkomponenten auf Hydratation und Eigenschaften dieser Bindemittelsysteme untersucht werden. Dies soll ermöglichen, die GZPB für ein breites Anwendungsspektrum als Bindemittel zu etablieren, und somit vorteilhafte Eigenschaften der Calciumsulfate (geringe Schwindneigung, geringe CO2-Emission etc.) mit der Leistungs-fähigkeit von Zementen (Wasserbeständigkeit, Festigkeit, Dauerhaftigkeit etc.) zu verbinden.
Als Ausgangsstoffe der Untersuchungen zu den GZPB wurden Stuckgips und Alpha-Halbhydrat als Calciumsulfatbindemittel in unterschiedlichen Anteilen im GZPB verwendet. Die Puzzolan-Zement-Verhältnisse wurden ebenfalls variiert. Als Puzzolan kam für den Großteil der Untersuchungen ein alumosilikatisches Metakaolin zum Einsatz. Als kalkspendende Komponente diente ein reiner Portlandzement.
Das Untersuchungsprogramm gliederte sich in 4 Teile. Zuerst wurde anhand von CaO- und pH-Wert-Messungen in Suspensionen sowie dem Längenänderungsverhalten von Bindemittelleimen verschiedener Zusammensetzungen eine Vorauswahl geeigneter GZPB-Rezepturen ermittelt. Danach erfolgten, ebenfalls an Bindemittelleimen, Untersuchungen zu den Eigenschaften der als geeignet eingeschätzten GZPB-Mischungen. Hierzu zählten Langzeitbetrachtungen zur rissfreien Erhärtung bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen sowie die Festigkeitsentwicklung im trockenen und feuchten Zustand. Im nächsten Schritt wurde anhand zweier exemplarischer GZPB-Zusammensetzungen (mit silikatischen und alumosilikatischen Puzzolan) die prinzipiell mögliche Phasenzusammensetzung unter Variation des Puzzolan-Zement-Verhältnisses (P/Z-Verhältnis) und des Calciumsulfatanteils im thermodynamischen Gleichgewichtszustand berechnet. Hier wurde im Besonderen auf Unterschiede der silikatischen und alumosilikatischen Puzzolane eingegangen. Im letzten Teil der Untersuchungen wurden die Hydratationskinetik der GZPB sowie die Gefügeentwicklung näher betrachtet. Hierfür wurden die Porenlösungen chemisch analysiert und Sättigungsindizes berechnet, sowie elektronenmikropische, porosimetrische und röntgenografische Untersuchungen durchgeführt. Abschließend wurden die Ergebnisse gesamtheitlich interpretiert, da die Ergebnisse der einzelnen Untersuchungsprogramme miteinander in Wechselwirkung stehen.
Als hauptsächliche Hydratationsprodukte wurden Calciumsulfat-Dihydrat, Ettringit und
C-(A)-S-H-Phasen ermittelt, deren Anteile im GZPB neben dem Calciumsulfatanteil und dem Puzzolan-Zement-Verhältnis auch deutlich vom Wasserangebot und der Gefügeentwicklung abhängen. Bei Verwendung von alumosilikatischen Puzzolans kommt es wahrscheinlich zur teilweisen Substitution des Siliciums durch Aluminium in den C-S-H-Phasen. Dies erscheint aufgrund des Nachweises der für diese Phasen typischen, folienartigen Morphologie wahrscheinlich. Portlandit wurde in raumbeständigen GZPB-Systemen nur zu sehr frühen Zeitpunkten in geringen Mengen gefunden.
In den Untersuchungen konnte ein Teil der in der Literatur beschriebenen, prinzipiellen Hydratationsabläufe bestätigt werden. Bei Verwendung von Halbhydrat als Calciumsulfatkomponente entsteht zuerst Dihydrat und bildet die Primärstruktur der GZPB. In dieses existierende Grundgefüge kristallisieren dann das Ettringit und die C-(A)-S-H-Phasen. In den GZPB sorgen entgegen der Beschreibungen in der Literatur nicht ausschließlich die
C-(A)-S-H-Phasen zur Verbesserung der Feuchtebeständigkeit und der Erhöhung des Festigkeitsniveaus, sondern auch das Ettringit. Beide Phasen überwachsen im zeitlichen Verlauf der Hydratation die Dihydratkristalle in der Matrix und hüllen diese – je nach Calciumsulfatanteil im GZPB – teilweise oder vollständig ein. Diese Umhüllung sowie die starke Gefügeverdichtung durch die C-(A)-S-H-Phasen und das Ettringit bedingen, dass ein lösender Angriff durch Wasser erschwert oder gar verhindert wird. Gleichzeitig wird die Gleitfähigkeit an den Kontaktstellen der Dihydratkristalle verringert.
Eine rissfreie und raumbeständige Erhärtung ist für die gefahrlose Anwendung eines GZPB-Systems essentiell. Hierfür ist die Kinetik der Ettringitbildung von elementarer Bedeutung. Die gebildete Ettringitmenge spielt nur eine untergeordnete Rolle. Selbst ausgeprägte, ettringitbedingte Dehnungen und hohe sich bildende Mengen führen zu frühen Zeitpunkten, wenn die Dihydratkristalle noch leicht gegeneinander verschiebbar sind, zu keinen Schäden. Bleibt die Übersättigung bezüglich Ettringit und somit auch der Kristallisationsdruck allerdings über einen langen Zeitraum hoch, genügen bereits geringe Ettringitmengen, um das sich stetig verfestigende Gefüge stark zu schädigen.
Die für die raumbeständige Erhärtung der GZPB notwendige, schnelle Abnahme der Ettringitübersättigung wird hauptsächlich durch die Reaktivität des Puzzolans beeinflusst. Die puzzolanische Reaktion führt zur Bindung des aus dem Zement stammenden Calciumhydroxid durch die Bildung von C-(A)-S-H-Phasen und Ettringit. Hierdurch sinkt die Calcium- und Hydroxidionenkonzentration in der Porenlösung im Verlauf der Hydratation, wodurch auch die Übersättigung bezüglich Ettringit abnimmt. Je höher die Reaktivität des Puzzolans ist, desto schneller sinkt der Sättigungsindex des Ettringits und somit auch der Kristallisationsdruck. Nach Unterschreiten eines noch näher zu klärendem Grenzwert der Übersättigung stagnieren die Dehnungen. Das Ettringit kristallisiert bzw. wächst nun bevorzugt in den Poren ohne eine weitere, äußere Volumenzunahme zu verursachen.
Um eine schadensfreie Erhärtung des GZPB zu gewährleisten, muss gerade in der frühen Phase der Hydratation ein ausreichendes Wasserangebot gewährleistet werden, so dass die Ettringitbildung möglichst vollständig ablaufen kann. Andernfalls kann es bei einer Wiederbefeuchtung zur Reaktivierung der Ettringitbildung kommen, was im eingebauten Zustand Schäden verursachen kann. Die Gewährleistung eines ausreichenden Wasserangebots ist im GZPB-System nicht unproblematisch. In Abhängigkeit der GZPB-Zusammensetzung können sich große Ettringitmengen bilden, die einen sehr hohen Wasserbedarf aufweisen. Deshalb kann es, je nach verwendeten Wasser-Bindemittel-Wert, im Bindemittelleim zu einem Wassermangel kommen, welcher die weitere Hydratation verlangsamt bzw. komplett verhindert. Zudem können GZPB-Systeme teils sehr dichte Gefüge ausbilden, wodurch der Wassertransport zum Reaktionsort des Ettringits zusätzlich behindert wird.
Die Konzeption raumbeständiger GZPB-Systeme muss anhand mehrerer aufeinander aufbauender Untersuchungen erfolgen. Zur Vorauswahl geeigneter Puzzolan-Zementverhältnisse eignen sich die Messungen der CaO-Konzentration und des pH-Wertes in Suspensionen. Als alleinige Beurteilungsgrundlage reicht dies allerdings nicht aus. Zusätzlich muss das Längenänderungs-verhalten beurteilt werden. Raumbeständige Mischungen mit alumosilikatischen Puzzolanen zeigen zu frühen Zeitpunkten starke Dehnungen, welche dann abrupt stagnieren. Stetige – auch geringe – Dehnungen weisen auf eine destruktive Zusammensetzung hin.
Mit diesem mehrstufigen Vorgehen können raumbeständige, stabile GZPB-Systeme konzipiert werden, so dass die Zielstellung der Arbeit erreicht wurde und ein sicherer praktischer Einsatz dieser Bindemittelart gewährleistet werden kann.
Numerical simulation of physical phenomena, like electro-magnetics, structural and fluid mechanics is essential for the cost- and time-efficient development of mechanical products at high quality. It allows to investigate the behavior of a product or a system far before the first prototype of a product is manufactured.
This thesis addresses the simulation of contact mechanics. Mechanical contacts appear in nearly every product of mechanical engineering. Gearboxes, roller bearings, valves and pumps are only some examples. Simulating these systems not only for the maximal/minimal stresses and strains but for the stress-distribution in case of tribo-contacts is a challenging task from a numerical point of view.
Classical procedures like the Finite Element Method suffer from the nonsmooth representation of contact surfaces with discrete Lagrange elements. On the one hand, an error due to the approximate description of the surface is introduced. On the other hand it is difficult to attain a robust contact search because surface normals can not be described in a unique form at element edges.
This thesis introduces therefore a novel approach, the adaptive isogeometric contact formulation based on polynomial Splines over hierarchical T-meshes (PHT-Splines), for the approximate solution of the non-linear contact problem. It provides a more accurate, robust and efficient solution compared to conventional methods. During the development of this method the focus was laid on the solution of static contact problems without friction in 2D and 3D in which the structures undergo small deformations.
The mathematical description of the problem entails a system of partial differential equations and boundary conditions which model the linear elastic behaviour of continua. Additionally, it comprises side conditions, the Karush-Kuhn-Tuckerconditions, to prevent the contacting structures from non-physical penetration. The mathematical model must be transformed into its integral form for approximation of the solution. Employing a penalty method, contact constraints are incorporated by adding the resulting equations in weak form to the overall set of equations. For an efficient space discretization of the bulk and especially the contact boundary of the structures, the principle of Isogeometric Analysis (IGA) is applied. Isogeometric Finite Element Methods provide several advantages over conventional Finite Element discretization. Surface approximation with Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) allow a robust numerical solution of the contact problem with high accuracy in terms of an exact geometry description including the surface smoothness.
The numerical evaluation of the contact integral is challenging due to generally non-conforming meshes of the contacting structures. In this work the highly accurate Mortar Method is applied in the isogeometric setting for the evaluation of contact contributions. This leads to an algebraic system of equations that is linearized and solved in sequential steps. This procedure is known as the Newton Raphson Method. Based on numerical examples, the advantages of the isogeometric approach
with classical refinement strategies, like the p- and h-refinement, are shown and the influence of relevant algorithmic parameters on the approximate solution of the contact problem is verified. One drawback of the Spline approximations of stresses though is that they lack accuracy at the contact edge where the structures change their boundary from contact to no contact and where the solution features a kink. The approximation with smooth Spline functions yields numerical artefacts in the form of non-physical oscillations.
This property of the numerical solution is not only a drawback for the
simulation of e.g. tribological contacts, it also influences the convergence properties of iterative solution procedures negatively. Hence, the NURBS discretized geometries are transformed to Polynomial Splines over Hierarchical T-meshes (PHT-Splines), for the local refinement along contact edges to reduce the artefact of pressure oscillations. NURBS have a tensor product structure which does not allow to refine only certain parts of the geometrical domain while leaving other parts unchanged. Due to the Bézier Extraction, lying behind the transformation from NURBS to PHT-Splines, the connected mesh structure is broken up into separate elements. This allows an efficient local refinement along the contact edge.
Before single elements are refined in a hierarchical form with cross-insertion, existing basis functions must be modified or eliminated. This process of truncation assures local and global linear independence of the refined basis which is needed for a unique approximate solution. The contact boundary is a priori unknown. Local refinement along the contact edge, especially for 3D problems, is for this reason not straight forward. In this work the use of an a posteriori error estimation procedure, the Super Convergent Recovery Solution Based Error Estimation Scheme, together with the Dörfler Marking Method is suggested for the spatial search of the contact edge.
Numerical examples show that the developed method improves the quality of solutions along the contact edge significantly compared to NURBS based approximate solutions. Also, the error in maximum contact pressures, which correlates with the pressure artefacts, is minimized by the adaptive local refinement.
In a final step the practicability of the developed solution algorithm is verified by an industrial application: The highly loaded mechanical contact between roller and cam in the drive train of a high-pressure fuel pump is considered.