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This dataset consists mainly of two subsets. The first subset includes measurements and simulation data conducted to validate the simulation tool ENVI-met. The measurements were conducted at the campus of the Bauhaus-University Weimar in Weimar, Germany and consisted of recording exterior air temperature, globe temperature, relative humidity, and wind velocity at 1.5 m at four points on four different days. After the measurements, the geometry of the campus was modelled and meshed; the simulations were conducted using the weather data of the measurements days with the aim of investigating the accuracy of the model.
The second data subset consists of ENVI-met simulation data of the potential of facade greening in improving the outdoor environment and the indoor air temperature during heatwaves in Central European cities. The data consist of the boundary conditions and the simulation output of two simulation models: with and without facade greening. The geometry of the models corresponded to a residential buildings district in Stuttgart, Germany. The simulation output consisted of exterior air temperature, mean radiant temperature, relative humidity, and wind velocity at 12 different probe points in the model in addition to the indoor air temperature of an exemplary building. The dataset presents both vertical profiles of the probed parameters as well as the time series output of the five-day simulation duration. Both data subsets correspond to the investigations presented in the co-submitted article [1].
Personalisierte Lüftung (PL) kann die thermische Behaglichkeit sowie die Qualität der eingeatmeten Atemluft verbessern, in dem jedem Arbeitsplatz Frischluft separat zugeführt wird. In diesem Beitrag wird die Wirkung der PL auf die thermische Behaglichkeit der Nutzer unter sommerlichen Randbedingungen untersucht. Hierfür wurden zwei Ansätze zur Bewertung des Kühlungseffekts der PL untersucht: basierend auf (1) der äquivalenten Temperatur und (2) dem thermischen Empfinden. Grundlage der Auswertung sind in einer Klimakammer gemessene sowie numerisch simulierte Daten. Vor der Durchführung der Simulationen wurde das numerische Modell zunächst anhand der gemessenen Daten validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Ansatz basierend auf dem thermischen Empfinden zur Evaluierung des Kühlungseffekts der PL sinnvoller sein kann, da bei diesem die komplexen physiologischen Faktoren besser berücksichtigt werden.
In this thesis, a generic model for the post-failure behavior of concrete in tension is proposed. A mesoscale model of concrete representing the heterogeneous nature of concrete is formulated. The mesoscale model is composed of three phases: aggregate, mortar matrix, and the Interfacial Transition Zone between them. Both local and non-local formulations of the damage are implemented and the results are compared. Three homogenization schemes from the literature are employed to obtain the homogenized constitutive relationship for the macroscale model. Three groups of numerical examples are provided.
Turbomachinery plays an important role in many cases of energy generation or conversion. Therefore, turbomachinery is a promising approaching point for optimization in order to increase the efficiency of energy use. In recent years, the use of automated optimization strategies in combination with numerical simulation has become increasingly popular in many fields of engineering. The complex interactions between fluid and solid mechanics encountered in turbomachines on the one hand and the high computational expense needed to calculate the performance on the other hand, have, however, prevented a widespread use of these techniques in this field of engineering. The objective of this work was the development of a strategy for efficient metamodel based optimization of centrifugal compressor impellers. In this context, the main focus is the reduction of the required numerical expense. The central idea followed in this research was the incorporation of preliminary information acquired from low-fidelity computation methods and empirical correlations into the sampling process to identify promising regions of the parameter space. This information was then used to concentrate the numerically expensive high-fidelity computations of the fluid dynamic and structure mechanic performance of the impeller in these regions while still maintaining a good coverage of the whole parameter space. The development of the optimization strategy can be divided into three main tasks. Firstly, the available preliminary information had to be researched and rated. This research identified loss models based on one dimensional flow physics and empirical correlations as the best suited method to predict the aerodynamic performance. The loss models were calibrated using available performance data to obtain a high prediction quality. As no sufficiently exact models for the prediction of the mechanical loading of the impellercould be identified, a metamodel based on finite element computations was chosen for this estimation. The second task was the development of a sampling method which concentrates samples in regions of the parameter space where high quality designs are predicted by the preliminary information while maintaining a good overall coverage. As available methods like rejection sampling or Markov-chain Monte-Carlo methods did not meet the requirements in terms of sample distribution and input correlation, a new multi-fidelity sampling method called “Filtered Sampling“has been developed. The last task was the development of an automated computational workflow. This workflow encompasses geometry parametrization, geometry generation, grid generation and computation of the aerodynamic performance and the structure mechanic loading. Special emphasis was put into the development of a geometry parametrization strategy based on fluid mechanic considerations to prevent the generation of physically inexpedient designs. Finally, the optimization strategy, which utilizes the previously developed tools, was successfully employed to carry out three optimization tasks. The efficiency of the method was proven by the first and second testcase where an existing compressor design was optimized by the presented method. The results were comparable to optimizations which did not take preliminary information into account, while the required computational expense cloud be halved. In the third testcase, the method was applied to generate a new impeller design. In contrast to the previous examples, this optimization featuredlargervariationsoftheimpellerdesigns. Therefore, theapplicability of the method to parameter spaces with significantly varying designs could be proven, too.
Für eine Abschätzung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und Quartieren können thermisch-energetische Simulationen eingesetzt werden. Grundlage dieser Simulationen sind geometrische und physikalische Gebäudemodelle. Die Erstellung des geometrischen Modells erfolgt in der Regel auf Basis von Bauplänen oder Vor-Ort-Begehungen, was mit einem großen Recherche- und Modellierungsaufwand verbunden ist. Spätere bauliche Veränderungen des Gebäudes müssen häufig manuell in das Modell eingearbeitet werden, was den Arbeitsaufwand zusätzlich erhöht. Das physikalische Modell stellt die Menge an Parametern und Randbedingungen dar, welche durch Materialeigenschaften, Lage und Umgebungs-einflüsse gegeben sind. Die Verknüpfung beider Modelle wird innerhalb der entsprechenden Simulations-software realisiert und ist meist nicht in andere Softwareprodukte überführbar. Mithilfe des Building Information Modeling (BIM) können Simulationsdaten sowohl konsistent gespeichert als auch über Schnittstellen mit entsprechenden Anwendungen ausgetauscht werden. Hierfür wird eine Methode vorgestellt, die thermisch-energetische Simulationen auf Basis des standardisierten Übergabe-formats Industry Foundation Classes (IFC) inklusive anschließender Auswertungen ermöglicht. Dabei werden geometrische und physikalische Parameter direkt aus einem über den gesamten Lebenszyklus aktuellen Gebäudemodell extrahiert und an die Simulation übergeben. Dies beschleunigt den Simulations-prozess hinsichtlich der Gebäudemodellierung und nach späteren baulichen Veränderungen. Die erarbeite-te Methode beruht hierbei auf einfachen Modellierungskonventionen bei der Erstellung des Bauwerksinformationsmodells und stellt eine vollständige Übertragbarkeit der Eingangs- und Ausgangswerte sicher.
Thermal building simulation based on BIM-models. Thermal energetic simulations are used for the estimation of the heating demand of buildings and districts. These simulations are based on building models containing geometrical and physical information. The creation of geometrical models is usually based on existing construction plans or in situ assessments which demand a comparatively big effort of investigation and modeling. Alterations, which are later applied to the structure, request manual changes of the related model, which increases the effort additionally. The physical model represents the total amount of parameters and boundary conditions that are influenced by material properties, location and environmental influences on the building. The link between both models is realized within the correspondent simulation soft-ware and is usually not transferable to other software products. By Applying Building Information Modeling (BIM) simulation data is stored consistently and an exchange to other software is enabled. Therefore, a method which allows a thermal energetic simulation based on the exchange format Industry Foundation Classes (IFC) including an evaluation is presented. All geometrical and physical information are extracted directly from the building model that is kept up-to-date during its life cycle and transferred to the simulation. This accelerates the simulation process regarding the geometrical modeling and adjustments after later changes of the building. The developed method is based on simple conventions for the creation of the building model and ensures a complete transfer of all simulation data.
Der vorliegende Beitrag beschreibt die Problematik bei der Prognose verkehrsbedingter Schadstoff-Immissionen. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung und der Aufbau einer Simulationsumgebung zur Evaluation von umweltorientierten Verkehrsmanagement-Strategien. Die Simulationsumgebung wird über die drei Felder Verkehr, Emission, Immission entwickelt und findet zunächst Anwendung in der Evaluation verkehrlicher Maßnahmen für die Friedberger Landstraße in Frankfurt am Main.
In this work, molecular separation of aqueous-organic was simulated by using combined soft computing-mechanistic approaches. The considered separation system was a microporous membrane contactor for separation of benzoic acid from water by contacting with an organic phase containing extractor molecules. Indeed, extractive separation is carried out using membrane technology where complex of solute-organic is formed at the interface. The main focus was to develop a simulation methodology for prediction of concentration distribution of solute (benzoic acid) in the feed side of the membrane system, as the removal efficiency of the system is determined by concentration distribution of the solute in the feed channel. The pattern of Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) was optimized by finding the optimum membership function, learning percentage, and a number of rules. The ANFIS was trained using the extracted data from the CFD simulation of the membrane system. The comparisons between the predicted concentration distribution by ANFIS and CFD data revealed that the optimized ANFIS pattern can be used as a predictive tool for simulation of the process. The R2 of higher than 0.99 was obtained for the optimized ANFIS model. The main privilege of the developed methodology is its very low computational time for simulation of the system and can be used as a rigorous simulation tool for understanding and design of membrane-based systems.
Highlights are, Molecular separation using microporous membranes. Developing hybrid model based on ANFIS-CFD for the separation process, Optimization of ANFIS structure for prediction of separation process
Für eine Abschätzung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden und Quartieren können thermisch-energetische Simulationen eingesetzt werden. Grundlage dieser Simulationen sind geometrische und physikalische Gebäudemodelle. Die Erstellung des geometrischen Modells erfolgt in der Regel auf Basis von Bauplänen oder Vor-Ort-Begehungen, was mit einem großen Recherche- und Modellierungsaufwand verbunden ist. Spätere bauliche Veränderungen des Gebäudes müssen häufig manuell in das Modell eingearbeitet werden, was den Arbeitsaufwand zusätzlich erhöht. Das physikalische Modell stellt die Menge an Parametern und Randbedingungen dar, welche durch Materialeigenschaften, Lage und Umgebungs-einflüsse gegeben sind. Die Verknüpfung beider Modelle wird innerhalb der entsprechenden Simulations-software realisiert und ist meist nicht in andere Softwareprodukte überführbar.
Mithilfe des Building Information Modeling (BIM) können Simulationsdaten sowohl konsistent gespeichert als auch über Schnittstellen mit entsprechenden Anwendungen ausgetauscht werden. Hierfür wird eine Methode vorgestellt, die thermisch-energetische Simulationen auf Basis des standardisierten Übergabe-formats Industry Foundation Classes (IFC) inklusive anschließender Auswertungen ermöglicht. Dabei werden geometrische und physikalische Parameter direkt aus einem über den gesamten Lebenszyklus aktuellen Gebäudemodell extrahiert und an die Simulation übergeben. Dies beschleunigt den Simulations-prozess hinsichtlich der Gebäudemodellierung und nach späteren baulichen Veränderungen. Die erarbeite-te Methode beruht hierbei auf einfachen Modellierungskonventionen bei der Erstellung des Bauwerksinformationsmodells und stellt eine vollständige Übertragbarkeit der Eingangs- und Ausgangswerte sicher.
Thermal building simulation based on BIM-models. Thermal energetic simulations are used for the estimation of the heating demand of buildings and districts. These simulations are based on building models containing geometrical and physical information. The creation of geometrical models is usually based on existing construction plans or in situ assessments which demand a comparatively big effort of investigation and modeling. Alterations, which are later applied to the structure, request manual changes of the related model, which increases the effort additionally. The physical model represents the total amount of parameters and boundary conditions that are influenced by material properties, location and environmental influences on the building. The link between both models is realized within the correspondent simulation soft-ware and is usually not transferable to other software products.
By Applying Building Information Modeling (BIM) simulation data is stored consistently and an exchange to other software is enabled. Therefore, a method which allows a thermal energetic simulation based on the exchange format Industry Foundation Classes (IFC) including an evaluation is presented. All geometrical and physical information are extracted directly from the building model that is kept up-to-date during its life cycle and transferred to the simulation. This accelerates the simulation process regarding the geometrical modeling and adjustments after later changes of the building. The developed method is based on simple conventions for the creation of the building model and ensures a complete transfer of all simulation data.
Urban and building energy simulation models are usually driven by typical meteorological year (TMY) weather data often in a TMY2 or EPW format. However, the locations where these historical datasets were collected (usually airports) generally do not represent the local, site specific micro-climates that cities develop. In this paper, a humid sub-tropical climate context has been considered. An idealised “urban unit model” of 250 m radius is being presented as a method of adapting commonly available weather data files to the local micro-climate. This idealised “urban unit model” is based on the main thermal and morphological characteristics of nine sites with residential/institutional (university) use in Hangzhou, China. The area of the urban unit was determined by the region of influence on the air temperature signal at the centre of the unit. Air temperature and relative humidity were monitored and the characteristics of the surroundings assessed (eg green-space, blue-space, built form). The “urban unit model” was then implemented into micro-climatic simulations using a Computational Fluid Dynamics – Surface Energy Balance analysis tool (ENVI-met, Version 4). The “urban unit model” approach used here in the simulations delivered results with performance evaluation indices comparable to previously published work (for air temperature; RMSE <1, index of agreement d > 0.9). The micro-climatic simulation results were then used to adapt the air temperature and relative humidity of the TMY file for Hangzhou to represent the local, site specific morphology under three different weather forcing cases, (ie cloudy/rainy weather (Group 1), clear sky, average weather conditions (Group 2) and clear sky, hot weather (Group 3)). Following model validation, two scenarios (domestic and non-domestic building use) were developed to assess building heating and cooling loads against the business as usual case of using typical meteorological year data files. The final “urban weather projections” obtained from the simulations with the “urban unit model” were used to compare the degree days amongst the reference TMY file, the TMY file with a bulk UHI offset and the TMY file adapted for the site-specific micro-climate (TMY-UWP). The comparison shows that Heating Degree Days (HDD) of the TMY file (1598 days) decreased by 6 % in the “TMY + UHI” case and 13 % in the “TMY-UWP” case showing that the local specific micro-climate is attributed with an additional 7 % (ie from 6 to 13 %) reduction in relation to the bulk UHI effect in the city. The Cooling Degree Days (CDD) from the “TMY + UHI” file are 17 % more than the reference TMY (207 days) and the use of the “TMY-UWP” file results to an additional 14 % increase in comparison with the “TMY + UHI” file (ie from 17 to 31 %). This difference between the TMY-UWP and the TMY + UHI files is a reflection of the thermal characteristics of the specific urban morphology of the studied sites compared to the wider city. A dynamic thermal simulation tool (TRNSYS) was used to calculate the heating and cooling load demand change in a domestic and a non-domestic building scenario. The heating and cooling loads calculated with the adapted TMY-UWP file show that in both scenarios there is an increase by approximately 20 % of the cooling load and a 20 % decrease of the heating load. If typical COP values for a reversible air-conditioning system are 2.0 for heating and 3.5 for cooling then the total electricity consumption estimated with the use of the “urbanised” TMY-UWP file will be decreased by 11 % in comparison with the “business as usual” (ie reference TMY) case. Overall, it was found that the proposed method is appropriate for urban and building energy performance simulations in humid sub-tropical climate cities such as Hangzhou, addressing some of the shortfalls of current simulation weather data sets such as the TMY.
Entwicklung eines Sommerreferenzjahres zur Bestimmung der sommerlichen Überhitzung von Gebäuden
(2015)
Die Ableitung von sommer-fokussierten warmen Referenzjahren aus langjährigen Klimadaten erfolgt in Europa bisher nach unterschiedlichen, länderspezifischen Methoden, die sich in der Regel allein auf die Trockentemperatur beziehen und in der Auswahl eines zusammenhängenden realen Sommerhalbjahres resultieren. Simulationsergebnisse zur sommerlichen Überhitzung von natürlich belüfteten Gebäuden in Deutschland und Großbritannien zeigen jedoch für einige Wetterstationen weniger Überhitzung für Simulationen mit dem sommer-fokussierten Referenzjahr als für solche mit dem entsprechenden Testreferenzjahr (TRY) für den gleichen Ort. Dies gilt insbesondere dann, wenn einzelne Monate miteinander verglichen werden. Neben der Wahl eines kompletten Halbjahres, das sowohl extrem warme als auch vergleichsweise kühle Monate beinhalten kann, liegt dies vor allem begründet in der fehlenden Berücksichtigung der Solarstrahlung bei der Auswahl eines warmen Referenzjahres, die jedoch eine wichtige Rolle für sommerliche Überhitzungserscheinungen in Gebäuden spielt. Eine verlässliche, allgemein anerkannte Methode zur Erstellung von sommer-fokussierten Referenzjahren erscheint daher auch im Hinblick auf die rechtlichen Rahmenbedingungen in der Europäischen Union, die Strategien zur natürlichen Belüftung von Neubauten und Sanierungen begünstigen, erforderlich. Diese Arbeit präsentiert einen Ansatz zur Erstellung eines Sommerreferenzjahres (Summer Reference Year – SRY) aus dem TRY eines gegebenen Ortes und langjährigen Klimadaten. Die existierenden TRY-Daten werden hierbei skaliert, um den Bedingungen für Trockentemperatur und Solarstrahlung von nah-extremen Kandidatenjahren zu entsprechen, die separat über einen statistischen Ansatz ausgewählt werden. Anschließend werden Feuchttemperatur, Windgeschwindigkeit und Luftdruck des TRY durch lineare Korrelationen mit der Trockentemperatur angepasst, um die entsprechenden SRY-Daten zu erhalten. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass das grundlegende Wettermuster des TRY erhalten bleibt und somit eine klare Relation zwischen SRY und TRY besteht, die eine Vergleichbarkeit von Simulationsergebnissen gewährleistet. Über vergleichende Gebäudesimulationen mit dem zugrundeliegenden TRY und langjährigen Klimadatensätzen kann nachgewiesen werden, dass sich das SRY zur Ermittlung sommerlicher Überhitzungserscheinungen in natürlich belüfteten Gebäuden eignet. Weiterhin kann gezeigt werden, dass das SRY im Gegensatz zur direkten Nutzung eines Kandidatenjahres für einen nah-extremen Sommer die Möglichkeit eines monatsscharfen Vergleichs mit dem TRY erlaubt und frei von wenig repräsentativen Besonderheiten ist, die in den entsprechenden Kandidatenjahren vorhanden sein können.
The increasing success of BIM (Building Information Model) and the emergence of its implementation in 3D construction models have paved a way for improving scheduling process. The recent research on application of BIM in scheduling has focused on quantity take-off, duration estimation for individual trades, schedule visualization, and clash detection.
Several experiments indicated that the lack of detailed planning causes about 30% non-productive time and stacking of trades. However, detailed planning still has not been implemented in practice despite receiving a lot of interest from researchers. The reason is associated with the huge amount and complexity of input data. In order to create a detailed planning, it is time consuming to manually decompose activities, collect and calculate the detailed information in relevant. Moreover, the coordination of detailed activities requires much effort for dealing with their complex constraints.
This dissertation aims to support the generation of detailed schedules from a rough schedule. It proposes a model for automated detailing of 4D schedules by integrating BIM, simulation and Pareto-based optimization.
Der Komplexität einer großen Baumaßnahme steht meist ein relativ unpräzises Termincontrolling gegenüber. Die Gründe dafür liegen in unzureichenden Baufortschrittsinformationen und der Schwierigkeit, eine geeignete Steuerungsmaßnahme auszuwählen. In der Folge kommt es häufig zu Terminverzügen und Mehrkosten.
Ziel der Arbeit war es, die realen Bau-Ist-Zustände eines Bauprojektes so genau zu erfassen, dass es möglich wird, täglich ein zutreffendes Abbild des Baufortschrittes und der Randbedingungen des Bauablaufes zu schaffen und mit Hilfe eines Simulationswerkzeuges nachzubilden. Zu diesem Zweck sollte ein Erfassungskonzept ausgearbeitet werden, mit dessen Hilfe unter Verwendung von Erfassungstechniken aussagekräftige sowie belastbare Daten zu einer auf die Anforderungen der Simulation abgestimmten Datenbasis zusammengeführt werden.
Um der Zielstellung gerecht zu werden, wurde anhand eines Beispiels ein Prozessmodell aufgebaut und definiert, welche Informationen zum Aufbau eines Simulationsmodells, das die reaktive Ablaufplanung unterstützt, erfasst werden müssen. Die einzelnen Prozessgrößen wurden detailliert beschrieben und die Erfassungsgrößen daraus abgeleitet. Weiterhin wurden Aussagen zur Prozessstrukturierung erarbeitet. Somit wurden Informationsstützstellen definiert.
Es wurden Methoden zur Erfassung des Bau-Ist-Zustandes hinsichtlich ihrer Eignung sowie Anwendungsmöglichkeiten analysiert und ausgewählte Anwendungsbeispiele für RFID, Barcodes und Bautagebücher dargestellt. Außerdem wurde betrachtet, welche Daten der baustelleneigenen Bauablaufdokumentation zur Belegung der Informationsstützstellen genutzt werden können. Diese Betrachtung stellte Dokumente in den Fokus, welche aufgrund von Vorschriften oder Vertragsbedingungen ohnehin auf Baustellen erfasst werden müssen.
Schließlich wurden die vorangegangenen Betrachtungen hinsichtlich der Erfassungsgrößen und der Erfassungsmethoden in einem Erfassungskonzept zusammengeführt und eine geeignete Kombination von Erfassungsmethoden entwickelt.
Der Baufortschritt soll anhand der Beschreibung, welchen Status die einzelnen Vorgänge angenommen haben, mit Hilfe eines digitalen Bautagebuchs erfasst werden. Die Randbedingungen, wie die Verfügbarkeit von Personal-, Material- und Geräteressourcen, werden mit Hilfe von RFID-Tags identifiziert, auf denen alle weiteren benötigten Informationen hinterlegt sind. Informationen über Ressourcen, welche geplante Termine wiedergeben, müssen ebenfalls im digitalen Bautagebuch hinterlegt und aktuell gehalten werden. Traditionelle Lieferscheine in Papierform müssen durch digitale Lieferscheine ersetzt werden.
Abgeschlossen wurde die Ausarbeitung des Erfassungskonzeptes durch Ansätze, mit deren Hilfe der Erfassungsaufwand reduziert werden kann. Zu diesem Zweck wurde eine hierarchische Ordnung des Erfassungskonzeptes eingeführt.
Im Ergebnis ist somit ein Erfassungskonzept entstanden, mit dessen Hilfe die realen Bau-Ist-Zustände einer Baumaßnahme so genau erfasst werden können, dass täglich ein zutreffendes Abbild des Baufortschrittes und der Randbedingungen des Bauablaufes in einer Simulations¬umgebung generiert werden kann. Die Erfassungskonzeption liefert eine Datenbasis, die auf die Anforderungen der Simulation abgestimmt ist.
The Bauhaus Summer School series provides an international forum for an exchange of methods and skills related to the interaction between different disciplines of modern engineering science.
The 2012 civil engineering course was held in August over two weeks at Bauhaus-Universität Weimar. The overall aim was the exchange
of research and modern scientific approaches in the field of model validation and simulation between well-known experts acting as lecturers
and active students. Besides these educational intentions the social and cultural component of the meeting has been in the focus. 48 graduate and doctoral students from 20 different countries and 22 lecturers from 12 countries attended this summer school. Among
other aspects, this activity can be considered successful as it raised the
sensitivity towards both the significance of research in civil engineering
and the role of intercultural exchange.
This volume summarizes and publishes some of the results: abstracts
of key note papers presented by the experts and selected student
research works. The overview reflects the quality of this summer school.
Furthermore the individual contributions confirm that for active students
this event has been a research forum and a special opportunity
to learn from the experiences of the researchers in terms of methodology
and strategies for research implementation in their current work.
6 Zusammenfassung und Ausblick
Die hydrothermal induzierte Phasentransformation konnte für ATZ-Keramik mit tiefenge-mittelten und tiefenaufgelösten Methoden charkterisiert und quantifiziert werden.
Die zeit- und temperaturabhängige Alterungskinetik von ATZ wurde durch neun Tempera-turstufen in einem Temperaturbereich von 50 °C bis 134 °C untersucht und die kinetischen Parameter nummerisch bestimmt. Für 3Y-TZP wurde diese Prozedur bei drei Temperaturen im Temperaturbereich von 70 °C bis 134 °C angewendet. Aufgrund des ARRHENIUS-Verhaltens der Umwandlungskinetik konnte der zeitliche Verlauf der isotherm stattfinden-den hydrothermal induzierten Phasentransformation bei Körpertemperatur simuliert wer-den. Die Simulation dient zur Bewertung der Langzeitstabilität von medizinischen Implanta-ten aus ATZ bzw. 3Y-TZP. Die Untersuchungen wurden in Wasser und in Wasserdampf bzw. wasserdampfgesättigter Luft durchgeführt. Die Langzeitsimulation für 3Y-TZP wurde an-hand von Explantat-Untersuchungen verifiziert.
ATZ zeigt gegenüber 3Y-TZP eine höhere Alterungsstabilität bezogen auf die zeitliche Ent-wicklung der monoklinen Phase. Im Hinblick auf die Oberflächenhärte, die durch die Pha-senumwandlung stark beeinflusst wird, erweist sich ATZ über einen langen Alterungszeit-raum stabiler als 3Y-TZP. Bis zu einem monoklinen Gehalt von 40 % beweist ATZ einen deutlichen Härtevorteil gegenüber 3Y TZP, dieser entspricht in der Langzeitsimulation für die Wasserlagerung ca. 35 Jahre. Das wirkt sich insbesondere bei Verschleißpaarungen wie beim künstlichen Hüftgelenk positiv aus.
Verschleißuntersuchungen an einer neu entwickelten Kugel-auf-Scheibe-Geometrie mit li-nearer Kinematik, die dem Hüftgelenk nachempfunden wurde, belegen die vorteilhaften Verschleißeigenschaften von ATZ in Form von sehr geringen Abtragsraten und einer intak-ten Oberfläche nach 720 000 absolvierten Zyklen. Dabei wurde sogar eine Aufhärtung der Oberfläche durch die Verschleißbeanspruchung um bis zu 8 % nachgewiesen.
Bei der tiefengemittelten Charakterisierung der hydrothermalen Alterung wurde in beiden Materialtypen festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Phasentransformation neben der Temperatur merklich von der Änderung der H2O-Stoffmengenkonzentrantion an der Ober-fläche der Keramik abhängig ist, was sich mit den unterschiedlichen Aktivierungsenergien für Wasser- bzw. Wasserdampflagerung belegen lässt. Die Aktivierungsenergie Ea der hyd-rothermalen Phasentransformation wurde mit Hilfe der ARRHENIUS-Beziehung ermittelt und beträgt für ATZ bei Wasserdampflagerung 102 kJ/mol und bei Wasserlagerung 92 kJ/mol. Für Y-TZP beträgt die Aktivierungsenergie 114 kJ/mol bei Wasserdampflagerung und 102 kJ/mol bei Wasserlagerung. Der resultierende präexponentielle Faktor k0 unterscheidet sich für Wasserlagerung und Wasserdampflagerung um eine Größenordnung, was auf einen leicht andersartigen thermisch aktivierten Gesamtprozess hinweist.
Der Avrami-Exponent n, der einen Hinweis auf den Mechanismus der Keimbildung sowie deren geometrische Ordnung geben kann, zeigte keine signifikante Abhängigkeit von der Temperatur und vom Umgebungsmedium. Er ist dagegen zeitabhängig und fällt mit zuneh-mender Alterungszeit, d.h. mit zunehmendem monoklinem Gehalt von ca. 4 auf 0,5 ab, was auf eine abnehmende Keimbildungsrate hindeutet. In Verbindung mit weiteren Untersu-chungen durch unabhängige und zum Teil tiefenauflösende Methoden wie GIXRD, NRA und Knoop-Mikrohärte-Messungen lässt sich der Alterungsmechanismus, bzw. sein zeitlicher und örtlicher Ablauf, durch die drei Stadien A, B und C beschreiben:
A 0-5 ma. % m-ZrO2 Quasi-homogene Keimbildung an bevorzugten Orten wie Kornkan-ten und Kornecken (n≈4), Wassertransport wahrscheinlich via Korngrenzendiffusion, Aufhärtung der Oberfläche
B 5-40 ma. % m-ZrO2 Keimbildung an den Korngrenzflächen bis zur Keimsättigung (n≈2), monokline Randschicht wächst zeitlich linear, Wassertransport konvektiv über Mikrorisse, deutlicher Härteverlust der Oberfläche
C ≥ 40 ma. % m-ZrO2 Wachstum der monoklinen Kristallite von den Korngrenzflächen in die tetragonalen Kristallite unter starker Verzwillingung (n≈0,5), Abnahme der tetragonalen Kristallitgröße, starke Mikrorissbildung, dramatischer Rückgang der Oberflächenhärte
Die Kristallitgröße der monoklinen Phase verbleibt im ATZ über alle drei Abschnitte bei 30 ±5 nm. Ein Anwachsen der Kristallite ist mechanische behindert. Kleinere monokline Kristallite sind im ATZ thermodynamisch instabil. Die Kristallitgröße der tetragonalen Phase fällt in den Abschnitten A und B sehr langsam und in C sehr schnell bis auf 25 nm ab. Bei dieser Kristallitgröße ist die tetragonale Phase gegenüber der monoklinen Phase thermody-namisch stabil. Diese residualen tetragonalen Kristallite weisen nach vollständigem Reakti-onsablauf einem Anteil von 7 ma. % auf. Der Sättigungsgehalt der monoklinen Phase betrug in beiden Materialen unabhängig von der Temperatur bzw. dem Umgebungsmedium 75 % der ZrO2-Phase.
In Abschnitt C besitzt die residuale tetragonale Phase eine starke Orientierung. Dadurch wird die geometrische Bedingtheit der hydrothermal induzierten Phasenumwandlung ver-deutlicht. Die monokline Phase ist über den gesamten Alterungsprozess stark nach m(1 1 1) orientiert, was mit einer bevorzugten Umklapprichtung der c-Achse zur freien Oberfläche hin verbunden ist.
Mit Hilfe der tiefenaufgelösten Phasenanalyse konnte die Wachstumsgeschwindigkeit der monoklinen Randschicht von der Oberfläche in das Volumen untersucht werden. Die Ge-schwindigkeit des Schichtwachstums ist in Abschnitt B nicht zeit- und tiefenabhängig, son-dern konstant mit ausgeprägtem ARRHENIUS-Verhalten (Temperaturabhängigkeit). Die Akti-vierungsenergie der Schichtwachstumsgeschwindigkeit km liegt in der gleichen Größenord-nung wie die der Transformationskonstante k.
Die Umwandlungszone schreitet also mit konstanter Geschwindigkeit in das Volumen fort und hinterlässt ein verzweigtes Mikro- und Nanoriss-System. FESEM-Aufnahmen bestätigen das Vorhandensein einer porösen Randschicht, durch die das Wasser nahezu ungehindert eindringen kann.
NRA Untersuchungen deuten in Stadium A auf Korngrenzendiffusion hin und bestätigen in Stadium B einen konvektiven Transport des Wassers an die Transformationszone. Eine Dif-fusion über Sauerstoffleerstellen im Gitter konnte anhand von Proben aus 8YSZ nicht nach-gewiesen werden. Dagegen kommt es in dem verzweigten Riss- und Porensystem in der gealterten Randschicht zum Rücktransport des Wassers an die Oberfläche, sobald die Pro-ben aus der hydrothermalen Atmosphäre genommen, an Luft gelagert oder in die Hochva-kuumkammer der NRA-Messapparatur eingeschleust werden.
Mikrostrukturelle Untersuchungen an eigens entwickelten Verschleißpaarungen zeigten nach 720000 Zyklen ähnliche Oberflächeneigenschaften wie im Alterungsstadium A. Man kann daher davon ausgehen, dass die Stadien B und C aus Stabilitätsgründen in der tribolo-gischen Kontaktzone nicht existieren können und es dass sich im Falle einer gleichzeitigen, hydrothermalen und tribologischen Beanspruchung um einen stationären Alterungs- und Verschleißprozess handelt. Durch quasiplastische Deformation der monoklinen und tetra-gonalen Kristallite wird die Verschleißrate und die Abriebpartikel bei einer hart /hart Paa-rung aus ATZ deutlich minimiert, so dass ATZ für die Hüftendoprothetik ein durchaus geeig-neten Werkstoff darstellt, der sich auf der Grundlage der in dieser Arbeit gewonnenen Daten über eine Imlantationsdauer von .mehr als 15 Jahre stabil verhalten kann.
In dieser Arbeit wird der Vortriebsprozess einer Erddruckschildmaschine in einem Simulationsmodell mit Hilfe der System Dynamics modelliert. Nach einer Einführung in den maschinellen Tunnelbau werden die Besonderheiten der Erddruckschildmaschine herausgestellt. Anschließend wird das betrachtete System mit dem Simulationskonzept der System Dynamics modelliert und in einem geeigneten Simulationstool implementiert.
Virtual reality systems offer substantial potential in supporting decision processes based purely on computer-based representations and simulations. The automotive industry is a prime application domain for such technology, since almost all product parts are available as three-dimensional models. The consideration of ergonomic aspects during assembly tasks, the evaluation of humanmachine interfaces in the car interior, design decision meetings as well as customer presentations serve as but a few examples, wherein the benefit of virtual reality technology is obvious. All these tasks require the involvement of a group of people with different expertises. However, current stereoscopic display systems only provide correct 3D-images for a single user, while other users see a more or less distorted virtual model. This is a major reason why these systems still face limited acceptance in the automotive industry. They need to be operated by experts, who have an advanced understanding of the particular interaction techniques and are aware of the limitations and shortcomings of virtual reality technology. The central idea of this thesis is to investigate the utility of stereoscopic multi-user systems for various stages of the car development process. Such systems provide multiple users with individual and perspectively correct stereoscopic images, which are key features and serve as the premise for the appropriate support of collaborative group processes. The focus of the research is on questions related to various aspects of collaboration in multi-viewer systems such as verbal communication, deictic reference, embodiments and collaborative interaction techniques. The results of this endeavor provide scientific evidence that multi-viewer systems improve the usability of VR-applications for various automotive scenarios, wherein co-located group discussions are necessary. The thesis identifies and discusses the requirements for these scenarios as well as the limitations of applying multi-viewer technology in this context. A particularly important gesture in real-world group discussions is referencing an object by pointing with the hand and the accuracy which can be expected in VR is made evident. A novel two-user seating buck is introduced for the evaluation of ergonomics in a car interior and the requirements on avatar representations for users sitting in a car are identified. Collaborative assembly tasks require high precision. The novel concept of a two-user prop significantly increases the quality of such a simulation in a virtual environment and allows ergonomists to study the strain on workers during an assembly sequence. These findings contribute toward an increased acceptance of VR-technology for collaborative development meetings in the automotive industry and other domains.
The structure and development of cities can be seen and evaluated from different points of view. By replicating the growth or shrinkage of a city using historical maps depicting different time states, we can obtain momentary snapshots of the dynamic mechanisms of the city. An examination of how these snapshots change over the course of time and a comparison of the different static time states reveals the various interdependencies of population density, technical infrastructure and the availability of public transport facilities. Urban infrastructure and facilities are not distributed evenly across the city – rather they are subject to different patterns and speeds of spread over the course of time and follow different spatial and temporal regularities. The reasons and underlying processes that cause the transition from one state to another result from the same recurring but varyingly pronounced hidden forces and their complex interactions. Such forces encompass a variety of economic, social, cultural and ecological conditions whose respective weighting defines the development of a city in general. Urban development is, however, not solely a product of the different spatial distribution of economic, legal or social indicators but also of the distribution of infrastructure. But to what extent is the development of a city affected by the changing provision of infrastructure? As
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.