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Theoretischer Teil:
Durch den Vergleich der Daten, die sowohl von den Instituten bzw. Statistikunternehmen z. B. Google, Bundesnetzagentur und Statista in Deutschland, 中国互联网络信息中心 in China, FIND in Taiwan usw. zur Verfügung gestellt wurden, als auch durch die von mir durchgeführten Umfragen in den jeweiligen Ländern, sowie durch die Interviews in Weimar, zeigen sich die kulturellen Unterschiede sowie die Gemeinsamkeiten bei der Nutzung des Smartphones. Darüber hinaus ergaben sich noch einige Konsequenzen bei den Interpretationen dieser Ergebnisse, die eng mit der Entstehung der kulturellen Unterschiede zusammenhängen.
Praktischer Teil:
Der erste Entwurf ist eine visuelle Tastatur. Um die Bildschirmtastatur zu verbessern, versucht type right ! (der Name meines Entwurfs) das Problem von Vertippen beim Eingeben zu lösen. type right ! hat zwei Schwerpunkte: 1. geänderte Positionen der Buchstaben und Zeichen und 2. geänderte Form der Taste.
Der zweite Entwurf handelt von einem Konzept einer App für die Integrationsmöglichkeit der Kommunikation.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entstehung eines ökonomischen Kraftmaßes am Beispiel der Maschine von Marly im Zeitraum von ca. 1680 bis 1840. Die Leitthese der Dissertation besagt, dass vom 17. zum 19. Jahrhundert eine grundlegende Transformation des Maschinenbegriffs stattfand, die als Übergang vom Substanzbegriff zum Funktionsbegriff der Maschine bezeichnet werden kann. Im 17. Jahrhundert wurden mechanische Apparate als in sich geschlossene, selbstbezügliche Strukturen aufgefasst. Als anschaulich erfahrbare Objekte konnten sie als Bildgeber dienen, die mittels des Verfahrens der Strukturanalogie Erklärungsmuster für verschiedenste Phänomene (Körper, Staat, Welt) boten. Demzufolge galten sie als selbstevident: sie waren erklärend und mussten selbst nicht erklärt werden. Ihr etwaiger Zweck und ihre Einbettung in gesellschaftliche Zusammenhänge spielten dabei keine Rolle. Wie anhand der Beschreibungen und Darstellungen aus jener Zeit nachgewiesen werden kann, wurde die Maschine von Marly innerhalb dieser Episteme als architektonisches Objekt wahrgenommen, bei dem vor allem das Zusammenspiel der einzelnen Elemente Aufmerksamkeit erregte. Wie andere Maschinen auch stand sie unter dem Primat der Sichtbarkeit. Man war davon überzeugt, dass die Eigenschaften einer Maschine von der strukturellen Anordnung ihrer Bauteile abhingen und glaubte, ihre Qualität an ihrer Gestalt ablesen zu können. Ab der Mitte des 18. Jahrhunderts tauchte die Maschine von Marly in den Schriften physiokratischer Autoren auf. Zuerst diente sie dort als Beispiel für die Verschwendungssucht Louis’ XIV. und als Metapher für eine schlechte Einrichtung des Staates. Doch zunehmend begann man, sie auch in ihrer Faktizität als technisch-politisches Objekt zu begreifen. Man kritisierte ihre aktuelle Nutzung und schlug andere Möglichkeiten ihrer Verwendung vor, etwa die Bewässerung von Feldern oder die städtische Trinkwasserversorgung. Damit war die Maschine von Marly nicht länger ein Modell für die Einrichtung des Staates, das nur am Maßstab der immanenten Perfektion beurteilt werden konnte. Vielmehr war sie nun ein Instrument der Regierung, das sich als Teil eines staatlich verfassten Gemeinwesens verantworten musste. Als solches wurde sie auch zu einem bevorzugten Gegenstand aufklärerischer Reformprojekte. Das zeigt sich besonders deutlich am Wettbewerb, den die Pariser Akademie der Wissenschaften 1784-1786 organisiert hatte und der Vorschläge zur Verbesserung oder Ersetzung der Maschine von Marly zum Gegenstand hatte. Die Auswertung der mehr als 100 eingereichten Projekte und Memoranden ermöglicht einen einzigartigen Blick auf die Hoffnungen und Wünsche, die Ende des 18. Jahrhunderts an die Erfindung technischer Geräte gekoppelt waren. Um 1800 kann man die allmähliche Entstehung eines Funktionsbegriffs der Maschine bemerken. Lazare Carnots Essai sur les machines en général, der eine in der Sprache der Algebra artikulierte Definition der Maschine beinhaltete, trug maßgeblich dazu bei, die Anschaulichkeit zugunsten eines operativen Symbolismus zu delegitimieren. Erst dadurch war die Formulierung eines Effizienzkalküls möglich. Ergänzt wurde diese Formalisierung durch den Diskurs der Industrialisierung, in dem technische Apparate zunehmend als Produktionsmittel verstanden wurden. Die Maschine von Marly war ein wichtiger Schauplatz für die Entstehung eines ökonomischen Kraftmaßes. Nicht nur wurden dort Experimente mit verschiedenen Messinstrumenten (Dynamometern) durchgeführt, auch diente sie Joseph Montgolfier als Beispiel um zu beweisen, dass Kraft als Geldwert ausgedrückt werden könne. In den ersten Jahrzehnten des 19. Jahrhundert wurden Maschinen schließlich relational als Positionen innerhalb eines nationalen Produktionssystems definiert. Sie galten als Krafttransformatoren, bei denen ein bestimmter Input von ‚force motrice’ einen entsprechenden Output von ‚travail utile’ ergeben würde. Ihre vornehmlichste Aufgabe war die möglichst effiziente Ausnutzung der Kraftressourcen. Den vorläufigen Endpunkt erreichte die Entstehung des ökonomischen Kraftmaßes um 1830 mit der Formulierung des Begriffs der ‚mechanischen Arbeit’.
Kritische Theorie des Ornaments – Zum Statuswandel der Ästhetik in der architektonischen Moderne
(2002)
Gegen die Kahlschlagmetapher von der "Liquidierung des Ornaments" steht im Zentrum der Dissertation die These vom Statuswandel des Ornaments in der architektonischen Moderne. Am Punkt des technologischen Paradigmenwechsels wird das Ornament im Spannungsfeld diskutiert zwischen der Maschinenproduktion zu Beginn des 20. Jhd. und der Virtualisierung der Kultur im Computerzeitalter, d.h. zwischen der vermeintlichen Abschaffung des Ornaments durch Loos (1910) und Eisenmans performativen Entwurfsverfahren (1990). Die Frage stellt sich, inwiefern die Ornamentproblematik der Moderne nicht als Vorgeschichte zur spezifischen Problematik der medialisierten Massenkultur und ihrer digitalen Bildlogik heute zu lesen wäre. Mit V. Sklovskij und S. Freud, M. Tafuri und K. M. Hays, aber auch zwischen Adornos Ästhetik der "Nicht-Identität" und Derridas "Parergonalität" geht es um die semiologische Reformulierung des Ornaments: im Übergang der Ästhetik der Moderne vom Dualismusprinzip zum Wiederholungsprinzip, von der affirmativen Rückbezüglichkeit zur kritischen Performativität und von der Objektproduktion zur Medialisierung der Kultur.
Koulu - Schule auf Finnisch : Funktions-, Raum- und Gestaltungskonzepte für neue Schulen in Finnland
(2008)
Beginnend mit einem historischen Rückblick auf die Entwicklung des Schulbaus in Finnland sowie einen Überblick zu den rechtlichen und organisatorischen Rahmenbedingungen für den Schulbau, wird in der Untersuchung dargestellt, dass in Finnland ein traditioneller Grundkonsens darüber besteht, dass Bildung eine besonders wichtige gesellschaftliche Aufgabe darstellt und Art sowie Umfang ihrer Erfüllung von herausragender Bedeutung für die Zukunft des Landes ist. Daher wird dem Thema „Schule“ nicht nur in der Theorie, sondern auch im praktischen Alltag ein ausgesprochen hoher Stellenwert beigemessen. Auch die Lernumgebung wird mit besonderer Sorgfalt gestaltet. Die Gestaltung zahlreicher finnischer Bildungsanstalten ist transparent und flexibel. Das Schulgebäude ist somit für zukünftige Anforderungen leicht adaptierbar. Zu diesem Zweck wird architektonische Vielfalt mit einem hohen Grad an Funktionalität verbunden, die gleichzeitig lokale Gegebenheiten und Bedürfnisse berücksichtigt. Prägend für die Funktions-, Raum- und Gestaltungskonzepte sind insbesondere der Baukörper und seine Form, die Erschließung der Schule und die Raumfolge innerhalb des Gebäudes, die Raumfunktion und Nutzung einzelner Bereiche sowie ein hohes Maß an räumlich-visueller Kommunikation und Transparenz, sowohl innerhalb der Klassencluster als auch zwischen unterschiedlichen Funktionsbereichen der Schulen. Diese Parameter wurden in der vorliegenden Studie anhand von zahlreichen Fallbeispielen eingehend untersucht und dokumentiert. Durch einen frühzeitig geführten, intensiven Dialog zwischen Behörden, Pädagogen und Architekten sind räumliche Konzepte entstanden, die das Erlernen von sozialen Kompetenzen, Teamfähigkeit und Gruppenarbeit unterstützen und fördern.
Der Entwurfsraum für den Entwurf eines Tragwerks ist ein n-dimensionaler Raum, der aus allen freien Parametern des Modells aufgespannt wird.
Traditionell werden nur wenige Punkte dieses Raumes durch eine numerische (computergestützte) Simulation evaluiert, meist auf Basis der Finite-Elemente-Methode.
Mehrere Faktoren führen dazu, dass heute oft viele Revisionen eines Simulationsmodells durchlaufen werden: Zum einen ergeben sich oft Planungsänderungen, zum anderen ist oft die Untersuchung von Planungsalternativen und die Suche nach einem Optimum wünschenswert.
In dieser Arbeit soll für ein vorhandenes Finite-Elemente-Framework die sequentielle Datei-Eingabeschnittstelle durch eine Netzwerkschnittstelle ersetzt werden, die den Erfordernissen einer interaktiven Arbeitsweise entspricht. So erlaubt die hier konzipierte Schnittstelle interaktive, inkrementelle Modelländerungen sowie Status- und Berechnungsergebnis-Abfragen durch eine bidirektionale Schnittstelle.
Die Kombination aus interaktiver numerischer Simulation und Interoperabilität durch die Anwendung von Konzepten zur Bauwerks-Informations-Modellierung im Tragwerksentwurf ist Ziel dieser Dissertation. Die Beschreibung der Konzeption und prototypischen Umsetzung ist Gegenstand der schriftlichen Arbeit.
Bauwerke sind in der Regel Unikate, für die meist eine komplette und aufwändige Neuplanung durchzuführen ist. Der Umfang und die Verschiedenartigkeit der einzelnen Planungsaufgaben bedingen ein paralleles Arbeiten der beteiligten Fachplaner. Darüber hinaus ist die Bauplanung ein kreativer und iterativer Prozess, der durch häufige Änderungen des Planungsmaterials und Abstimmungen zwischen den Fachplanern gekennzeichnet ist. Mithilfe von speziellen Fachanwendungen erstellen die Planungsbeteiligten verschiedene Datenmodelle, zwischen denen fachliche Abhängigkeiten bestehen. Ziel der Arbeit ist es, die Konsistenz der einzelnen Fachmodelle eines Bauwerks sicherzustellen, indem Abhängigkeiten auf Basis von Objektversionen definiert werden. Voraussetzung dafür ist, dass die Fachanwendungen nach dem etablierten Paradigma der objektorientierten Programmierung entwickelt wurden. Das sequentielle und parallele Arbeiten mehrerer Fachplaner wird auf Basis eines optimistischen Zugriffsmodells unterstützt, das ohne Schreibsperren auskommt. Weiterhin wird die Historie des Planungsmaterials gespeichert und die Definition von rechtsverbindlichen Freigabeständen ermöglicht. Als Vorbild für die Systemarchitektur diente das Softwarekonfigurationsmanagement, dessen Versionierungsansatz meist auf einem Client-Server-Modell beruht. Die formale Beschreibung des verwendeten Ansatzes wird über die Mengenlehre und Relationenalgebra vorgenommen, so dass er allgemeingültig und technologieunabhängig ist. Auf Grundlage dieses Ansatzes werden Konzepte für den Einsatz versionierter Objektmodelle im Bauwesen erarbeitet und mit einer Pilotimplementierung basierend auf einer Open-Source-Ingenieurplattform an einem praxisnahen Szenario verifiziert. Beim Entwurf der Konzepte wird besonderer Wert auf die Handhabbarkeit der Umsetzung gelegt. Das betrifft im Besonderen die hierarchische Strukturierung des Projektmaterials, die ergonomische Gestaltung der Benutzerschnittstellen und der Erzielung von geringen Anwortzeiten. Diese Aspekte sind eine wichtige Voraussetzung für die Effizienz und Akzeptanz von Software im praktischen Einsatz. Bestehende Fachanwendungen können durch geringen Entwicklungsaufwand einfach in die verteilte Umgebung integriert werden, ohne sie von Grund auf programmieren zu müssen.
Augrund des demographischen Wandels und der damit einhergehenden Abnahme der Bevölkerungszahlen in den ländlichen/peripheren Regionen der Bundesrepublik Deutschland sieht sich die öffentliche Hand mit rückläufigen Haushalten konfrontiert. Unterauslastungen von Einrichtungen der öffentlichen Daseinsvorsorge werden zukünftig nicht mehr finanzierbar sein. Raumordnungspolitisch postulierte Handlungsansätze einer notwendigen Anpassung der Infrastruktur an diese neue Situation liegen in der Neuordnung der Zentrale-Orte-Konzeption. In Folge daraus wird es zu einer Revision des Systems der Zentralen Orte kommen [BMVBW BBR 2005]. In Ableitung daraus müssen die vorhandenen Erreichbarkeitskriterien innerhalb der betroffenen (nachgeordneten) Straßennetzteile überprüft werden. Dem schließt sich die Frage nach differenzierten Ausbauqualitäten von Straßen an. Dieser Fragestellung widmet sich, unter Zuhilfenahme der wirtschaftlichen Bewertungsmethodik der Empfehlungen für Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen an Straßen, die vorliegende Arbeit. Im Gegensatz zu vorhandenen verkehrswirtschaftlichen Untersuchungen unterscheidet sich die vorliegende Arbeit durch die Implementierung zusammenhängender Netzstrukturen in gekannte Modellansätze. Über die ermittelten Bewertungsparameter konnten somit großräumige Effekte einer kleinräumig angelegten Reduzierung der Ausbauqualität von Straßen Berücksichtigung finden. Exemplarisch wurden anhand eines strukturdatenbasierten Nachfrage- und Umlenkungsmodells für ein nach speziellen Kriterien ausgesuchtes Untersuchungsgebiet die Eingangsgrößen für das angewendete wirtschaftliche Bewertungsverfahren bestimmt. Das Ausmaß der Empfindlichkeit gegenüber den monetären und teilweise inhaltichen Ansätzen wurde durch eine Sensitivitätsanalyse belegt. Im Ergebnis der vorliegenden Arbeit konnte für die nachgeordneten Straßennetze des Untersuchungsgebietes der Nachweis einer kostenoptimalen Ausbaugeschwindigkeit erbracht werden, d.h. in Bezug auf eine verkehrswirtschaftliche Betrachtung ist dort die Reduzierung der vorhandenen Ausbauqualität sinnvoll.
Im Rahmen des sich derzeit vollziehenden Wandels von der segmentierten, zeichnungsorientierten zur integrierten, modellbasierten Arbeitsweise bei der Planung von Bauwerken und ihrer Erstellung werden Computermodelle nicht mehr nur für die physikalische Simulation des Bauwerksverhaltens, sondern auch zur Koordination zwischen den einzelnen Planungsdisziplinen und Projektbeteiligten genutzt. Die gemeinsame Erstellung und Nutzung dieses Modells zur virtuellen Abbildung des Bauwerks und seiner Erstellungsprozesse, das sog. Building Information Modeling (BIM), ist dabei zentraler Bestandteil der Planung. Die Integration der Terminplanung in diese Arbeitsweise erfolgt bisher jedoch nur unzureichend, meist lediglich in der Form einer nachgelagerten 4D-Simulation zur Kommunikation der Planungsergebnisse. Sie weist damit im Verhältnis zum entstehenden Zusatzaufwand einen zu geringen Nutzen für den Terminplaner auf. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die tiefere Einbettung der Terminplanung in die modellbasierte Arbeitsweise. Auf Basis einer umfassende Analyse der Rahmenbedingungen und des Informationsbedarfs der Terminplanung werden Konzepte zur effizienten Wiederverwendung von im Modell gespeicherten Daten mit Hilfe einer Verknüpfungssprache, zum umfassenden Datenaustausch auf Basis der Industry Foundation Classes (IFC) und für das Änderungsmanagement mittels einer Versionierung auf Objektebene entwickelt.Die für die modellbasierte Terminplanung relevanten Daten und ihre Beziehungen zueinander werden dabei formal beschrieben sowie die Kompatibilität ihrer Granularität durch eine Funktionalität zur Objektteilung sichergestellt. Zur zielgenauen Extraktion von Daten werden zudem Algorithmen für räumliche Anfragen entwickelt. Die vorgestellten Konzepte und ihre Anwendbarkeit werden mittels einer umfangreichen Pilotimplementierung anhand von mehreren Praxisbeispielen demonstriert und somit deren praktische Relevanz und Nutzen nachgewiesen.
Architektonisches Entwerfen ist ein kreativer Prozess, der eine Lösung hervorbringt, die in ihrer Form und ihrer Funktionalität so noch nicht bestand. Resultat eines architektonischen Entwurfes ist ein Original, dessen Entstehen eine schöpferische Komponente erfordert. Dieser kreative Prozess ist nicht systematisierbar und kann auch nicht als Methode wiederholbar gemacht werden. Im Rahmen der architektonischen Lehre ist die Vermittlung von Methoden zur Entwurfsfindung jedoch ein wesentlicher Aspekt. Der hier vorgestellte Entwurf möchte zeigen, dass der Auffassung, allein intuitive Methoden als Entwurfsgrundlage zu nutzen, die Auffassung entgegen steht, eine reglementierte Methode zur Entwurfs- und Formfindung anzuwenden.
Eine solche reglementierte Methode wird hierbei als Entwurfsgrammatik bezeichnet.
In den 1950er Jahren entstehen zwei revolutionäre Werke des Komponisten und Architekten Iannis Xenakis: die Komposition Metastaseis und der Philips-Pavillon für die Weltausstellung in Brüssel. Basierend auf diesen Arbeiten wird eine Methode vorgestellt, welche musikalische Parameter in architektonischen Parameter transformiert.
Diese Methode bildet die Grundlage für ein exaktes räumliches Transformation-Modell, welches aus mathematischen Funktionen abgeleitet ist. Dabei weißt das Transformations-Modell eine starke Ähnlichkeit mit der Architektur des Pavillons auf.
Keine Ahnung? Landschaft!
(2018)
... soll auf den folgenden Seiten eine dritte Richtung angedeutet und vorgezeichnet werden, die ebenso Interesse am Erkenntnisgewinn durch das Thema Landschaft bekundet, dies hingegen aus der Umkehrung heraus erreichen will. Dreht man den Richtungspfeil, stehen wir ihr, der Landschaft, gegenüber. Vom Modus des Aktiven geraten wir in die Passivität. Damit wird eine Korrektur der Fragestellung möglich. Es entsteht eine Perspektive, die die Überlegungen zulässt: Was die Landschaft eigentlich mit uns macht?, welchen Horizont sie uns eröffnet und entstehen lässt, welche Bedeutung und welche Qualität wir dem ›Landschaftlichen‹ zuschreiben können, worin die Notwendigkeit ihres Erhalts und der Nutzen für die gegenwärtige Gesellschaft bestehen kann.
Das Ziel der Arbeit war die systematische Untersuchung zum Rb/K-Ionenaustauschverhalten von K(TiO)PO4-Einkristallen. Es wurde der Rb-Austauschgrad in Abhängigkeit von der Salzschmelzenzusammensetzung untersucht. Hierbei lag das Augenmerk auf der Einstellung des Austauschgleichgewichtes. Desweiteren wurde die Abhängigkeit des Rb/K-Diffusionskoeffizienten von der Salzschmelzenzusammensetzung untersucht. Die Austauschzeit wurde im Bereich 8 min - 16 h variiert. Mit einer Nitratschmelze aus 75 mol-% RbNO3 - 25 mol-% KNO3 wurde ein Rb-Austauschgrad von 0,29 +- 0,06 gefunden. Mit mehrfach geladenen Kationen betrug die Austauschzeit 8 min. Der höchste Rb-Austauschgrad wurde mit BiONO3 in der Schmelze gefunden (0,66) Der Rb/K-Diffusionskoeffizient erreicht mit mehrfach geladenen Kationen in der Schmelze Werte von etwa 1,0 * 10E-9 cm²/s. Die gefundene Anisotropie der Austauschgeschwindigkeit beträgt bei RbNO3-KNO3-Schmelzen etwa 100/1 und bei zweifach geladenen Kationen in der Schmelze etwa 250/1. Mittels Ionenaustausch wurde eine vorgegebene Gitterstruktur etwa 20 µm in die Tiefe eingebracht. Durch rein thermischen Ionenaustausch können extrem schmale und zugleich tiefe Austauschareale erzeugt werden.
Kampf gegen die Sonne
(2013)
Kampf gegen die Sonne,
Extrakt (Abdulbari Madi genannt Hakim Madi):
Wenn wir unsere Vergangenheit betrachten, schauen wir auch in das Gesicht unserer Gegenwart und Zukunft. Wir müssen danach streben, unser kulturelles Erbe und unsere traditionellen Wurzeln zu bewahren, um gleichzeitig von den Erfahrungen der Vergangenheit in den verschiedenen Bereichen des Lebens zu profitieren und sie mit unserer heutigen Umwelt und Kultur in Einklang zu bringen. Die von der UNESCO geschützte alte Stadt Ghadames mitten in der Wüste von Libyen ist ein solcher Ort, an dem mehr als 2.000 Jahre Geschichte spürbar zu greifen sind.
Die Arbeit beschäftige sich zum einen mit dem baulichen Erbe der Stadt Ghadames als kulturelle Errungenschaft im Wandel aktueller Besiedlungsformen unter besonderer Berücksichtigung des Phänomens „Licht und Schatten“. Die einzigartigen Licht- und Schatten-Effekte in Ghadames sind aber, verbunden mit einem Seitenblick auf die theoretischen Beschäftigung damit, Anlass für eine praktische künstlerische Auseinandersetzung mit diesem Aspekt auf photographischer Ebene. So ist als fester Bestandteil dieser Arbeit eine Fotoserie entstanden.
Titel der Arbeit ist „Kampf gegen die Sonne“. Er hat seine Berechtigung, denn der Sonne sind die Bewohner der Wüstenstadt Ghadames schon seit jeher ausgesetzt und haben daher verschiedene Strategien entwickelt, sich vor der sengenden Sonne zu schützen. Das spiegelt sich vor allem in der Architektur, aber auch in der speziellen Palmenbepflanzung.
Gebauter Schatten – ans Klima angepasste Architektur
Architektur sollte idealerweise mit den Bedingungen ihres Umfelds in Einklang stehen. Die arabische Welt ist besonders von ihren klimatischen Bedingungen und der Weite der Wüste geprägt, wobei die Sonneneinstrahlung eine wichtige Rolle spielt. Diese Naturelemente bestimmen die arabische Architektur tiefgreifend.
Architektur, die wie in Ghadames über viele Jahrhunderte als Reaktion auf ein heißes, trockenes Klima entstanden ist, ist gerade heute in Zeiten des sich bereits vollziehenden Klimawandels von besonderem Interesse. Auch in den gemäßigten Klimazonen Europas wird die Sonneneinstrahlung kontinuierlich intensiver und damit wird die Nachfrage nach einer den neuen klimatischen Bedingungen angepassten Bauweise zukünftig zunehmen. An dieser Stelle kann man sicher von den architektonischen Errungenschaften und der langen Erfahrung mit Architektur als gebauter Schatten, wie sie in der Altstadt von Ghadames praktiziert wird, profitieren. Gerade im Vergleich mit der Neustadt von Ghadames, bei der man eben nicht traditionelle Bauweisen und Materialien der Wüstenstadt berücksichtigt hat, sondern eine standardisierte Architektur unabhängig von klimatischen Besonderheiten eingesetzt wurde, wird deutlich, wie groß der Unterschied in der Lebensqualität ist.
Die Stadtplaner der Altstadt von Ghadames dagegen haben auf Klima und Wüstenlage Rücksicht genommen. Die Arbeit analysiert Punkt für Punkt, wie sich die Anpassung in Bauform und Material traditionell vollzieht: So wurden Gebäude mit geeigneten und vor Ort vorhandenen Baustoffen errichtet, die eine angemessene Klimatisierung erlauben. Eine spezielle Lehmbauweise passte sich den Bedingungen der Sahara mit glühender Hitze während des Tages und mit bitterer Kälte in der Nacht optimal an. Gebäude wurden mit sehr dicken Wänden errichtet und so konstruiert, dass durch winkelartige Aufbauten an den Außenwänden, Schatten auf die Oberflächen fallen und damit eine gewisse Feuchtigkeit entsteht, die Wärme absorbiert. Ausdehnung und Kontraktion der Baumaterialien konnten so kompensiert werden.
Diese Art der Lehmbauweise findet man bei verschiedenen Stämmen und Kulturen im weitläufigen Saharagebiet wie z.B. in Mali. Aber einzigartig in Ghadames ist, dass nicht einzelne Bauwerke, sondern eine komplette Stadt wie aus einem Guss gestaltet wurde. Nicht nur Häuser und Moscheen, sondern auch Straßen und Verbindungswege sind überdacht, so dass Ghadames bis auf einige wenige Lichthöfe als ein komplett gegen die Sonne nach oben abgeschirmtes Labyrinth bezeichnet werden kann. Manchmal wird Ghadames auch als unterirdische Stadt betitelt, was zwar gut den atmosphärischen Eindruck, der an einen Keller erinnert, beschreibt, aber sachlich falsch ist, da sie überirdisch erbaut ist. Die ganze Architektur ist ein Bollwerk gegen das sengende Sonnenlicht. Dabei geht es nicht darum, es vollständig abzuwehren, sondern es zu mildern.
Licht- und Schatten-Spiel
Dabei entstehen einzigartige Lichteffekte, die photographisch äußerst reizvoll sind. Dabei ist der Schatten wie allgemein bekannt ist, ein flüchtiges Phänomen, verändert sich je nach geographischer Lage und mit dem täglichen Lauf der Sonne. Die Bewegung der Schatten ist für die Entwicklung und Gestaltung von Räumen und Architektur von weitreichender Bedeutung. Am Baukörper zeigt sich das Wechselspiel von Körper und modellierendem Licht.
In der Stadt Ghadames gab es bis vor kurzem nur eine natürliche Beleuchtung, die über kleinere, verschließbare Öffnungen in der Decke erfolgte. Diese Straßenbeleuchtung hat so ihre eigene Ästhetik im Rhythmus von Licht und Schatten, dass in den Straßen selbst exzeptionelle Lichtkunstwerke sichtbar werden. Ähnliches gilt für die Wohnräume, bei denen das von oben einfallende Licht zusätzlich durch zahlreiche Spiegel vervielfacht und entsprechend den jeweiligen Bedürfnissen umgelenkt wurde.
Auch auf den Dächern zeigen sich architektonische Elemente, die nicht allein aus der Ästhetik erwachsen, sondern gleichzeitig praktischen Nutzen besitzen. Die Oberstadt war allein den Frauen vorbehalten, die sich hier unter sich frei bewegen konnten, aber selbstverständlich auch hier die Schattenplätze bevorzugten. Die Ecken der Häuser sind daher segelförmig ausgewölbt, so dass sich darunter bequem Schatten finden ließ. Sie verleihen der Stadt Ghadames ihre typische, von weitem sichtbare Zackenform.
Die Identität stiftende Rolle von Ghadames für Libyen
Es wird zunächst herausgearbeitet, welche Identität stiftende Rolle Ghadames für Libyen spielt und wie sich die für Ghadames typische eigene Kultur und Lebensform entwickeln konnte. Dabei werden die Bedingungen der Anpassung der Bewohner von Ghadames, geprägt durch verschiedene Einwanderungswellen, an Land und Umgebung, untersucht.
Die Arbeit bestätigt durch eine Analyse der aktuellen Photoszene, wobei sowohl traditionelle als auch moderne Photographien von Ghadames exemplarisch untersucht werden, die Vermutung, dass Ghadames Kristallisationspunkt des Umschwungs innerhalb der libyschen Photographie ist.
Ein weiteres Ziel der Arbeit war, anhand von eigenen künstlerischen Photos die Besonderheit von Licht und Schatten in der Stadt Ghadames aufzuzeigen. Dabei wird der Blick geöffnet für die außergewöhnlichen Perspektiven, die durch die Anwendung unterschiedlicher Phototechniken entstehen, und die dadurch hervorgerufenen künstlerischen Verfremdungseffekte.
Geschichte und Kultur von Ghadames
Dargestellt wird, wie sich diese Entwicklung im Laufe der Zeit verändert hat, wie Urbanisierung und Zivilisation der Menschen in der Vergangenheit auf die Gewohnheiten der Menschen in der Gegenwart eingewirkt haben und noch immer weiter einwirken. Dazu wird eine ausführliche Klimabeschreibung geliefert, sowie ein Abriss der verschiedenen historischen Epochen in Ghadames.
Rezeptionsgeschichte von Ghadames in der Photographie
Daran schließt sich ein Teil an, bei dem gezeigt werden konnte, dass Ghadames schon bei den Afrikaforschern im 19. Jh z.B. bei den Briten Gordon Leng und James Richardson sowie bei dem Deutsche Gerhard Rohlfs von besonderem Interesse war. Berichte bebilderte man zunächst mit Zeichnungen, wenig später dann mit Fotografien. Der erste Afrikareisende mit Fotodokumenten war Victor Langeau gegen Ende des 19.Jh. Daran schließt sich eine Betrachtung der Rezeption von Ghadames in der historischen Fotografie von Marcel und Roselyne Hongrois an, deren Photomaterial die Basis für die Betrachtung der zeitgenössischen Fotografie in Libyen bildet.
Dabei wird aufgezeigt welche Entwicklungsstufen die Photographie in Libyen durchlaufen hat. Repräsentative professionelle Auftragsarbeiten stehen am Anfang, dann folgt eine Phase stereotyper Familienphotos. Überschattes wird beides von der Propagandarolle der Fotografie, die nicht nur alle offiziellen Fotos bestimmt, sondern auch ein freies Photographieren aufgrund der strengen Zensur behindert. Daher entwickelt sich, trotz technischer Voraussetzungen erst verhältnismäßig spät die freie künstlerische Photographie. Da aber internationale Vorbilder in Form von Büchern, Seminaren, Ausstellungen oder andere Informationsquellen fehlen, gibt es kaum Anregungen und wenig eigene Themen.
Dieser Mangel an eigenen Ideen in Libyen ist der wichtigste Grund, diesbezüglich zu forschen und aktiv zu werden. „Licht und Schatten am Beispiel von Ghadames“ ist aber ein Thema, das auch für andere Photographen in Libyen hilfreich sein kann. Es eröffnet den Dialog und unterstützt die im Aufschwung befindliche Photographie in Libyen. Diese Arbeit ist als ein Beitrag zur wissenschaftlichen Forschung im Bereich Photographie gedacht, die in libyschen Bibliotheken und Archiven fehlt. Sie soll Anstoß geben, dass libysche Photographen in den internationalen Dialog einsteigen und immer wieder darüber nachdenken, was ist die Bedeutung und das Ziel der eigenen photographischen Arbeit ist.
Das Phänomen „Licht und Schatten“ in der Photographie und Malerei
Die Arbeit zeigt, dass das Spiel von Licht und Schatten auch in der eigenen Photoarbeit nicht nur rein ästhetisches Phänomen ist, sondern sich darin für Libyen so charakteristische Lichtverhältnisse spiegeln. Durch die geographische Lage ist die Sonneneinstrahlung intensiver, die Kontraste sind härter, die Schatten tiefer als in eher gemäßigten Zonen wie Europa oder Nordamerika. Die Sonne ist daher auch bedeutungsmäßig anders aufgeladen.
In der Malerei und Photographie spielen Licht und Schatten als Gestaltungsmittel eine bedeutende Rolle. Ein Überblick über einige der wichtigsten Vertreter in der Malerei und in der Photographie macht das im Rahmen der Arbeit deutlich. Dabei gilt es einen grundlegenden Unterschied zwischen den Gattungen zu beachten: Der Maler kann verschiedene Licht- und Farbeffekte für seine Bilder erfinden, der Photograph dagegen geht mit der Wirklichkeit um, er muss sich die Farben und die Beleuchtung suchen. Natürlich gibt es jetzt Photoshop, man kann damit manipulieren, aber entscheidend ist das gewünschte Resultat. Wenn man dokumentarisch arbeitet, dann muss man versuchen, das Bild so aufzunehmen, dass alles darauf ist, was man zeigen will. Und wenn man verblüffen will, etwa expressive Wirkungen haben will, muss man die entsprechenden Mittel einsetzen.
Mein eigener photographischer Ansatz
Mein photographischer Ansatz unterscheidet sich grundlegend von diesen Beispielen und entsteht aus einer Mittlerposition zwischen der europäischen und der arabischen Kultur. In meinen freien Arbeiten versuche ich mit einer nahezu abstrakten Bildauffassung, dem für Ghadames typischen Phänomen von Licht und Schatten näher zu kommen. Ghadames entstand als architektonische Gesamtkomposition, als gebauter Schattenfänger über einer Quelle mitten in der von der Sonne beherrschten Wüste. Schatten wird hier anders als in der europäischen Tradition als positiver, Leben spendender Zustand im Gegensatz zur sengenden und alles verbrennenden Sonne aufgefasst. Die Architektur der Stadt ist in idealer und einzigartiger Weise an die klimatischen Bedingungen und an den Lauf der Sonne angepasst. Diese gebaute Schattenskulptur ist mehr als Kulisse und Motiv für meine Photographie, denn in meiner Arbeit spiegeln sich Licht und Schatten auch als grundlegendes Thema der Photographie, bei der Hell- und Dunkelwerte das Lichtbild erschaffen. Photographie ist auf enge Weise mit dem Thema Licht und Schatten verbunden. Die Malerei versucht, die Dreidimensionalität mittels abgestufter Helligkeitswerte der einzelnen Farbtöne darzustellen und ist darin ziemlich frei, in der Photographie aber wird das Bild allein aus dem Licht geboren. Das Motiv wird aus Licht und Schatten moduliert. Wenn Licht auf einen dreidimensionalen Körper trifft, werden verschiedene Schattenformen wie Schlagschatten, Eigenschatten und Schattierungen erzeugt. Der Schatten spiegelt die Form eines Lebewesens oder Gegenstandes, der von Licht getroffen wird. Wo Schatten ist, ist auch Licht. Er ist zeitabhängig, vergänglich und wechselhaft.
Für mich als Photograph ist daher dieser Aspekt von Licht und Schatten in der Stadt Ghadames außerordentlich interessant. Im Arabischen steht der Begriff „Gamalyate“ für Schönheit. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht für mich darin, die herausragende Schönheit und Ästhetik des Lichts über die physikalisch-technischen Gegebenheiten hinaus durch meine künstlerische Photographie erfahrbar werden zu lassen,
Kontrastausgleich - Aufnahmen mit HDR
Die Malerei, insbesondere die Freilichtmalerei der Impressionisten, hat schon immer mit dem Problem gekämpft, die unterschiedlichen Lichtqualitäten von Außen- und Innenraum in einem Bild zu integrieren. Das ist ihnen mit malerischen Mitteln einfacher gelungen, weil sie sich vom Gegenstand insofern entfernen konnten, als sie einen Kontrastausgleich innerhalb ihrer Malerei vornahmen. Fensteransichten waren ein beliebtes Motiv, wobei man sowohl das Drinnen als auch das Draußen erkennt. Das Problem des Kontrastausgleiches habe ich bei meiner photographischen Arbeit gelöst, indem ich ein spezielles digitales Verfahren angewendet habe. Die Technik heißt HDR. Diese Technik lässt Modulationen in den Schattenbereichen zu und gleichzeitig moderiert sie auch die intensiven Lichter. Deshalb komme ich hier in diesen Ansichten zu einem dem natürlichen Seheindruck recht nahen Abbild, so wie die Besucher die Gänge erleben, weil das menschliche Auge von Natur aus in der Lage ist, den Kontrastumfang in einer viel besseren Art und Weise auszugleichen als es das Filmmaterial oder auch das digitale Material kann.
Die erwähnte HDR Technik führt mich zu Bildern, die fast ein wenig wie Zebras aussehen.
Schwarz und Weiß wechseln sich ab, gefolgt von Graunuancen. Diese Farbigkeit ist für mich neben diesen anderen beiden Werkgruppen der Gänge sehr interessant, weil dadurch auch die Darstellung der Verschachtelung und auch der Perspektiven in meinen Bildern gelingt. Besonders deutlich wird das, wenn man Aufnahmen des gleichen Motivs zu verschiedenen Tageszeiten, einmal mit weichem, einmal mit hartem Licht aufgenommen, gegenüberstellt.
Die Vorstellung des Gesamtwerkes der halleschen Architekten Julius Kallmeyer und Wilhelm Facilides, die sich Anfang der 1920er Jahre zu einer Zusammenarbeit entschlossen und eine Vielzahl interessanter Gebäude für die Saalestadt schufen, ist in der Fokussierung der Gesamtthematik der Lebens- und Werksdarstellung das Grundanliegen dieser Ausarbeitung. Dieses bisher nicht in Angriff genommene architekturgeschichtliche Anliegen beschäftigt sich mit den Ergebnissen der Bürogeschichte einer- und der Lebensgeschichte der Persönlichkeiten andererseits. Bis heute gelten die klassisch modernen Architekturen Kallmeyers & Facilides ́, gerade für den gehobenen Wohnhausbau in Halle an der Saale, als herausragende Leistungen.
In this thesis, a new approach is developed for applications of shape optimization on the time harmonic wave propagation (Helmholtz equation) for acoustic problems. This approach is introduced for different dimensional problems: 2D, 3D axi-symmetric and fully 3D problems. The boundary element method (BEM) is coupled with the isogeometric analysis (IGA) forming the so-called (IGABEM) which speeds up meshing and gives higher accuracy in comparison with standard BEM. BEM is superior for handling unbounded domains by modeling only the inner boundaries and avoiding the truncation error, present in the finite element method (FEM) since BEM solutions satisfy the Sommerfeld radiation condition automatically. Moreover, BEM reduces the space dimension by one from a volumetric three-dimensional problem to a surface two-dimensional problem, or from a surface two-dimensional problem to a perimeter one-dimensional problem. Non-uniform rational B-splines basis functions (NURBS) are used in an isogeometric setting to describe both the CAD geometries and the physical fields.
IGABEM is coupled with one of the gradient-free optimization methods, the Particle Swarm Optimization (PSO) for structural shape optimization problems. PSO is a straightforward method since it does not require any sensitivity analysis but it has some trade-offs with regard to the computational cost. Coupling IGA with optimization problems enables the NURBS basis functions to represent the three models: shape design, analysis and optimization models, by a definition of a set of control points to be the control variables and the optimization parameters as well which enables an easy transition between the three models.
Acoustic shape optimization for various frequencies in different mediums is performed with PSO and the results are compared with the benchmark solutions from the literature for different dimensional problems proving the efficiency of the proposed approach with the following remarks:
- In 2D problems, two BEM methods are used: the conventional isogeometric boundary element method (IGABEM) and the eXtended IGABEM (XIBEM) enriched with the partition-of-unity expansion using a set of plane waves, where the results are generally in good agreement with the linterature with some computation advantage to XIBEM which allows coarser meshes.
-In 3D axi-symmetric problems, the three-dimensional problem is simplified in BEM from a surface integral to a combination of two 1D integrals. The first is the line integral similar to a two-dimensional BEM problem. The second integral is performed over the angle of revolution. The discretization is applied only to the former integration. This leads to significant computational savings and, consequently, better treatment for higher frequencies over the full three-dimensional models.
- In fully 3D problems, a detailed comparison between two BEM methods: the conventional boundary integral equation (CBIE) and Burton-Miller (BM) is provided including the computational cost. The proposed models are enhanced with a modified collocation scheme with offsets to Greville abscissae to avoid placing collocation points at the corners. Placing collocation points on smooth surface enables accurate evaluation of normals for BM formulation in addition to straightforward prediction of jump-terms and avoids singularities in $\mathcal{O} (1/r)$ integrals eliminating the need for polar integration. Furthermore, no additional special treatment is required for the hyper-singular integral while collocating on highly distorted elements, such as those containing sphere poles. The obtained results indicate that, CBIE with PSO is a feasible alternative (except for a small number of fictitious frequencies) which is easier to implement. Furthermore, BM presents an outstanding treatment of the complicated geometry of mufflers with internal extended inlet/outlet tube as an interior 3D Helmholtz acoustic problem instead of using mixed or dual BEM.
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.
This thesis presents two new methods in finite elements and isogeometric analysis for structural analysis. The first method proposes an alternative alpha finite element method using triangular elements. In this method, the piecewise constant strain field of linear triangular finite element method models is enhanced by additional strain terms with an adjustable parameter a, which results in an effectively softer stiffness formulation compared to a linear triangular element. In order to avoid the transverse shear locking of Reissner-Mindlin plates analysis the alpha finite element method is coupled with a discrete shear gap technique for triangular elements to significantly improve the accuracy of the standard triangular finite elements.
The basic idea behind this element formulation is to approximate displacements and rotations as in the standard finite element method, but to construct the bending, geometrical and shear strains using node-based smoothing domains. Several numerical examples are presented and show that the alpha FEM gives a good agreement compared to several other methods in the literature.
Second method, isogeometric analysis based on rational splines over hierarchical T-meshes (RHT-splines) is proposed. The RHT-splines are a generalization of Non-Uniform Rational B-splines (NURBS) over hierarchical T-meshes, which is a piecewise bicubic polynomial over a hierarchical
T-mesh. The RHT-splines basis functions not only inherit all the properties of NURBS such as non-negativity, local support and partition of unity but also more importantly as the capability of joining geometric objects without gaps, preserving higher order continuity everywhere and allow local refinement and adaptivity. In order to drive the adaptive refinement, an efficient recovery-based error estimator is employed. For this problem an imaginary surface is defined. The imaginary surface is basically constructed by RHT-splines basis functions which is used for approximation and interpolation functions as well as the construction of the recovered stress components. Numerical investigations prove that the proposed method is capable to obtain results with higher accuracy and convergence rate than NURBS results.
This thesis addresses an adaptive higher-order method based on a Geometry Independent Field approximatTion(GIFT) of polynomial/rationals plines over hierarchical T-meshes(PHT/RHT-splines).
In isogeometric analysis, basis functions used for constructing geometric models in computer-aided design(CAD) are also employed to discretize the partial differential equations(PDEs) for numerical analysis. Non-uniform rational B-Splines(NURBS) are the most commonly used basis functions in CAD. However, they may not be ideal for numerical analysis where local refinement is required.
The alternative method GIFT deploys different splines for geometry and numerical analysis. NURBS are utilized for the geometry representation, while for the field solution, PHT/RHT-splines are used. PHT-splines not only inherit the useful properties of B-splines and NURBS, but also possess the capabilities of local refinement and hierarchical structure. The smooth basis function properties of PHT-splines make them suitable for analysis purposes. While most problems considered in isogeometric analysis can be solved efficiently when the solution is smooth, many non-trivial problems have rough solutions. For example, this can be caused by the presence of re-entrant corners in the domain. For such problems, a tensor-product basis (as in the case of NURBS) is less suitable for resolving the singularities that appear since refinement propagates throughout the computational domain. Hierarchical bases and local refinement (as in the case of PHT-splines) allow for a more efficient way to resolve these singularities by adding more degrees of freedom where they are necessary. In order to drive the adaptive refinement, an efficient recovery-based error estimator is proposed in this thesis. The estimator produces a recovery solution which is a more accurate approximation than the computed numerical solution. Several two- and three-dimensional numerical investigations with PHT-splines of higher order and continuity prove that the proposed method is capable of obtaining results with higher accuracy, better convergence, fewer degrees of freedom and less computational cost than NURBS for smooth solution problems. The adaptive GIFT method utilizing PHT-splines with the recovery-based error estimator is used for solutions with discontinuities or singularities where adaptive local refinement in particular domains of interest achieves higher accuracy with fewer degrees of freedom. This method also proves that it can handle complicated multi-patch domains for two- and three-dimensional problems outperforming uniform refinement in terms of degrees of freedom and computational cost.
The refurbishment of old buildings often goes hand in hand with an increase in both the dead and live loads. The latter, combined with the higher safety factors, often make the reinforcement of the old structures necessary. Most reinforcement methods involve transforming a structural timber member into a composite beam. Composite sections have a long tradition in timber construction. In the early days, multiple timber beams were connected with interlocking tooth and wooden shear connecters, which resulted in an elastic connection. Although historical timber structures are frequently upgraded, no method has yet been established and fully accepted by all stakeholders such as owners, builders, architects, engineers and cultural heritage organisations. Carbon fibre-reinforced polymers (CFRP) have already shown their efficiency in structural reinforcement especially in concrete structures. Moreover, previous studies have shown that CFRP has the potential to meet the expectations of all parties involved.
In order to reach the service-limit state, a high amount of carbon fibres has to be used, or considering the cost of reinforcement, prestress has to be applied. However, prestressing often goes hand-in-hand with delaminating issues. The camber method presented here offers an efficient solution for prestressing timber bending members and overcoming the known obstacles.
In the method proposed, the timber beam is cambered using an adjustable prop at midspan during the bonding of the CRFP-lamella to the lower side of the bending member. After curing the adhesive, the prop is removed and the prestressed composite beam is ready to be used. The prestress introduced in the system is not constant, but has a triangular shape and peaks at midspan, where it is used the most. The prestress force, which declines towards the end of the beam, leads to a constant shear stress over the whole length of the reinforcement,avoiding a concentrated anchorage zone.
An analytical calculation model has been developed to calculate and design prestressed timber-
bending members using the camber method. Numerical modelling, using a multi-surface plasticity model for timber, confirmed the results from the analytical model, and clearly reduced delaminating issues, comparing very favourably to traditional prestressing methods. The experimental parametric study, including the determination of the short-term loadbearing capacity of structural-sized beams, showed agreement with the analytical and numerical calculation. The prestressed reinforcement showed a benefit of nearly 50% towards the ultimate-limit state and up to 70% towards the service-limit state. Calculations revealed that the use of high modulus CFRP allows even higher benefits, depending on the configurations and requirements. The long-term design of the prestressed composite beam was investigated by extending the analytical model. The creep of the timber leads to a load transfer from the timber towards the CFRP, and therefore increases the benefit towards the ultimatelimit design. Applying high modulus CFRP-lamellas allows for a complete utilisation of the
design capacity of timber and carbon fibre-reinforced polymer.
The thorough investigation conducted demonstrated that the camber method is an efficient technique for prestressing and reinforcing timber-bending members. Furthermore, the calculation model presented allows for a safe design and estimation of long-term behaviour.
Piezoelectric materials are used in several applications as sensors and actuators where they experience high stress and electric field concentrations as a result of which they may fail due to fracture. Though there are many analytical and experimental works on piezoelectric fracture mechanics. There are very few studies about damage detection, which is an interesting way to prevent the failure of these ceramics.
An iterative method to treat the inverse problem of detecting cracks and voids in piezoelectric structures is proposed. Extended finite element method (XFEM) is employed for solving the inverse problem as it allows the use of a single regular mesh for large number of iterations with different flaw geometries.
Firstly, minimization of cost function is performed by Multilevel Coordinate Search (MCS) method. The XFEM-MCS methodology is applied to two dimensional electromechanical problems where flaws considered are straight cracks and elliptical voids. Then a numerical method based on combination of classical shape derivative and level set method for front propagation used in structural optimization is utilized to minimize the cost function. The results obtained show that the XFEM-level set methodology is effectively able to determine the number of voids in a piezoelectric structure and its corresponding locations.
The XFEM-level set methodology is improved to solve the inverse problem of detecting inclusion interfaces in a piezoelectric structure. The material interfaces are implicitly represented by level sets which are identified by applying regularisation using total variation penalty terms. The formulation is presented for three dimensional structures and inclusions made of different materials are detected by using multiple level sets. The results obtained prove that the iterative procedure proposed can determine the location and approximate shape of material subdomains in the presence of higher noise levels.
Piezoelectric nanostructures exhibit size dependent properties because of surface elasticity and surface piezoelectricity. Initially a study to understand the influence of surface elasticity on optimization of nano elastic beams is performed. The boundary of the nano structure is implicitly represented by a level set function, which is considered as the design variable in the optimization process. Two objective functions, minimizing the total potential energy of a nanostructure subjected to a material volume constraint and minimizing the least square error compared to a target
displacement, are chosen for the numerical examples. The numerical examples demonstrate the importance of size and aspect ratio in determining how surface effects impact the optimized topology of nanobeams.
Finally a conventional cantilever energy harvester with a piezoelectric nano layer is analysed. The presence of surface piezoelectricity in nano beams and nano plates leads to increase in electromechanical coupling coefficient. Topology optimization of these piezoelectric structures in an energy harvesting device to further increase energy conversion using appropriately modified XFEM-level set algorithm is performed .
Den Gegenstand der Dissertation bilden die Konzeption und die exemplarische Realisierung eines verknüpfungsbasierten Bauwerksmodellierungsansatzes zur Schaffung einer integrierenden Arbeits- und Planungsumgebung für den Lebenszyklus von Bauwerken. Die Basis der Integration bildet ein deklarativ ausgerichteter Bauwerksmodellverbund bestehend aus abstrahierten, domänenspezifischen Partialmodellen. Auf Grund der de facto existierenden Dynamik im Bauwerkslebenszyklus werden sowohl der Bauwerksmodellverbund als auch die einzelnen Partialmodelle dynamisch modifizierbar konzipiert und auf Basis spezieller Modellverwaltungssysteme technisch realisiert. Die Verständigung innerhalb der vorgeschlagenen Gesamtbauwerksmodellarchitektur basiert auf anwenderspezifisch zu erstellenden Verknüpfungen zwischen den Partialmodellen und wird im Sinne einer hybriden Modellarchitektur durch eine zentrale, die Verknüpfungen verwaltende Komponente koordiniert. Zur Verwaltung und Abarbeitung der Verknüpfungen wird der Einsatz von Softwareagenten im Rahmen eines Multiagentensystems vorgeschlagen und diskutiert.