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The work has studied the structure and properties of gypsum compositions modified with the manmade modifier based on metallurgical dust and multi-walled carbon nanotubes. The results show that changing the structure of solid gypsum leads to the increase in bending and compressive strength by 70,5% and 138% correspondingly, the water resistance increasing and the softening factor reaching 0,85. Modifying gypsum composition with complex additive leads to the formation of amorphous structures based on calcium hydrosilicates on the surface of primary gypsum crystallohydrates that bond gypsum crystals and reduce the access of water.
Die wachsende Notwendigkeit zur Energieeinsparung hat in verschiedenen Ländern zur Entwicklung von Prognosemodellen zur Bestimmung des Energiebedarfs im Wohnungssektor geführt. Obwohl Prognosemodelle prinzipiell eine Lösung zur Bestimmung des Energiebedarfs und zur Beurteilung der Auswirkungen von zukünftigen Energieeinsparmaßnahmen darstellen, sind die bestehenden Modelle jedoch mit Unwägbarkeiten in der Modellierung und Mängeln bezüglich der verwendeten Daten und Methodik behaftet.
In dieser Arbeit werden die Übertragbarkeit, Genauigkeit und stochastische Unsicherheit von zwölf Prognosemodellen (MAED-2, FfE-Gebäudemodell, CDEM, REM, CREEM, ECCABS, REEPS, BREHOMES, LEAP, DECM, CHM, BSM) analysiert, wobei Deutschland als Fallbeispiel verwendet wird. Zur Verbesserung der Übertragbarkeit der bestehenden Modelle werden Anpassungen vorgeschlagen. Außerdem wird für jedes Modell eine Bestimmung der einflussreichsten Parameter auf den simulierten Endenergiebedarf mit Hilfe einer Sensitivitätsanalyse vorgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass Modelle mit einem hohen Detaillierungsgrad nicht zwangsläufig genauere Ergebnisse für den Endenergiebedarf garantieren. Dennoch wurde festgestellt, dass Modelle mit einem niedrigen Detaillierungsgrad Ergebnisse mit größeren Unsicherheiten liefern als Modelle mit einem höheren Detaillierungsgrad. Es wurde weiterhin festgestellt, dass die einflussreichsten Parameter zur Bestimmung des Endenergiebedarfs im Wohnungssektor Innenraumtemperatur, Außentemperatur (Gradtagzahl), Bevölkerungsentwicklung und Anzahl der Gebäude/Wohnungen sind.
Auf der Grundlage der Erkenntnisse zur Bewertung bestehender Modelle und der Bestimmung der einflussreichsten Parameter wurde ein optimiertes Prognosemodell (Transferable Residential Energy Model, TREM) entwickelt. Mit dessen Hilfe wurde die Entwicklung des Endenergiebedarfs im deutschen Wohnungssektor sowie in anderen Ländern (Vereinigtes Königsreich und Chile) prognostiziert. Diese Ergebnisse wurden anschließend mit statistischen Daten verglichen. Das TREM-Modell bestimmt den Endenergiebedarf auf der Grundlage der wahrscheinlichsten Variationen der einflussreichsten Eingangsparameter mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation. Im Gegensatz zu bestehenden Modellierungsansätzen liefert das Modell damit auch einen Bereich mit Wahrscheinlichkeitsbändern für den zukünftigen Endenergiebedarf. Die Ergebnisse des TREM-Modells zeigen, dass das Modell genauere Ergebnisse liefern kann als derzeitige Modelle mit einem Mittelwert der prozentualen Differenz niedriger als 5% und einem Korrelationskoeffizienten r höher als 0,35 und darüber hinaus dazu geeignet ist, ohne Anpassungen eine Prognose der Entwicklung des zukünftigen Endenergiebedarfs im Wohnungssektor für unterschiedliche Länder zu erstellen.
This project proposes and applies a research strategy to understand types of cities using the case study of Bogotá. This strategy combines a conceptual framework developed around the notion of ‘centrality’ and ‘urban semiotics’ as a method of qualitative enquiry in order to comprehend complex spatial arrangements as significant constituents of cultural geographies. In this sense, this study problematizes current tendencies such as spatial fragmentation and challenges the argument that contemporary urban ensembles in Latin America are either homogenized within globalization trends or illegible entities with no structural coherence.
Bogotá is addressed as an instrumental case study to redraw generalizations developed from different methodological frameworks about the configuration process of spatial structures and their significance within the Latin American geography. Thus the study questions how urban centrality has evolved as an essential socio-cultural phenomenon and in this manner decodes the messages transmitted by main spatial arrangements. As a first step, the study discusses the construction of spatial meaning and its structural interpretation. In addition, the concept of centrality is examined in depth and an urban centrality typology is introduced to enable the analysis of spatial structures in socio-cultural terms. These contents are followed by the discussion of the existing approaches to the topic and their limitations. Subsequently, this research reconstructs the configuration of Bogotá’s spatial structure which is decoded in the last chapter.
The study concludes that the highly fragmented and uneven condition of urban space in Latin America can be read. The case study of Bogotá substantiates that there is a code that paradoxically provides spatial cohesiveness within unstable socio-spatial hierarchies. Such a spatial code is deciphered through the reading of Bogotá’s spatial structure whose super-centre denotes ‘the sacralisation of authoritarianism’. This is a ‘structural meaning’ related to a specific or intrinsic logic of spatial concentration that is useful for the further discussion of socio-spatial patterns and the meanings of Latin American cities. The concluding remarks integrate the main arguments and outline lines of action in spatial planning processes.
Maturation and Structure Formation Processes in Binders with Aqueous Alkali-Silicate Solutions
(2017)
Maturation and structure formation processes can lead to crack formation in silicate and aluminosilicate binders (e.g. for coating materials...) through restricted deformation, loss of strength and thus to loss of durability. These processes are evaluated with silicate materials with an outlook on aluminosilicate binders.
Bunker—TV, TV—Bunker: Heterotope Mechanismen am Beispiel von Schutzbauwerken und (Fernseh-)Serien
(2017)
Die vorliegende Dissertation widmet sich anhand eines kurios anmutenden, aber auf einer Metaebene fruchtbaren Vergleichs von Schutzbauwerken und Fernsehserien historischen und aktuellen Mechanismen menschlichen Denkens und Handelns.
Als theoretische Basis dieser Abhandlung fungiert die Heterotopie – ein Konzept des französischen Philosophen Michel Foucault. Die Heterotopie ist ein inflationär gebrauchtes, oft nur oberflächlich betrachtetes Theorem. Das Konzept wird hier nun mit Blick auf das Gesamtwerk Foucaults en détail untersucht sowie um korrelierende Ansätze (Augé, Lefebvre, Soja ...) ergänzt. Aus dieser Betrachtung lässt sich ein über Foucault hinausgehender, analytisch nutzbarer Katalog ableiten.
Verkürzt wird die Heterotopie folgendermaßen bestimmt: Neben der Definition der Heterotopie als Raum des Anderen, als (gesellschaftskritischer) Gegenraum kann sie dem wie auch immer bestimmten Normalraum unterstellt sein. Die Heterotopie ist möglicherweise eine bauliche Manifestation schwarz-weißen Denkens, von Ausgrenzung und sichtbarer Unsichtbarkeit, sie wird zur Realisation wie auch immer definierter Ideale oder Stereotypen. Die Heterotopie ist allerdings auch als ein (hybrides) Dazwischen denkbar, welches sich als katalytischer Raum, im dialektischen Sinne als Ort der Synthese äußert. Es könnte als Niemandsland oder als Phase (im Leben) charakterisiert werden.
Analog zum letzten Beispiel lässt sich die Heterotopie als progressiv-seriell beschreiben. Ihre stagnierend bis variierende Serialität kann sich im Betreten identischer Räume äußern – mal als verlässlich oder ermüdend empfunden.
Nicht nur die einem entsprechenden Raum entgegengebrachten Konnotationen sind vielfältig bis ambivalent, die Heterotopie ist neben real-räumlicher auch virtueller Fasson: Betonmauer finden bisweilen eine Entsprechung im einfachen Harmoniefernsehen. Einander heterotop gegenüberstehenden Räumen wird etwa mit der Figur Walter White in der komplexen Fernsehserie "Breaking Bad" entsprochen – ist er doch hin und her gerissen zwischen seiner biederen, aber geliebten Familie einerseits und der abstoßend gewalttätigen, aber extrovertierende Potentiale bergenden Drogenproduktion andererseits.
Die sogenannte Leihkörperschaft bzw. die Immersion lassen sich zur Beschreibung verschiedener Heterotopie-Erfahrungen nutzen. Dieses Eintauchen/Betreten wird hier als Rezeptionsphänomen zwischen sensomotorischer Illusion und inhaltlich-narrativem Sog, zw. Fixierung des Körpers und Einbezug desselbigen definiert.
Die beiden Untersuchungsfelder werden jeweils für sich historisch und theoretisch umrissen. Zum noch jungen Feld serieller Theorie/der Definition narrativer Typen (im TV bzw. dem Qualitätsfernsehen) wird ein einführender Überblick geboten.
Die praktischen Arbeiten setzen sich ästhetisch, narrativ und inhaltlich mit der Heterotopie auseinander: In "Habitat" und "Habitat 2" werden serielle Konzepte audiovisuell (u. a. als Fulldome-Version) erprobt. Dabei wird insbesondere das Heterotope im Konzept "Autor" untersucht – der Autor als distinkte und gleichsam konfliktbehaftete, in zahlreiche Subjekte zerlegte Figur. "Habitat 3" ist ein Publikationskonzept, welches mit etablierten (heterotopen) Strukturen des Sammelbands bricht und zugleich die heterotopen Facetten des fiktionalen Fernsehens simuliert.
Band I beinhaltet sowohl den theoretischen Teil der Promotion als auch die Erläuterung der praktischen Arbeiten. Band II ermöglicht einen Einblick in die konzeptionellen Prozesse hinter den drei künstlerischen Projekten.
In contemporary society, data representation is an important and essential part of many aspects of our daily lives. This thesis aims to contribute to our understanding on how people experience data and what role representational modality plays in the process of perception and interpretation. This research is grounded in phenomenology - I align my theoretical exploration to ideas and concepts from philosophical phenomenology, while also respecting the essence of a phenomenological approach in the choice and application of methods. Alongside offering a rich description of people’s experience of data representation, the key contributions I claim transcend four areas: theory, methods, design, and empirical findings. From a theoretical perspective, besides describing a phenomenology of human-data relations, I define, for the first time, multisensory data representation and establish a design space for the study of this class of representation. In relation to methodologies, I describe and deploy two methods to investigate different aspects of data experience. I blend the Repertory Grid technique with a focus group session and show how this adaption can be used to elicit rich design relevant insight. I also introduce the Elicitation Interview technique as a method for gathering detailed and precise accounts of human experience. Furthermore, I describe for the first time, how this technique can be used to elicit accounts of experience with data. My contribution to design relates to the creation of a series of bespoke data-driven artefacts, as well as describing an approach to design that I call Design Probes, which allows researchers to focus their enquiry on specific design features. To answer the research questions I set out in this thesis, I report on a series of empirical studies that used the aforementioned methods. The findings of these studies show, for instance, how certain representational modalities cause us to have heightened awareness of our body, some are more difficult to interpret than others, some rely heavily on instinct and each of them solicit us to reference external events during the process of interpretation. I conclude that a phenomenology of human-data relations show how representational modality affects the way we experience data, it also shows how this experience unfolds and it offers insight into particular moments such as the formation of meaning.
Settlement is human place to live and do various activities (Finch, 1980). Concept of settlement layout is closely associated with human and a set of thoughts and behaviors. In this case, idea of pattern of activities in a society that is core of a culture becomes main factor in process of formation of houses and environment in a settlement. Factors which affecting form (physical) of architecture in a settlement environment are socio-cultural, economic, and religious determinant factor that manifested architectural realization (Rapoport, 1969).
Yogyakarta as the continuation of kingdom city in the Java Island finally exists as an Islamic kingdom that still remain to survive up to now. Impacts of this issue is appearance of various Moslem settlements to support typical character of an Islamic Kingdom.
Mlangi is an area of oldest Moslem settlements in Yogyakarta has not been explored in details for progress especially in physical glasses recently. Everything basic group and individual who arrange houses and residences, starts from how it has spatial concept alone. Although concept is a very abstract thing to explain in details, but its existence can be detected by how they created their physical environment.
This research conducted by these research questions: (1) What are spatial concepts owned by people in Mlangi and (2) How do spatial concepts owned by the people affect the settlements pattern?
Process to search spatial concept owned by the people in Moslem residence, making Mlangi as study area, was approached by using phenomenological research method. The researcher have to self-involved directly in unstructured interviews, but remained in guideline framework of in interviews to make research process effective. Fistly, the researcher interviewed the key person, they are the head of Mlangi administration (pak Dukuh) in Mlangi and Sawahan. They were then give advices to who was capable person that could draw the spatial concept and had many story and knew the history of the settlements. Step by step of interview guided from one informant to next informant when the information had been told repeatedly. The next informant based on the last informant advice or who had close relationship with the last theme appeared. To complete the narration and draw the result of interview, researcher have to add additional information with photograph and descriptive picture that can be draw the settlement empirically.
In process, 17 information units which found in field were consistent with sequence of interview events and flowing of theme to theme associated with Moslem residence of residence. Finally the interviews succeeded in abstracting 16 themes that may be classified into historic, socio-cultural, and spatial-concept dimensions in Mlangi. Process of analysis to find spatial concept owned by the people in Moslem settlements was carried out by dialogue of themes to find available substantive relationship.
Four concepts successfully analyzed consist of concepts of personage, concept of religious implementation, concept of Jero-Jaba and concept of Interest. The four concepts are really associated with one and others in understanding how spatial concept owned by the people affects residence they occupy. Yet, concept of Jero-Jaba bases all concepts of people in Mlangi . This concept can be used to draw red yarn on how they utilize communal spaces in residence and layout rooms of their individual houses. This concept also eternalize residence patterns existing in Mlangi now where residence does not experience many changes from starting of this residence existence (from detection of generation currently still living), namely residence patterns concentrate on orientation to Masjid Pathok Negoro of Mlangi.
This research was opening the potential research area, at least for the sociology, anthropology and demography research interest. So many unique character in Mlangi if looked at from how they maintain their spatial concept and manifested in their daily activities. How the people will concern only for the religious activities and the economic concern only for survival aspect in live.
Keywords: spatial concept, moslem settlements, phenomenology method, Indonesia,
Welche Zukünfte?
(2017)
Ein aktuelles Thema in der Forschung der Betonindustrie ist die gezielte Steuerung des Erstarrens und der Entwicklung der (Früh)Festigkeit von Betonen und Mörteln. Aus ökonomischer Sicht sind außerdem die Reduktion der CO2-Emission und die Schonung von Ressourcen und Energie wichtige Forschungsschwerpunkte. Eine Möglichkeit zum Erreichen dieser Ziele ist es, die Reaktivität/Hydratation der silikatischen Klinkerphasen gezielt anzuregen. Neben den bereits bekannten Möglichkeiten der Hydratationsbeschleunigung (u.a. Wärmebehandlung, Zugabe von Salzen) bietet die Anwendung von Power-Ultraschall (PUS) eine weitere Alternative zur Beschleunigung der Zementhydratation. Da bis zum jetzigen Zeitpunkt noch keine Erfahrungen zum Einsatz von PUS in der Zementchemie vorliegen, sollen mit der vorliegenden Arbeit grundlegende Kenntnisse zum Einfluss von PUS auf das Fließ- und Erstarrungsverhalten von Zementsuspensionen erarbeitet werden.
Dazu wurde die Arbeit in fünf Hauptuntersuchungsabschnitte aufgeteilt.
Im ersten Teil wurden optimale PUS-Parameter wie Amplitude und Energieeintrag ermittelt, die eine effiziente Beschleunigung der Portlandzement(CEM I)hydratation bei kurzen Beschallzeiten und begrenzter Zementleimtemperaturerhöhung erlauben. Mit Hilfe unabhängiger Untersuchungsmethoden (Bestimmung des Erstarrungsbeginns, der Festigkeitsentwicklung, zerstörungsfreier Ultraschallprüfung, isothermer Wärmeflusskalorimetrie, hochauflösender Rasterelektronmikroskopie (REM) wurde die Wirkung von PUS auf den Hydratationsverlauf von CEM I-Suspensionen charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Behandlung von CEM I-Suspensionen mit PUS grundsätzlich ein beschleunigtes Erstarren und eine beschleunigte (Früh)Festigkeitsentwicklung hervorruft.
Anhand von REM-Untersuchungen konnte eindeutig nachgewiesen werden, dass die Beschleunigung der CEM I-Hydratation mit einer beschleunigten Hydratation der Hauptklinkerphase Alit korreliert. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden die Ursachen der Aktivierung der Alithydratation untersucht. Dazu wurden Untersuchungen an Einzelsystemen des CEM I (silikatische Klinkerphase) durchgeführt.
Es ist bekannt, das die Hydratation der Hauptklinkerphase Alit (in der reinen Form Tricalciumsilikat 3CaO*SiO2; C3S) durch Lösungs-/Fällungsreaktionen (Bildung von Calcium-Silikat-Hydrat Phasen, C-S-H Phasen) bestimmt wird. Mit Hilfe von Untersuchungen zur Auflösung (C3S) und Kristallbildung (C-S-H Phasen) in Lösungen und Suspensionen (Aufzeichnung der elektrischen Leitfähigkeit sowie Bestimmung der Ionenkonzentrationen der wässrigen Phase, REM-Charakterisierung der Präzipitate) wurde die Beeinflussung dieser durch eine PUS-Behandlung charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass in partikelfreien Lösungen (primäre Keimbildung) eine PUS-Behandlung keinen Einfluss auf die Kinetik der Kristallisation von C-S-H Phasen hervorruft. Das heißt, auch die durch PUS eingetragene Energie reicht offensichtlich nicht aus, um in Abwesenheit von Oberflächen die C-S-H Phasen Bildung zu beschleunigen. Das weist darauf hin, dass die Bildung von C-S-H Phasen nicht durch eine Beschleunigung von Ionen in der Lösung (erhöhte Diffusion durch Anwendung von PUS) hervorgerufen wird. Eine Beschleunigung des Kristallisationsprozesses (Keimbildung und Wachstum von C-S-H Phasen) durch PUS wird nur in Anwesenheit von Partikeln in der Lösung (Suspension) erzielt. Das belegen Ergebnisse, bei denen die Bildung erster C-S-H Phasen bei geringer Übersättigung (heterogene Keimbildung, in Anwesenheit von Oberflächen) erfolgt. Unter diesen Bedingungen konnte gezeigt werden, dass PUS innerhalb der ersten 30 Minuten der Hydratation eine erhöhte Fällung von ersten C-S-H Phasen bewirkt. Diese fungieren dann vermutlich während der Haupthydratation als Keim bzw. geeignete Oberfläche zum beschleunigten Aufwachsen von weiteren C-S-H Phasen. Weiterhin ist vorstellbar, dass (in Analogie zu anderen Bereichen der Sonochemie) PUS durch Kavitation Schockwellen hervorruft, welche Partikel und wässriges Medium beschleunigen und damit erhöhte Partikelbewegungen und -kollisionen induziert. Dies wiederum bewirkt, dass die anfänglich auf der C3S-Oberfläche gebildeten C-S-H Phasen teilweise wieder entfernt werden. Damit ist das Inlösunggehen von Ca- und Si-Ionen aus dem C3S weiterhin möglich. Um den genauen Mechanismus weiter zu charakterisieren sollten mit geeigneten Methoden weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss von PUS auf das Fließverhalten von CEM I-Suspensionen untersucht. Aus der Anwendung von PUS in anderen technischen Bereichen sind unter anderem Effekte wie das Entlüften, das Homogenisieren und das Dispergieren von Suspensionen und Emulsionen mittels PUS bekannt. Mit Hilfe der Bestimmung des Luftporengehaltes, Sedimentationsversuchen und cryo-SEM Untersuchungen wurde der Einfluss von PUS auf CEM I-Suspensionen charakterisiert. Die Ergebnisse belegen, dass durch PUS eine verbesserte Homogenität und Dispergierung der CEM I-Suspension erzielt wird. Damit wird für CEM I-Suspensionen unterschiedlichster w/z-Werte eine verbesserte Fließfähigkeit festgestellt. Ergebnisse der Bestimmung von Ausbreitmaßen und Trichterauslaufzeiten zeigen, dass PUS einen direkten Einfluss vor allem auf die Viskosität der CEM I-Suspensionen besitzt. Werden Fließmitteln (FM) der CEM I-Suspension zugegeben, wird nicht in jedem Fall eine verbesserte Fließfähigkeit festgestellt. Hier scheint unter bestimmten Voraussetzungen (w/z-Wert, FM-Gehalt, PUS) die Reaktion zwischen Aluminat- und Sulfatphase des Klinkers gestört. Zur eindeutigen Klärung dieses Sachverhaltes bedarf es jedoch weiterer quantitativer Untersuchungen zum Reaktionsumsatz.
Im dritten Teil der Arbeit wurden die am CEM I gewonnenen Erkenntnisse zum Einfluss von PUS auf die Hydratation an Portland-Hüttensand(HÜS)-Zement-Systemen verifiziert. Dafür
wurden auch in diesem Teil der Arbeit zunächst die optimalen PUS-Parameter festgelegt und der Einfluss auf das Erstarrung- und Erhärtungsverhalten dokumentiert. Untersuchungsmethoden sind unter anderem die Bestimmung des Erstarrungsbeginns und der (Früh)Festigkeitsentwicklung, Temperaturaufzeichnungen und isothermale Wärmeflusskalorimetrie sowie REM. Die Ergebnisse zeigen, dass auch die Reaktion von HÜS-Zementen durch PUS beschleunigt wird. Weiterführende Untersuchungen belegen, dass die erzielte Beschleunigung vorwiegend auf der Beschleunigung der Alitkomponente des CEM I beruht.
Im Fokus der Teile vier und fünf dieser Arbeit stand die Anwendbarkeit der PUS-Technik unter praktischen Bedingungen. Zum einen wurde die Anwendbarkeit von PUS in fertig gemischten Mörteln beurteilt. Anhand des Vergleichs wichtiger Frisch- und Festmörteleigenschaften unterschiedlich hergestellter Mörtel (beschallt im Anschluss an konventionelle Mischtechnik, beschallt im Anschluss an Suspensionsmischtechnik mit anschließender Zumischung der Gesteinskörnung und nicht beschallt) wird gezeigt, dass im Fall von Mörteln mit hohem Leimanteil eine durch PUS induzierte beschleunigte Festigkeitsentwicklung auch mit herkömmlichen Mischabläufen (ohne aufwendige Umstellung des Mischprozesses) möglich ist.
Abschließend wird untersucht, ob der Herstellungsprozess von Wandbauteilen im Fertigteilwerk durch den Einsatz von PUS optimiert werden kann und ob eine Einbindung der PUS-Technik in den Fertigungsprozess ohne größeren Aufwand möglich ist. Dazu wurden in einem ersten Schritt die Frisch- und Festbetoneigenschaften eines aktuell angewendeten selbstverdichtenden Betons im Labormaßstab (Mörtel) in Abhängigkeit einer PUS-Behandlung dokumentiert und mit der seiner unbeschallten Referenz verglichen. Aufgrund der durch PUS verursachten verbesserten Fließ- und Festigkeitseigenschaften kann die beschallte Mörtelrezeptur hinsichtlich Fließmittelgehalt und Dauer der Wärmebehandlung optimiert werden. Somit werden ca. 30 % der Fließmittelzugabe und 40 % der Dauer der Wärmebehandlung eigespart. Eine Einbindung der PUS-Technik in das betrachtete Fertigteilwerk ist nach Überprüfung der konstruktiven Gegebenheiten der Fertigungsstrukturen ohne größeren Aufwand möglich.
The fire resistance of concrete members is controlled by the temperature distribution of the considered cross section. The thermal analysis can be performed with the advanced temperature dependent physical properties provided by 5EN6 1992-1-2. But the recalculation of laboratory tests on columns from 5TU6 Braunschweig shows, that there are deviations between the calculated and measured temperatures. Therefore it can be assumed, that the mathematical formulation of these thermal properties could be improved. A sensitivity analysis is performed to identify the governing parameters of the temperature calculation and a nonlinear optimization method is used to enhance the formulation of the thermal properties. The proposed simplified properties are partly validated by the recalculation of measured temperatures of concrete columns. These first results show, that the scatter of the differences from the calculated to the measured temperatures can be reduced by the proposed simple model for the thermal analysis of concrete.
The thesis investigates at the computer aided simulation process for operational vibration analysis of complex coupled systems. As part of the internal methods project “Absolute Values” of the BMW Group, the thesis deals with the analysis of the structural dynamic interactions and excitation interactions. The overarching aim of the methods project is to predict the operational vibrations of engines.
Simulations are usually used to analyze technical aspects (e. g. operational vibrations, strength, ...) of single components in the industrial development. The boundary conditions of submodels are mostly based on experiences. So the interactions with neighboring components and systems are neglected. To get physically more realistic results but still efficient simulations, this work wants to support the engineer during the preprocessing phase by useful criteria.
At first suitable abstraction levels based on the existing literature are defined to identify structural dynamic interactions and excitation interactions of coupled systems. So it is possible to separate different effects of the coupled subsystems. On this basis, criteria are derived to assess the influence of interactions between the considered systems. These criteria can be used during the preprocessing phase and help the engineer to build up efficient models with respect to the interactions with neighboring systems. The method was developed by using several models with different complexity levels. Furthermore, the method is proved for the application in the industrial environment by using the example of a current combustion engine.
The world society faces a huge challenge to implement the human right of “access to sanitation”. More and more it is accepted that the conventional approach towards providing sanitation services is not suitable to solve this problem. This dissertation examines the possibility to enhance “access to sanitation” for people who are living in areas with underdeveloped water and wastewater infrastructure systems. The idea hereby is to follow an integrated approach for sanitation, which allows for a mutual completion of existing infrastructure with resource-based sanitation systems.
The notion “integrated sanitation system (iSaS)” is defined in this work and guiding principles for iSaS are formulated. Further on the implementation of iSaS is assessed at the example of a case study in the city of Darkhan in Mongolia. More than half of Mongolia’s population live in settlements where yurts (tents of Nomadic people) are predominant. In these settlements (or “ger areas”) sanitation systems are not existent and the hygienic situation is precarious.
An iSaS has been developed for the ger areas in Darkhan and tested over more than two years. Further on a software-based model has been developed with the goal to describe and assess different variations of the iSaS. The results of the assessment of material-flows, monetary-flows and communication-flows within the iSaS are presented in this dissertation. The iSaS model is adaptable and transferable to the socio-economic conditions in other regions and climate zones.
In the early 2000s the pre-Columbian, anthropologically produced black soil in the Amazon basin, „Terra Preta de Índio“, received greater scientific attention. Compared to the surrounding poor soils, this very fertile anthrosol contains significantly higher levels of microorganisms and nutrients. The reason for this was determined to be the likewise high levels of charred biomass. This stable carbon, now called biochar, has since been intensively examined as an option to improve soil and to store carbon.
Although the creation of Terra Preta was most likely based on a purposeful utilization of organic residues from households and gardens, biochar plays no role in the current recycling of bio-waste. However, the implementation of biochar could lead to many improvements. Results from agricultural research suggest that not only the yield capacity of soils can be increased but also the process performance of composting and biogas plants.
The latter is especially relevant since currently about 40% of all collected bio-waste in Germany is recycled in an energy-material cascade consisting of anaerobic digestion and composting. The use of biochar in this cascade could then sequentially increase biogas yields, reduce greenhouse gas emissions, and improve compost quality.
To realize the aforementioned advantages, the concept of biochar has to be integrated into the existing bio-waste cascade as practically as possible. This was done by the development of a theoretical scenario that allowed the analysis of energy and material flows to evaluate biochar’s recycling performance. Furthermore, the legal and economic framework were examined to assess the feasibility of the extended cascade and to suggest possible adjustments to the frameworks.
The gradual digitization in the architecture, engineering, and construction industry over the past fifty years led to an extremely heterogeneous software environment, which today is embodied by the multitude of different digital tools and proprietary data formats used by the many specialists contributing to the design process in a construction project. Though these projects become increasingly complex, the demands on financial efficiency and the completion within a tight schedule grow at the same time. The digital collaboration of project partners has been identified as one key issue in successfully dealing with these challenges. Yet currently, the numerous software applications and their respective individual views on the design process severely impede that collaboration.
An approach to establish a unified basis for the digital collaboration, regardless of the existing software heterogeneity, is a comprehensive digital building model contributed to by all projects partners. This type of data management known as building information modeling (BIM) has many benefits, yet its adoption is associated with many difficulties and thus, proceeds only slowly. One aspect in the field of conflicting requirements on such a digital model is the cooperation of architects and structural engineers. Traditionally, these two disciplines use different abstractions of reality for their models that in consequence lead to incompatible digital representations thereof.
The onset of isogeometric analysis (IGA) promised to ease the discrepancy in design and analysis model representations. Yet, that initial focus quickly shifted towards using these methods as a more powerful basis for numerical simulations. Furthermore, the isogeometric representation alone is not capable of solving the model abstraction problem. It is thus the intention of this work to contribute to an improved digital collaboration of architects and engineers by exploring an integrated analysis approach on the basis of an unified digital model and solid geometry expressed by splines. In the course of this work, an analysis framework is developed that utilizes such models to automatically conduct numerical simulations commonly required in construction projects. In essence, this allows to retrieve structural analysis results from BIM models in a fast and simple manner, thereby facilitating rapid design iterations and profound design feedback.
The BIM implementation Industry Foundation Classes (IFC) is reviewed with regard to its capabilities of representing the unified model. The current IFC schema strongly supports the use of redundant model data, a major pitfall in digital collaboration. Additionally, it does not allow to describe the geometry by volumetric splines. As the pursued approach builds upon a unique model for both, architectural and structural design, and furthermore requires solid geometry, necessary schema modifications are suggested.
Structural entities are modeled by volumetric NURBS patches, each of which constitutes an individual subdomain that, with regard to the analysis, is incompatible with the remaining full model. The resulting consequences for numerical simulation are elaborated in this work. The individual subdomains have to be weakly coupled, for which the mortar method is used. Different approaches to discretize the interface traction fields are implemented and their respective impact on the analysis results is evaluated. All necessary coupling conditions are automatically derived from the related geometry model.
The weak coupling procedure leads to a linear system of equations in saddle point form, which, owed to the volumetric modeling, is large in size and, the associated coefficient matrix has, due to the use of higher degree basis functions, a high bandwidth. The peculiarities of the system require adapted solution methods that generally cause higher numerical costs than the standard procedures for symmetric, positive-definite systems do. Different methods to solve the specific system are investigated and an efficient parallel algorithm is finally proposed.
When the structural analysis model is derived from the unified model in the BIM data, it does in general initially not meet the requirements on the discretization that are necessary to obtain sufficiently accurate analysis results. The consequently necessary patch refinements must be controlled automatically to allowfor an entirely automatic analysis procedure. For that purpose, an empirical refinement scheme based on the geometrical and possibly mechanical properties of the specific entities is proposed. The level of refinement may be selectively manipulated by the structural engineer in charge. Furthermore, a Zienkiewicz-Zhu type error estimator is adapted for the use with isogeometric analysis results. It is shown that also this estimator can be used to steer an adaptive refinement procedure.