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Die Gase Sauerstoff und Stickstoff werden für eine Vielzahl an technischen, industriellen, biologischen und medizinischen Einsatzzwecken benötigt. So liegen Anwendungsgebiete dieser Gase neben der klassischen metallverarbeitenden und der chemischen Industrie bei Sauerstoff vor allem in der Medizin, Verbrennungs- und Kläranlagenoptimierung sowie der Fischzucht und bei Stickstoff als Schutz- beziehungsweise Inertgas in der Kunststoffindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie dem Brandschutz.
Die Bereitstellung der Gase Sauerstoff und Stickstoff wird nahezu ausschließlich durch die Abtrennung aus der Umgebungsluft realisiert, welche aus ca. 78 Vol.-% Stickstoff, 21 Vol.-% Sauerstoff und 1 Vol.-% Spurengasen (Ar, CO2, Ne, He, ...) besteht. Am Markt etablierte Verfahren der Luftzerlegung sind das Linde-, das PSA- (pressure swing adsorption/Druckwechseladsorption) oder verschiedene Membran-Verfahren. Hierdurch werden die benötigten Gase entweder direkt vor Ort beim Verbraucher erzeugt (PSA- und Polymer-Membranverfahren: geringe Reinheiten) oder zentral in großen Anlagen hergestellt (Linde-Verfahren: hohe Reinheiten) und anschließend zum Verbraucher in Form von Flaschen- oder Tankgasen geliefert (Tansportkosten).
Für kleinere Verbraucher mit hohen Ansprüchen an die Reinheit des benötigten Sauerstoffs beziehungsweise Stickstoffs ergibt sich nur die Möglichkeit, die Gase als kostenintensive Transportgase zentraler Gaseversorger zu beziehen und sich somit in eine Abhängigkeit (Lieferverträge, Flaschen-/Tankmieten, ...) zu diesen zu begeben sowie eine eigene Lagerhaltung für die benötigten Gase (Mehraufwand, Lagerkosten, Platzbedarf) zu betreiben.
Ziel dieser Arbeit ist es, keramische Material-Systeme auf Basis chemischer Hochtemperatur-Reaktionen als Reaktive Oxidkeramiken zu entwickeln und diese hinsichtlich eines möglichen Einsatzes für die Sauerstoffseparation in neuartigen Luftzerlegungsanlagen zu untersuchen.
Derartige Anlagen sollen in ihrem Prinzip an die regenerative Sauerstoffseparation angelehnt sein und in ihren Reaktoren die Reaktiven Oxidkeramiken als Festbett-Material abwechselnd mit Luft be- und Vakuum oder O2-armen Atmosphären entladen.
Die Verwendung Reaktiver Oxidkeramiken, welche im Vergleich zu den bisherigen Materialien höhere Sauerstoffaustauschmengen und -raten bei gleichzeitig hoher Lebensdauer und Korrosionsbeständigkeit sowie relativ einfacher Handhabe aufweisen würden, soll ein Schritt in Richtung einer effizienten alternativen Luftzerlegungstechnologie sein.
Mit den Reaktiven Oxidkeramiken in einer Luftzerlegungsanlage sollte es im besten Fall möglich sein, in kleinen Anlagen sehr reinen Sauerstoff und zugleich sauerstofffreies Inertgas zu erzeugen sowie eine Sauerstoffan- oder -abreicherung von Luft, Prozess- oder Abgasen zu generieren.
Somit besäße eine solche, auf Reaktiven Oxidkeramiken basierende Technologie sehr weit gefächerte Einsatzgebiete und demzufolge ein enormes wirtschaftliches Potential.
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.
Recent years have seen a gradual shift in focus of international policies from a national and regional perspective to that of cities, a shift which is closely related to the rapid urbanization of developing countries. As revealed in the 2011 Revision of the World Urbanization Prospects published by the United Nations, 51% of the global population (approximately 3.6 billion people) lives in cities. The report predicts that by 2050, the world’s urban population will increase by 2.3 billion, making up 68% of the population. The growth of urbanization in the next few decades is expected to primarily come from developing countries, one third of which will be in China and India.
With rapid urbanization and the ongoing growth of mega cities, cities must become increasingly resilient and intelligent to cope with numerous challenges and crises like droughts and floods arising from extreme climate, destruction brought by severe natural disasters, and aggregated social contradictions resulting from economic crises. All cities face the urban development dynamics and uncertainties arising from these problems. Under such circumstances, cities are considered the critical path from crisis to prosperity, so scholars and organizations have proposed the construction of “resilient cities.” On the one hand, this theory emphasizes cities’ defenses and buffering capacity against disasters, crises and uncertainties, as well as recovery after destruction; on the other hand, it highlights the learning capacity of urban systems, identification of opportunities amid challenges, and maintenance of development vitality. Some scholars even believe that urban resilience is a powerful supplement to sustainable development. Hence, resilience assessment has become the latest and most important perspective for evaluating the development and crisis defense capacity of cities.
Rather than a general abstract concept, urban resilience is a comprehensive measurement of a city’s level of development. The dynamic development of problems is reflected through quantitative indicators and appraisal systems not only from the perspective of academic research, but also governmental policy, so as to scientifically guide development, and measure and compare cities’ development levels. Although international scholars have proposed
quantitative methods for urban resilience assessment, they are however insufficiently systematic and regionally adaptive for China’s current urban development needs. On the basis of comparative study on European and North American resilient city theories, therefore, this paper puts forwards a theoretical framework for resilient city systems consistent with China’s national conditions in light of economic development pressure, natural resource depletion, pollution, and other salient development crises in China. The key factors influencing urban resilience are taken into full consideration; expert appraisal is conducted based on the Delphi Method and the analytic hierarchy process (AHP) to design an extensible and updatable resilient city evaluation system which is sufficiently systematic, geographically adaptable, and sustainable for China’s current urban development needs. Finally, Changsha is taken as the main case for empirical study on comprehensive evaluation of similar cities in Central China to improve the indicator system.
Focusing on the neoliberal symbolic urban reconstruction of the Macedonian capital, known as “Skopje 2014”, the PhD work deals with urban space production through storytelling. Embracing the criticism put forward in the political, cultural and social debates that have spun around Skopje’s reconstruction, the artistic-based research sought to relate and analyze the symbolic narratives of “Skopje 2014” and the vernacular and civic narratives of Skopje and locate overlapping, divergent, complementary or conflictual aspects of their respective narrative structures. Informed by subjective citizens’ stories and experiences of the urban as well as binaural sonic observations of the city, the research findings were presented in the form of an interactive audio guided walk through the city. The thesis is organized in three chapters, preceded by an INTRODUCTION and followed by a CONCLUSION. CHAPTER ONE sets the theoretical context, presents the case study “Skopje 2014”, and discusses the research design. The audio guided walk is presented in CHAPTER TWO. Its content consists of five tracks, or subchapters, conceptualized and named as five different aspects of the city: THE MODERNIST CITY, THE FEMALE CITY, THE MEMORY CITY, THE POSTCOMMUNIST CITY and THE TOURIST CITY, according to the discourses related to these tracks. CHAPTER THREE, the EPILOGUE, is the final discussion of the research project, in which several meta-conclusions are drawn.
Gashochdruckleitungen aus Stahl werden mit Hilfe eines deterministischen Sicherheitskonzeptes bemessen. Im unveränderten Bemessungszustand und im bestimmungsgemäßem Betrieb ist die statische Tragfähigkeit der Gashochdruckleitungen gegeben.
Mit den Jahren unterliegen Gashochdruckleitungen aus Stahl geometrischen Veränderungen, die häufig durch Korrosion hervorgerufen werden. Die Beurteilung der statischen Tragfähigkeit erfolgt dann unter Berücksichtigung dieser geometrischen Änderung.
Deterministische Sicherheitsbeiwerte der Bemessung neuer Gashochdruckleitungen können für die Bemessung bestehender korrosionsgeschädigter Gashochdruckleitungen nicht herangezogen werden, da diese einen definierten Beanspruchungs- und Geometriezustand unterstellen, welcher durch den geometrischen Einfluss der Korrosion so nicht mehr besteht.
Die Arbeit befasst sich mit der Ermittlung deterministischer Sicherheitsbeiwerte für die Bemessung korrosionsgeschädigter Gashochdruckleitungen auf Basis von Versagenswahrscheinlichkeiten und stellt ein Anwendungskonzept zu deren Nutzung vor.
Railway systems are highly competitive compared with other means of transportation because of their distinct advantages in speed, convenience and safety. Therefore, the demand for railway transportation is increasing around the world. Constructing railway tracks and related engineering structures in areas with loose or soft cohesive subgrade usually leads to problems, such as excessive settlement, deformation and instability. Several remedies have been proposed to avoid or reduce such problems, including the replacement of soft soil and the construction of piles or stone columns.
This thesis aims to expand the geotechnical knowledge of how to improve subgrade ballasted railway tracks, using stone columns and numerical modeling for the railway infrastructure. Three aspects are considered: i) railway track dynamics modeling and validation by field measurements, ii) modeling and parametric studies on stone columns, and iii) studies on the linear and non-linear behavior of stone columns under the dynamic load of trains.
The first step of this research was to develop a reliable numerical model of a railway track. The finite element method in a time domain was used for either a 2D plane strain or 3D analysis. Individual methods for modeling a train load in 2D and 3D were implemented and are discussed in this thesis. The developed loading method was validated with three different railway tracks using obtained vibration measurements. Later, these numerical models were used to analyze the influence of stone column length and train speed in the stress field.
The performance of the treated ground depends on various parameters, such as the strength of stone columns, spacing, length and diameter of the columns. Therefore, the second step was devoted to a parameter study of stone columns as a unit cell with an axisymmetric condition. The results showed that even short stone columns were effective for settlement reduction, and area of replacement was the main influential parameter in their performance.
The third part of this thesis focuses on a hypothetical railway-track response to the passage of various train speeds and the influence of stone-column length. The stress-strain response of subgrade is analyzed under either an elastic–perfectly plastic or advanced constitutive model. The non-linear soil response in the finite element method and the impact of train speed and stone column length on railway tracks are also evaluated. Moreover, the reductions of induced vibration – in both a horizontal and a vertical direction – after improvement are investigated.
Großsiedlungen sind nicht nur ein Erbe der Moderne, sondern seit über drei Jahrzehnten Gegenstand der Stadterneuerung. Dieses Buch erörtert, was eine heute „normale“ Großsiedlung stadtplanerisch benötigt und welche stadtentwicklungs- als auch wohnungspolitisch gesteuerten Ressourcen in einer integrierten Planungssteuerung gebündelt werden sollten. Dabei wird das grundsätzliche Planungsinstrument des Quartiersmanagements aktualisiert – über den Gegenstand Großsiedlungen hinaus.
Gashochdruckleitungen aus Stahl werden mit Hilfe eines deterministischen Sicherheitskonzeptes bemessen. Im unveränderten Bemessungszustand und im bestimmungsgemäßem Betrieb ist die statische Tragfähigkeit der Gashochdruckleitungen gegeben.
Mit den Jahren unterliegen Gashochdruckleitungen aus Stahl geometrischen Veränderungen, die häufig durch Korrosion hervorgerufen werden. Die Beurteilung der statischen Tragfähigkeit erfolgt dann unter Berücksichtigung dieser geometrischen Änderung.
Deterministische Sicherheitsbeiwerte der Bemessung neuer Gashochdruckleitungen können für die Bemessung bestehender korrosionsgeschädigter Gashochdruckleitungen nicht herangezogen werden, da diese einen definierten Beanspruchungs- und Geometriezustand unterstellen, welcher durch den geometrischen Einfluss der Korrosion so nicht mehr besteht.
Die Arbeit befasst sich mit der Ermittlung deterministischer Sicherheitsbeiwerte für die Bemessung korrosionsgeschädigter Gashochdruckleitungen auf Basis von Versagenswahrscheinlichkeiten und stellt ein Anwendungskonzept zu deren Nutzung vor.
Die Dissertation umfasst eine vertiefende Untersuchung der denkmalpflegerischen Erfassung von Siedlungen und Wohnanlagen als eine der wichtigsten und umfangreichsten Bautypologien der 1950er bis 1980er Jahre in Westeuropa. Die Beschäftigung mit Bauten der 1950er bis 1980er Jahre führt bei Denkmalpflegern, Architekten, Bewohnern und Politikern immer wieder zu Überlegungen, ob diese besondere Erfassungs- und Erhaltungsstrategien erfordern. Dabei wirft die Typologie des Siedlungsbaus besondere Fragen auf, da sie neben architektonischen Aspekten auch städtebauliche, landschaftsplanerische und sozialwissenschaftliche Bedeutungsebenen umfasst. Nicht zuletzt sind Siedlungen der 1950er bis 1980er Jahre aus denkmalpflegerischer Sicht häufig stark gefährdet. Obwohl die meisten Siedlungen noch nicht ausreichend kunsthistorisch gewürdigt und erfasst sind, unterliegen sie einem hohen Veränderungsdruck. Die teilweise enorme städtebauliche Dimension und Monofunktionalität der Anlagen, die häufig aufgrund von seriellen Bautypen und vorfabrizierten Elementen gleichförmige architektonische Gestaltung und eine Vernachlässigung im Bauunterhalt erschweren den Zugang zu dieser Baugattung. Gewandelte Wohnbedürfnisse sowie bauphysikalische, energietechnische oder ästhetische Maßnahmen führen zur Veränderung der noch relativ jungen Bausubstanz. Zudem weisen Siedlungen der Nachkriegszeit aufgrund ihrer teilweise sehr großzügigen Freiraumstruktur ein großes Potential zur Nachverdichtung auf. Die Auswahl der in dieser Arbeit untersuchten Länder und Siedlungen ergab sich aus der Auswertung einer europaweiten Befragung von Denkmalämtern sowie anschließend geführten Gesprächen mit Fachleuten. Die untersuchten 20 Siedlungen und Wohnanlagen repräsentieren verschiedene Länder (Deutschland, Österreich, Schweiz, Frankreich, Niederlande, England) sowie Bauepochen und Siedlungstypologien, die von der Einfamilienhaussiedlung über Siedlungen mit gemischter Bautypologie hin zur Großsiedlung reichen. Anhand der unterschiedlichen Fallbeispiele wird aufgezeigt, inwiefern die jeweiligen Länder, Bauepochen beziehungsweise Siedlungstypologien Einfluss auf die denkmalpflegerischen Erfassungsstrategien haben. Zusammenfassend lässt sich resümieren, dass die Gesetzesgrundlagen und Denkmalkriterien für eine denkmalpflegerische Erfassung von Bauten der 1950er bis 1980er Jahre in den meisten Ländern konstant bleiben, während sich in den Bereichen Zeitpunkt, Auswahl und Einbindung der Öffentlichkeit eine Modifizierung oder zumindest eine Reflektion der bisherigen Strukturen abzeichnet. Sinnvoll und wünschenswert erscheint darüber hinaus ein verstärkter Austausch der Denkmalpflege über die nationalen Grenzen hinweg und ein gegenseitiges Lernen voneinander.
In der vorliegenden Arbeit „Speaking from Somewhere: Der Audio-Walk als künstlerische Praxis und Methode“ wird der Audio-Walk auf theoretischer und praktischer Basis untersucht. Der erste Teil widmet sich dem Audio-Walk als künstlerisches Format. Darin wird analysiert, wie dieses aufgebaut ist und welche Komponenten wie zusammenwirken, damit sich die Darbietung – und die dafür charakteristisch intensive Wirkung – entfalten kann. Im zweiten Teil wird der Audio-Walk als experimentelle mobile Methode für die künstlerische Forschung betrachtet. Im Zentrum steht dabei die Frage, wie sich das künstlerische Format nutzen lässt, um spezifische Fragestellungen an einen ausgewählten Personenkreis zu adressieren, der sich währenddessen in einer inszenierten Situation befindet. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Audio-Walk-Experimenten, die mit dieser Absicht entwickelt wurden. Als Fallbeispiel für die Methode dient dabei die Zusammenarbeit mit einer Gruppe kürzlich nach Deutschland migrierter Frauen.
Die Dissertation umfasst eine vertiefende Untersuchung der denkmalpflegerischen Erfassung von Siedlungen und Wohnanlagen als eine der wichtigsten und umfangreichsten Bautypologien der 1950er bis 1980er Jahre in Westeuropa. Die Beschäftigung mit Bauten der 1950er bis 1980er Jahre führt bei Denkmalpflegern, Architekten, Bewohnern und Politikern immer wieder zu Überlegungen, ob diese besondere Erfassungs- und Erhaltungsstrategien erfordern. Dabei wirft die Typologie des Siedlungsbaus besondere Fragen auf, da sie neben architektonischen Aspekten auch städtebauliche, landschaftsplanerische und sozialwissenschaftliche Bedeutungsebenen umfasst. Nicht zuletzt sind Siedlungen der 1950er bis 1980er Jahre aus denkmalpflegerischer Sicht häufig stark gefährdet. Obwohl die meisten Siedlungen noch nicht ausreichend kunsthistorisch gewürdigt und erfasst sind, unterliegen sie einem hohen Veränderungsdruck. Die teilweise enorme städtebauliche Dimension und Monofunktionalität der Anlagen, die häufig aufgrund von seriellen Bautypen und vorfabrizierten Elementen gleichförmige architektonische Gestaltung und eine Vernachlässigung im Bauunterhalt erschweren den Zugang zu dieser Baugattung. Gewandelte Wohnbedürfnisse sowie bauphysikalische, energietechnische oder ästhetische Maßnahmen führen zur Veränderung der noch relativ jungen Bausubstanz. Zudem weisen Siedlungen der Nachkriegszeit aufgrund ihrer teilweise sehr großzügigen Freiraumstruktur ein großes Potential zur Nachverdichtung auf. Die Auswahl der in dieser Arbeit untersuchten Länder und Siedlungen ergab sich aus der Auswertung einer europaweiten Befragung von Denkmalämtern sowie anschließend geführten Gesprächen mit Fachleuten. Die untersuchten 20 Siedlungen und Wohnanlagen repräsentieren verschiedene Länder (Deutschland, Österreich, Schweiz, Frankreich, Niederlande, England) sowie Bauepochen und Siedlungstypologien, die von der Einfamilienhaussiedlung über Siedlungen mit gemischter Bautypologie hin zur Großsiedlung reichen. Anhand der unterschiedlichen Fallbeispiele wird aufgezeigt, inwiefern die jeweiligen Länder, Bauepochen beziehungsweise Siedlungstypologien Einfluss auf die denkmalpflegerischen Erfassungsstrategien haben. Zusammenfassend lässt sich resümieren, dass die Gesetzesgrundlagen und Denkmalkriterien für eine denkmalpflegerische Erfassung von Bauten der 1950er bis 1980er Jahre in den meisten Ländern konstant bleiben, während sich in den Bereichen Zeitpunkt, Auswahl und Einbindung der Öffentlichkeit eine Modifizierung oder zumindest eine Reflektion der bisherigen Strukturen abzeichnet. Sinnvoll und wünschenswert erscheint darüber hinaus ein verstärkter Austausch der Denkmalpflege über die nationalen Grenzen hinweg und ein gegenseitiges Lernen voneinander.
Zum Begriff Illustration scheint ein Missverhältnis zwischen wissenschaftlicher Rezeption und praktischem Gegenstand vorzuliegen. Traditionell bezeichnet der Begriff Illustration ein Bild, das einen textlich vorangestellten Inhalt noch einmal visuell wiederholt und auf diesem Weg in einem Abbild verdoppelt. Traditionelle Illustration benennt also ein sekundäres, explizit von einem anderen Inhalt abhängiges Bild, das auch weggelassen werden könnte, ohne das Inhalt verloren geht. Genutzt wird dieser traditionelle Illustrationsbegriff heute unter anderem in den Forschungsfeldern der Kunstgeschichte, der Bildwissenschaften und der Literaturwissenschaften. Aus der Perpektive der Praxis birgt der traditionelle Illustrationsbegriff ein grundsätzliches Problem in sich. Er versucht, mit einer statischen Definition ein äußerst lebendiges visuelles Phänomen unserer heutigen Zeit zu beschreiben. Professionelle Berufszeichner, die sogenannten Illustratorinnen und Illustratoren, kreieren heute Werke, die mit dem traditionellen Illustrationsbegriff nicht mehr beschreibbar sind. Mehr noch, der traditionelle Illustrationsbegriff macht blind für diese Entwicklungen, die sich deshalb außerhalb des wissenschaftlichen Diskurses abspielen. Die vorliegende Arbeit möchte deshalb einen Blick auf den Zustand zeitgenössischer literarischer Buchillustration werfen, um den Begriff der Illustration in seiner aktuellen Unschärfe zu präzisieren, zu erweitern und somit zu aktualisieren.
The underlying goal of this work is to reduce the uncertainty related to thermally induced stress prediction. This is accomplished by considering use of non-linear material behavior, notably path dependent thermal hysteresis behavior in the elastic properties.
Primary novel factors of this work center on two aspects.
1. Broad material characterization and mechanistic material understanding, giving insight into why this class of material behaves in characteristic manners.
2. Development and implementation of a thermal hysteresis material model and its use to determine impact on overall macroscopic stress predictions.
Results highlight microcracking evolution and behavior as the dominant mechanism for material property complexity in this class of materials. Additionally, it was found that for the cases studied, thermal hysteresis behavior impacts relevant peak stress predictions of a heavy-duty diesel particulate filter undergoing a drop-to-idle regeneration by less than ~15% for all conditions tested. It is also found that path independent heating curves may be utilized for a linear solution assumption to simplify analysis.
This work brings forth a newly conceived concept of a 3 state, 4 path, thermally induced microcrack evolution process; demonstrates experimental behavior that is consistent with the proposed mechanisms, develops a mathematical framework that describes the process and quantifies the impact in a real world application space.
Turbomachinery plays an important role in many cases of energy generation or conversion. Therefore, turbomachinery is a promising approaching point for optimization in order to increase the efficiency of energy use. In recent years, the use of automated optimization strategies in combination with numerical simulation has become increasingly popular in many fields of engineering. The complex interactions between fluid and solid mechanics encountered in turbomachines on the one hand and the high computational expense needed to calculate the performance on the other hand, have, however, prevented a widespread use of these techniques in this field of engineering. The objective of this work was the development of a strategy for efficient metamodel based optimization of centrifugal compressor impellers. In this context, the main focus is the reduction of the required numerical expense. The central idea followed in this research was the incorporation of preliminary information acquired from low-fidelity computation methods and empirical correlations into the sampling process to identify promising regions of the parameter space. This information was then used to concentrate the numerically expensive high-fidelity computations of the fluid dynamic and structure mechanic performance of the impeller in these regions while still maintaining a good coverage of the whole parameter space. The development of the optimization strategy can be divided into three main tasks. Firstly, the available preliminary information had to be researched and rated. This research identified loss models based on one dimensional flow physics and empirical correlations as the best suited method to predict the aerodynamic performance. The loss models were calibrated using available performance data to obtain a high prediction quality. As no sufficiently exact models for the prediction of the mechanical loading of the impellercould be identified, a metamodel based on finite element computations was chosen for this estimation. The second task was the development of a sampling method which concentrates samples in regions of the parameter space where high quality designs are predicted by the preliminary information while maintaining a good overall coverage. As available methods like rejection sampling or Markov-chain Monte-Carlo methods did not meet the requirements in terms of sample distribution and input correlation, a new multi-fidelity sampling method called “Filtered Sampling“has been developed. The last task was the development of an automated computational workflow. This workflow encompasses geometry parametrization, geometry generation, grid generation and computation of the aerodynamic performance and the structure mechanic loading. Special emphasis was put into the development of a geometry parametrization strategy based on fluid mechanic considerations to prevent the generation of physically inexpedient designs. Finally, the optimization strategy, which utilizes the previously developed tools, was successfully employed to carry out three optimization tasks. The efficiency of the method was proven by the first and second testcase where an existing compressor design was optimized by the presented method. The results were comparable to optimizations which did not take preliminary information into account, while the required computational expense cloud be halved. In the third testcase, the method was applied to generate a new impeller design. In contrast to the previous examples, this optimization featuredlargervariationsoftheimpellerdesigns. Therefore, theapplicability of the method to parameter spaces with significantly varying designs could be proven, too.
Die vorliegende Arbeit hat die Absicht, den Bedarf der Umsetzung der Planungsidee ‚kinder- und jugendfreundliche Stadtentwicklung’ in Korea zu erforschen und Vorschläge für die Umsetzung zu machen. Darüber hinaus will sie herausfinden, warum man sich bezüglich der Durchführung der kinder- und jugendfreundlichen Stadtentwicklung zunächst auf die Schulen und deren Umgebungen konzentrieren soll.
Deshalb widmet sich die Dissertation zuerst der Literaturrecherche, sowohl was den Begriff der kinder- und jugendfreundlichen Stadtentwicklung angeht als auch der Literatur bezüglich des Beitrags der Schulen zur Realisierung der kinder- und jugendfreundlichen Stadtentwicklung. Danach wird untersucht, ob das deutsche Instrument ‚Spielleitplanung‘ sich als Leitfaden für die gesamte Konzeption der koreanischen kinder- und jugendfreundlichen Stadtentwicklung eignet. Darüber hinaus werden Interviews mit koreanischen Experten aus Stadtplanung und Architektur, Pädagogik und öffentlicher Verwaltung als Forschungsmethode verwendet, um in Bezug auf die kinder- jungendfreundliche Stadtentwicklung den koreanischen Zustand zu analysieren. Zuletzt werden anhand der Untersuchungsergebnisse Handlungs-empfehlungen für die Durchführung der koreanischen kinder- und jugend-freundlichen Stadtentwicklung formuliert.
Anhand dieser Forschung kann konstatiert werden, dass die kinder- und jugendfreundliche Stadtentwicklung eine wichtige Planungsidee ist, weil dadurch Stadtplanerinnen und Stadtplaner sowohl zum körperlichen und geistigen gesunden Aufwachsen von Kindern und Jugendlichen als auch zur Entwicklung ihrer sozialen Kompetenzen erheblich beitragen können. Vor allem soll man die koreanische kinder- und jugendfreundliche Stadtentwicklung zunächst auf den Schulen und den schulischen Umgebungen umsetzen. Denn dadurch lassen sich vielseitige eventuelle Hindernisse bei der Durchführung der kinder- und jugendfreundlichen Stadtentwicklung vermeiden. Ein weiterer Grund ist, dass die Schulen in Korea nicht nur in der Gesellschaft eine zentrale Rolle spielen, sondern auch im Rahmen der Stadtplanung. Auffällig ist, dass die kinder- und jugendfreundliche Stadtentwicklung sowohl auf die räumlichen Gestaltungen als auch auf die Beteiligung von Kindern und Jugendlichen in der städtischen Planung fokussiert ist. Allerdings werden bei der Stadtentwicklung die Kinder und Jugendliche in Korea noch nicht als wichtige Akteure angesehen. Darum soll man die Spielleitplanung in Korea einbeziehen, weil sie als Leitbild bei einer Konzeption der koreanischen kinder- und jugendlichen Stadtentwicklung fungieren kann. Jedoch müssen dabei die kulturellen Unterschiede zwischen Deutschland und Korea berücksichtigt werden.
Weiterhin wurde durch die Interviews festgestellt, dass das Interesse und der Wille von Experten aus der Stadtplanung an Kinder- und Jugendfreundlichkeit die wichtigsten Voraussetzungen sind, um die kinder- und jugendfreundliche Stadtentwicklung in Korea zu verankern und zu verbreiten.
Due to an increased need for hydro-electricity, water storage, and flood protection, it is assumed that a series of new dams will be built throughout the world. Comparing existing design methodologies for arch-type dams, model-based shape optimization can effectively reduce construction costs and leverage the properties of construction materials. To apply the means of shape optimization, suitable variables need to be chosen to formulate the objective function, which is the volume of the arch dam here. In order to increase the consistency with practical conditions, a great number of geometrical and behavioral constraints are included in the mathematical model. An optimization method, namely Genetic Algorithm is adopted which allows a global search.
Traditional optimization techniques are realized based on a deterministic approach, which means that the material properties and loading conditions are assumed to be fixed values. As a result, the real-world structures that are optimized by these approaches suffer from uncertainties that one needs to be aware of. Hence, in any optimization process for arch dams, it is nec- essary to find a methodology that is capable of considering the influences of uncertainties and generating a solution which is robust enough against the uncertainties.
The focus of this thesis is the formulation and the numerical method for the optimization of the arch dam under the uncertainties. The two main models, the probabilistic model, and non-probabilistic models are intro- duced and discussed. Classic procedures of probabilistic approaches un- der uncertainties, such as RDO (robust design optimization) and RBDO (reliability-based design optimization), are in general computationally ex- pensive and rely on estimates of the system’s response variance and fail- ure probabilities. Instead, the robust optimization (RO) method which is based on the non-probabilistic model, will not follow a full probabilistic approach but works with pre-defined confidence levels. This leads to a bi-level optimization program where the volume of the dam is optimized under the worst combination of the uncertain parameters. By this, robust and reliable designs are obtained and the result is independent of any as- sumptions on stochastic properties of the random variables in the model.
The optimization of an arch-type dam is realized here by a robust optimiza- tion method under load uncertainty, where hydraulic and thermal loads are considered. The load uncertainty is modeled as an ellipsoidal expression. Comparing with any traditional deterministic optimization (DO) method, which only concerns the minimum objective value and offers a solution candidate close to limit-states, the RO method provides a robust solution against uncertainties.
All the above mentioned methods are applied to the optimization of the arch dam to compare with the optimal design with DO methods. The re- sults are compared and analyzed to discuss the advantages and drawbacks of each method.
In order to reduce the computational cost, a ranking strategy and an ap- proximation model are further involved to do a preliminary screening. By means of these, the robust design can generate an improved arch dam structure which ensures both safety and serviceability during its lifetime.
Since the Industrial Revolution in the 1700s, the high emission of gaseous wastes into the atmosphere from the usage of fossil fuels has caused a general increase in temperatures globally. To combat the environmental imbalance, there is an increase in the demand for renewable energy sources. Dams play a major role in the generation of “green" energy. However, these structures require frequent and strict monitoring to ensure safe and efficient operation. To tackle the challenges faced in the application of convention dam monitoring techniques, this work proposes the inverse analysis of numerical models to identify damaged regions in the dam. Using a dynamic coupled hydro-mechanical Extended Finite Element Method (XFEM) model and a global optimization strategy, damage (crack) in the dam is identified. By employing seismic waves to probe the dam structure, a more detailed information on the distribution of heterogeneous materials and damaged regions are obtained by the application of the Full Waveform Inversion (FWI) method. The FWI is based on a local optimization strategy and thus it is highly dependent on the starting model. A variety of data acquisition setups are investigated, and an optimal setup is proposed. The effect of different starting models and noise in the measured data on the damage identification is considered. Combining the non-dependence of a starting model of the global optimization strategy based dynamic coupled hydro-mechanical XFEM method and the detailed output of the local optimization strategy based FWI method, an enhanced Full Waveform Inversion is proposed for the structural analysis of dams.
Den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bilden die konstruktive Entwicklung und die wissenschaftliche Untersuchung des Tragverhaltens von Kopplungselementen für den Ingenieur¬holzbau. Die neu entwickelten Verbindungen bestehen bevorzugt aus Stahlteilen mit Gewindeanschluss und werden mit einem Polymerverguss im Holz verankert. Die Kopplungselemente gestatten die einfache montagegerechte Verbindung von Holzbauteilen untereinander oder zu anderen Bauweisen. Sie nehmen die Zug- oder Drucklast axial auf und gewährleisten eine leistungsfähige und schlupf¬freie Verbindung zum Holz. Für den Verguss wird ein mineralisch gefülltes Epoxidharz mit sehr guten Klebeeigenschaften gegenüber Holz und den meisten üblichen Baustoffen verwendet.
Im Holz werden für die Verankerung der Kopplungselemente Bohrungen vorgesehen, die sich sowohl aus technologischen Gründen als auch für eine gleichmäßige Spannungsverteilung vorteilhaft erweisen. Der Durchmesser der Bohrung ist gegenüber dem Verbindungselement deutlich größer, wodurch die Verbindungsfläche zum Holz bei konstanter Länge ansteigt. Die Vergrößerung der Fugen zwischen dem Verbindungselement und der Holzwandung von 7 mm auf 17 mm führt bei konstanter Einbindetiefe und gleichem Durchmesser des Verbin¬dungsmittels zu einer Laststeigerung von über 20 %. Die größere Vergussfuge gewährleistet darüber hinaus eine Vergleichmäßigung der Spannungen innerhalb der Verbindung, den Ein¬satz von frei geformten Verbindungselementen und eine Vereinfachung der Herstellung.
Die Kopplungselemente sind für den Einsatz in Zug- oder Druckstößen ebenso geeignet wie für biegesteife Anschlüsse axial verbundener Biegeträger oder Rahmenecken. Sie können werkseitig im Holzbauteil vorgesehen oder als direkte Verbindung auf der Baustelle vergossen werden. Für die Baupraxis wird durch den Einsatz des schwindarmen Verguss-materials mit hoher Klebewirkung eine Bandbreite an Anwendungen vom Toleranzausgleich über Schubbewehrung bis zum Druck-, Zug- oder Biegeanschluss geboten.
Die Dissertation „Hey! I’m an Angel! Zum Verhältnis von Medium, Subjekt und Wirklichkeit in Eija-Liisa Ahtilas Videoinstallationen“ untersucht in der Hauptsache vier zentrale Videoinstallationen Ahtilas aus den Jahren 1995 bis 2014. Grundlegend ist die These, dass Ahtilas Arbeiten nicht, wie bisher angenommen, in den Kontext einer medien-, erkenntnis- und subjektkritischen Videokunst einzuordnen sind. Stattdessen werden sie als mediale Vehikel intersubjektiv geprägter Wirklichkeitserfahrungen für das Subjekt bereitgestellt: Entgegen dem aktuellen Forschungsstand arbeitet sich Ahtila nicht an der Kritik des Mediums Film/Video ab, das einen wirklichkeitsverfälschenden oder -ersetzenden Einfluss auf das manipulierte Subjekt nimmt. Vielmehr nutzt die Künstlerin das Potenzial des Mediums Film/Video aus, um einem relativ stabilen Subjekt die Wirklichkeitserfahrungen Anderer zu öffnen und auf diese Weise seinen Erfahrungshorizont zu erweitern.
Der systematische Schwerpunkt der Arbeit liegt erstens darauf, ein sich durch Ahtilas bisheriges Schaffen ziehendes ‚Ziel‘ der Integration der Betrachterin in eine intersubjektive Erfahrungssphäre nachvollziehbar zu machen. Hierfür wird insbesondere eine Perspektive auf die frühen Arbeiten entwickelt, in der die Brüche in Ahtila Arbeiten integrative statt distanzierende Wirkung haben. Zweitens wird in eingehenden Analysen der Wandel verständlich, der sich zwischen Ahtilas früher Schaffensphase (1995 – 2002) und der aktuellen Schaffensphase (seit 2010) hinsichtlich der Art und Weise vollzieht, wie diese Integration gelingt. Es zeigt sich, dass der Einstieg in die intersubjektiv geprägten Erfahrungssphären in der frühen Phase ästhetisch konstituiert ist. Mit der aktuellen Schaffensphase werden hingegen alltägliche Formen der Empathie und Mimesis zentral, sowie deren leibliche Konsequenzen für die Betrachterin. Drittens wird eine zunehmende pragmatische Tendenz darin deutlich, die Integration der Betrachterin in die Erfahrungen Anderer zu ermöglichen. Dies wird vor dem Hintergrund eines allgemeinen pragmatischen Zuges aktueller zeitgeistiger Bewegungen erläutert. Viertens wird gezeigt, dass Ahtilas Arbeiten auf der Annahme einer Kontinuität in gewisser Hinsicht von der außerfilmischen Wirklichkeit in die filmische Fiktion hinein basieren, sowie auf dem Verständnis filmischer Fiktionen als virtuelle Weltfassungen. Ahtila fragt auf der Grundlage dieses Verständnisses filmischer Fiktion nicht nach der Wahrheit dieser Fiktion als These über die Wirklichkeit, wie es dem Forschungskanon über die Künstlerin zu entnehmen ist. Sondern nach der Wirksamkeit der filmischen Fiktion für die Wirklichkeit.
The task-based view of web search implies that retrieval should take the user perspective into account. Going beyond merely retrieving the most relevant result set for the current query, the retrieval system should aim to surface results that are actually useful to the task that motivated the query.
This dissertation explores how retrieval systems can better understand and support their users’ tasks from three main angles: First, we study and quantify search engine user behavior during complex writing tasks, and how task success and behavior are associated in such settings. Second, we investigate search engine queries formulated as questions, and explore patterns in a large query log that may help search engines to better support this increasingly prevalent interaction pattern. Third, we propose a novel approach to reranking the search result lists produced by web search engines, taking into account retrieval axioms that formally specify properties of a good ranking.
This research seeks to make an exploratory study of the strategies used by the creators of monuments, memorials, and commemorative places located in the public spaces that use sound as one of the primary raw material in their design. The term acoustic monu-memorials was coined in this research to encircle these structures and places. In order to achieve the goal of this research, it was necessary to compile a number of samples, primarily after the digital recording era of captured sound around 1971 to the present. The compilation was relevant because such a compendium was not found in the literature, and to the author's knowledge, a comprehensive investigation of the strategies used in planning acoustic monu-memorials in the urban spaces does not exist.
The method used to create such compendium was to send a question to people with different background identities, such as visual and sound artists, musicians, art curators, and heritage scholars among others. This question produced a selection of 51 examples of acoustic monu-memorials located in public spaces. Subsequently, the examples were classified into four major categories according to their form and nature. Additionally, two examples from the main categories were chosen as case studies: The Sinti and Roma Memorial in Berlin, Germany and the Niche monument in Cali, Colombia. These study cases were presented, described, and analysed in detail as they represent the type of what could be defined as an acoustic monu-memorial in general.
Lynch’s (1960) five elements that help individuals build the image of the city were transferred and used as a tool to help to build this image into acoustic terms. A thorough analysis of the acquired data yielded found the strategies used by the designers to shape, modify, transform, and structure public space. These strategies are entitled Sound Spaces. Moreover, a list entitled Urban Acoustic Commemoration Code was compiled. This list of suggestions addresses urban planners, architects, artists, designers, and general public interested in the aspects involved when creating acoustic commemoration phenomena in public spaces.
Am Beispiel der Elektrifizierung zweier Großstädte an der Westküste Südamerikas zeigt die Arbeit den globalen Einfluss deutscher Industrie- und Finanzakteure auf technische, städtebauliche und gesellschaftlich-kulturelle Entwicklungen zur Blütezeit des europäischen Imperialismus auf. Damit werden die Regionalgeschichten der chilenischen Hauptstadtregion und der Elektropolis Berlin zu einer Globalgeschichte miteinander verknüpft. Ein Hauptaugenmerk der Analyse liegt dabei auf den weltweiten Akteursnetzwerken und Machtverhältnissen sowie dem kulturellen Erbe und seiner gegenwärtigen Interpretation.
The p-Laplace equation is a nonlinear generalization of the well-known Laplace equation. It is often used as a model problem for special types of nonlinearities, and therefore it can be seen as a bridge between very general nonlinear equations and the linear Laplace equation, too. It appears in many problems for instance in the theory of non-Newtonian fluids and fluid dynamics or in rockfill dam problems, as well as in special problems of image restoration and image processing.
The aim of this thesis is to solve the p-Laplace equation for 1 < p < 2, as well as for 2 < p < 3 and to find strong solutions in the framework of Clifford analysis. The idea is to apply a hypercomplex integral operator and special function theoretic methods to transform the p-Laplace equation into a p-Dirac equation. We consider boundary value problems for the p-Laplace equation and transfer them to boundary value problems for a p-Dirac equation. These equations will be solved iteratively by applying Banach’s fixed-point principle. Applying operator-theoretical methods for the p-Dirac equation, the existence and uniqueness of solutions in certain Sobolev spaces will be proved.
In addition, using a finite difference approach on a uniform lattice in the plane, the fundamental solution of the Cauchy-Riemann operator and its adjoint based on the fundamental solution of the Laplacian will be calculated. Besides, we define gener- alized discrete Teodorescu transform operators, which are right-inverse to the discrete Cauchy-Riemann operator and its adjoint in the plane. Furthermore, a new formula for generalized discrete boundary operators (analogues of the Cauchy integral operator) will be considered. Based on these operators a new version of discrete Borel-Pompeiu formula is formulated and proved.
This is the basis for an operator calculus that will be applied to the numerical solution of the p-Dirac equation. Finally, numerical results will be presented showing advantages and problems of this approach.
Brazilian battlers’ housing discusses the self-production of dwellings in the circumstances of the socioeconomic rise of the so-called Brazilian new middle class, occurred on the first decade of the years 2000. Battlers are a precarious working class of about 100 million people, who have used their recently increased purchase power to informally solve their private housing demands, planning, building and renovating their homes themselves, with limited technical knowledge and almost no access to formal technicians as for example architects. The result is a mode of housing production, which spreads over the territory in micro-local self-initiatives and informal social practices of construction and management. With the support of a controversial manpower, this practice presents all sorts of technical complications, but at the same time expedient ways of affordability and creative spatial solutions for ordinary constructive problems. Such initiatives have consolidated Brazilian informal settlements and peripheral subdivisions, attending a demand poorly responded by the government. This research recognises the benefits of the self-production, but questions the conditions under which it happens and asks if it really collaborates for a true social rise of those who are engaged in it. With an empirical and qualitative approach and taking dwelling construction processes leaded by battlers as main information sources, the academic work responds if and how the socioeconomic rise of the Brazilian battlers has exactly affected the self-production of dwellings. For that, battlers’ self-production of dwellings is analysed and discussed in five main aspects: 1) acquisition of land and real state, 2) building overtime, 3) space and creative power, 4) technical complications and building materials and 5) manpower and know-how.
Modern immersive telepresence systems enable people at different locations to meet in virtual environments using realistic three-dimensional representations of their bodies. For the realization of such a three-dimensional version of a video conferencing system, each user is continuously recorded in 3D. These 3D recordings are exchanged over the network between remote sites. At each site, the remote recordings of the users, referred to as 3D video avatars, are seamlessly integrated into a shared virtual scenery and displayed in stereoscopic 3D for each user from his or her perspective.
This thesis reports on algorithmic and technical contributions to modern immersive telepresence systems and presents the design, implementation and evaluation of the first immersive group-to-group telepresence system in which each user is represented as realistic life-size 3D video avatar. The system enabled two remote user groups to meet and collaborate in a consistent shared virtual environment. The system relied on novel methods for the precise calibration and registration of color- and depth- sensors (RGBD) into the coordinate system of the application as well as an advanced distributed processing pipeline that reconstructs realistic 3D video avatars in real-time. During the course of this thesis, the calibration of 3D capturing systems was greatly improved. While the first development focused on precisely calibrating individual RGBD-sensors, the second stage presents a new method for calibrating and registering multiple color and depth sensors at a very high precision throughout a large 3D capturing volume. This method was further refined by a novel automatic optimization process that significantly speeds up the manual operation and yields similarly high accuracy. A core benefit of the new calibration method is its high runtime efficiency by directly mapping from raw depth sensor measurements into an application coordinate system and to the coordinates of its associated color sensor. As a result, the calibration method is an efficient solution in terms of precision and applicability in virtual reality and immersive telepresence applications. In addition to the core contributions, the results of two case studies which address 3D reconstruction and data streaming lead to the final conclusion of this thesis and to directions of future work in the rapidly advancing field of immersive telepresence research.
Landwirtschaftliche Biogasanlagen leisten mit ca. 9.300 Anlagen und einem Anteil von 5,3% an der Stromerzeugung, einen Beitrag zur Erzeugung Erneuer-barer Energien in Deutschland. Die Optimierung dieser Anlagen fördert die nachhaltige Bereitstellung von Strom, Wärme und BioErdgas.
Das Ergebnis dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung eines mehrmethodi-schen Bewertungsansatzes zur Beschreibung der Qualität der Eingangs-substrate als Teil einer ganzheitlichen Prozessoptimierung. Dies gelingt durch die kombinierte Nutzung klassischer Analysesätze, der Nutzung organolepti-scher Parameter – der humansensorischen Sinnenprüfung – und der Integration von prozess- und substratspezifischem Erfahrungswissen. Anhand von halbtechnischen Versuchen werden Korrelationen und Kausalitäten zwi-schen chemisch-physikalischen, biologischen, organoleptischen und erfahrungsbezogenen Parametern erforscht. Die Entwicklung einer Fallbasis mit Hilfe des Fallbasierten Schließens, einer Form Künstlicher Intelligenz, zeigt das Entwicklungs- und Integrationspotenzial der Automatisierung auf, insbesondere auch im Hinblick auf neue Ansätze z.B. Industrie 4.0. Erste Lösungen zur Bewältigung der identifizierten Herausforderungen der mehrmethodischen Prozessbewertung werden vorgestellt.
Abschließend wird ein Ausblick auf den weiteren Forschungsbedarf gegeben und die Übertragbarkeit des mehrmethodischen Bewertungsansatzes auf andere Anwendungsfelder z.B. Bioabfallbehandlung, Kläranlagen angeregt.
Identification of flaws in structures is a critical element in the management of maintenance and quality assurance processes in engineering. Nondestructive testing (NDT) techniques based on a wide range of physical principles have been developed and are used in common practice for structural health monitoring. However, basic NDT techniques are usually limited in their ability to provide the accurate information on locations, dimensions and shapes of flaws. One alternative to extract additional information from the results of NDT is to append it with a computational model that provides detailed analysis of the physical process involved and enables the accurate identification of the flaw parameters. The aim here is to develop the strategies to uniquely identify cracks in two-dimensional 2D) structures under dynamic loadings.
A local NDT technique combined eXtended Finite Element Method (XFEM) with dynamic loading in order to identify the cracks in the structures quickly and accurately is developed in this dissertation. The Newmark-b time integration method with Rayleigh damping is used for the time integration. We apply Nelder-Mead (NM)and Quasi-Newton (QN) methods for identifying the crack tip in plate. The inverse problem is solved iteratively, in which XFEM is used for solving the forward problem in each iteration. For a timeharmonic excitation with a single frequency and a short-duration signal measured along part of the external boundary, the crack is detected through the solution of an inverse time-dependent problem. Compared to the static load, we show that the dynamic loads are more effective for crack detection problems. Moreover, we tested different dynamic loads and find that NM method works more efficient under the harmonic load than the pounding load while the QN method achieves almost the same results for both load types.
A global strategy, Multilevel Coordinate Search (MCS) with XFEM (XFEM-MCS) methodology under the dynamic electric load, to detect multiple cracks in 2D piezoelectric plates is proposed in this dissertation. The Newmark-b method is employed for the time integration and in each iteration the forward problem is solved by XFEM for various cracks. The objective functional is minimized by using a global search algorithm MCS. The test problems show that the XFEM-MCS algorithm under the dynamic electric load can be effectively employed for multiple cracks detection in piezoelectric materials, and it proves to be robust in identifying defects in piezoelectric structures. Fiber-reinforced composites (FRCs) are extensively applied in practical engineering since they have high stiffness and strength. Experiments reveal a so-called interphase zone, i.e. the space between the outside interface of the fiber and the inside interface of the matrix. The interphase strength between the fiber and the matrix strongly affects the mechanical properties as a result of the large ratio of interface/volume. For the purpose of understanding the mechanical properties of FRCs with functionally graded interphase (FGI), a closed-form expression of the interface strength between a fiber and a matrix is obtained in this dissertation using a continuum modeling approach according to the ver derWaals (vdW) forces. Based on the interatomic potential, we develop a new modified nonlinear cohesive law, which is applied to study the interface delamination of FRCs with FGI under different loadings. The analytical solutions show that the delamination behavior strongly depends on the interphase thickness, the fiber radius, the Young’s moduli and Poisson’s ratios of the fiber and the matrix. Thermal conductivity is the property of a material to conduct heat. With the development and deep research of 2D materials, especially graphene and molybdenum disulfide (MoS2), the thermal conductivity of 2D materials attracts wide attentions. The thermal conductivity of graphene nanoribbons (GNRs) is found to appear a tendency of decreasing under tensile strain by classical molecular dynamics (MD) simulations. Hence, the strain effects of graphene can play a key role in the continuous tunability and applicability of its thermal conductivity property at nanoscale, and the dissipation of thermal conductivity is an obstacle for the applications of thermal management. Up to now, the thermal conductivity of graphene under shear deformation has not been investigated yet. From a practical point of view, good thermal managements of GNRs have significantly potential applications of future GNR-based thermal nanodevices, which can greatly improve performances of the nanosized devices due to heat dissipations. Meanwhile, graphene is a thin membrane structure, it is also important to understand the wrinkling behavior under shear deformation. MoS2 exists in the stable semiconducting 1H phase (1H-MoS2) while the metallic 1T phase (1T-MoS2) is unstable at ambient conditions. As it’s well known that much attention has been focused on studying the nonlinear optical properties of the 1H-MoS2. In a very recent research, the 1T-type monolayer crystals of TMDCs, MX2 (MoS2, WS2 ...) was reported having an intrinsic in-plane negative Poisson’s ratio. Luckily, nearly at the same time, unprecedented long-term (>3months) air stability of the 1T-MoS2 can be achieved by using the donor lithium hydride (LiH). Therefore, it’s very important to study the thermal conductivity of 1T-MoS2.
The thermal conductivity of graphene under shear strain is systematically studied in this dissertation by MD simulations. The results show that, in contrast to the dramatic decrease of thermal conductivity of graphene under uniaxial tensile, the thermal conductivity of graphene is not sensitive to the shear strain, and the thermal conductivity decreases only 12-16%. The wrinkle evolves when the shear strain is around 5%-10%, but the thermal conductivity barely changes.
The thermal conductivities of single-layer 1H-MoS2(1H-SLMoS2) and single-layer 1T-MoS2 (1T-SLMoS2) with different sample sizes, temperatures and strain rates have been studied systematically in this dissertation. We find that the thermal conductivities of 1H-SLMoS2 and 1T-SLMoS2 in both the armchair and the zigzag directions increase with the increasing of the sample length, while the increase of the width of the sample has minor effect on the thermal conductions of these two structures. The thermal conductivity of 1HSLMoS2 is smaller than that of 1T-SLMoS2 under size effect. Furthermore, the temperature effect results show that the thermal conductivities of both 1H-SLMoS2 and 1T-SLMoS2 decrease with the increasing of the temperature. The thermal conductivities of 1HSLMoS2 and 1T-SLMoS2 are nearly the same (difference <6%) in both of the chiral orientations under corresponding temperatures, especially in the armchair direction (difference <2.8%). Moreover, we find that the strain effects on the thermal conductivity of 1HSLMoS2 and 1T-SLMoS2 are different. More specifically, the thermal conductivity decreases with the increasing tensile strain rate for
1T-SLMoS2, while fluctuates with the growth of the strain for 1HSLMoS2. Finally, we find that the thermal conductivity of same sized 1H-SLMoS2 is similar with that of the strained 1H-SLMoS2 structure.
Die Zonenmethode nach Hertz ist ein vereinfachtes Verfahren zur Heißbemessung von Stahlbetonbauteilen. Um eine händische Bemessung zu ermöglichen, werden daher verschiedene Annahmen und Vereinfachungen getroffen. Insbesondere werden die thermischen Dehnungen vernachlässigt und das mechanische Verhalten durch einen verkleinerten Querschnitt mit konstanten Stoffeigenschaften beschrieben.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist, dieses vereinfachte Verfahren in ein nichtlineares Verfahren zur Heißbemessung von Stahlbetondruckgliedern bei Brandbeanspruchung durch die Einheits-Temperaturzeitkurve zu überführen. Dazu werden die wesentlichen Annahmen der Zonenmethode überprüft und ein Vorschlag zur Weiterentwicklung vorgestellt. Dieser beruht im Wesentlichen auf der Modellierung der druckbeanspruchten Bewehrung. Diese weiterentwickelte Zonenmethode wird durch die Nachrechnung von Laborversuchen validiert und das Sicherheitsniveau durch eine vollprobabilistische Analyse und den Vergleich mit dem allgemeinen Verfahren bestimmt.
Matrix-free voxel-based finite element method for materials with heterogeneous microstructures
(2019)
Modern image detection techniques such as micro computer tomography
(μCT), magnetic resonance imaging (MRI) and scanning electron microscopy (SEM) provide us with high resolution images of the microstructure of materials in a non-invasive and convenient way. They form the basis for the geometrical models of high-resolution analysis, so called image-based analysis.
However especially in 3D, discretizations of these models reach easily the size of 100 Mill. degrees of freedoms and require extensive hardware resources in terms of main memory and computing power to solve the numerical model. Consequently, the focus of this work is to combine and adapt numerical solution methods to reduce the memory demand first and then the computation time and therewith enable an execution of the image-based analysis on modern computer desktops. Hence, the numerical model is a straightforward grid discretization of the voxel-based (pixels with a third dimension) geometry which omits the boundary detection algorithms and allows reduced storage of the finite element data structure and a matrix-free solution algorithm.
This in turn reduce the effort of almost all applied grid-based solution techniques and results in memory efficient and numerically stable algorithms for the microstructural models. Two variants of the matrix-free algorithm are presented. The efficient iterative solution method of conjugate gradients is used with matrix-free applicable preconditioners such as the Jacobi and the especially suited multigrid method. The jagged material boundaries of the voxel-based mesh are smoothed through embedded boundary elements which contain different material information at the integration point and are integrated sub-cell wise though without additional boundary detection. The efficiency of the matrix-free methods can be retained.
The capitalization of ‘certified’ sustainable building sector will be investigated over the power theory of value approach of Jonathan Nitzan and Shimshon Bichler. The study will be initiated by questioning why the environment problems are one of the first items on the agenda and by sharing the ideas of scholars who approaches the subject skeptically, because the predominant literature underlying the necessity and prominence of the topic is already well-known and adapted by the majority. Over the theory developed by Nitzan and Bichler, the concepts of capitalization, strategic sabotage, power, legitimacy, and obedience will be discussed. The hypothesis of “the absentee owners of the construction sector, holding the whip hand and capitalizing the ecology, control the growth and the creativity of green building production and make it carbon-dependent, in order to increase their profit margin” will be questioned. To strengthen the arguments in the hypothesis, the factors, the institutional arrangements, value measurement methods, which affect directly the net present value, will be investigated both in corporation and in building scale in detail, because net present value/ capitalization is asserted as the most important criteria by Nitzan and Bichler to make the investment decisions in the capitalist economic system. To trace the implications of power and the strategic sabotage that power caused, as the empirical dimension of this dissertation, an interface exploring the correlational ties between the climate responsive architecture and the ever changing political, economical, and social contexts and building economics praxis by decades will be developed and the expert interviews will be conducted with the design teams and the appraisers.
In der vorliegenden Arbeit wird die Bedeutung und Funktion des fotografischen Bildes und im Besonderen der Handyfotografie im Kontext von Internet und sozialen Onlinenetzwerken beschrieben, untersucht und diskutiert.
Im Spannungsfeld zwischen sozialwissenschaftlichen Theorien, foto- und medientheoretischem Diskurs sowie ästhetisch künstlerischen Perspektiven wird ausgelotet, welche konkreten visuellen und sozialen Formen die gegenwärtige mobile digitale Bildpraxis angenommen hat, wie sich ihre Gebrauchsweise innerhalb des globalen gesellschaftlichen Alltags darstellt, und in welcher Weise ihr spezielles Zusammenspiel aus „shooting“, „uploading“, „sharing“ zu neuen menschlichen Handlungsmustern und zur Schaffung neuer kultureller Realitäten beiträgt.
Polymer-modified cement concrete (PCC) is a heterogeneous building material with a hierarchically organized microstructure. Therefore, continuum micromechanics-based multiscale models represent a promising method to estimate the mechanical properties. By means of a bottom-up approach, homogenized properties at the macroscopic scale are derived considering microstructural characteristics. The extension of existing multiscale models for the application to PCC is the main objective of this work. For that, cross-scale experimental studies are required. Both macroscopic and microscopic mechanical tests are performed to characterize the elastic and viscoelastic properties of different PCC. The comparison between experiment and model prediction illustrates the success of the modeling approach.
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.
In computer-aided design (CAD), industrial products are designed using a virtual 3D model. A CAD model typically consists of curves and surfaces in a parametric representation, in most cases, non-uniform rational B-splines (NURBS). The same representation is also used for the analysis, optimization and presentation of the model. In each phase of this process, different visualizations are required to provide an appropriate user feedback. Designers work with illustrative and realistic renderings, engineers need a
comprehensible visualization of the simulation results, and usability studies or product presentations benefit from using a 3D display. However, the interactive visualization of NURBS models and corresponding physical simulations is a challenging task because of the computational complexity and the limited graphics hardware support.
This thesis proposes four novel rendering approaches that improve the interactive visualization of CAD models and their analysis. The presented algorithms exploit latest graphics hardware capabilities to advance the state-of-the-art in terms of quality, efficiency and performance. In particular, two approaches describe the direct rendering of the parametric representation without precomputed approximations and timeconsuming pre-processing steps. New data structures and algorithms are presented for the efficient partition, classification, tessellation, and rendering of trimmed NURBS surfaces as well as the first direct isosurface ray-casting approach for NURBS-based isogeometric analysis. The other two approaches introduce the versatile concept of programmable order-independent semi-transparency for the illustrative and comprehensible visualization of depth-complex CAD models, and a novel method for the hybrid reprojection of opaque and semi-transparent image information to accelerate stereoscopic rendering. Both approaches are also applicable to standard polygonal geometry which contributes to the computer graphics and virtual reality research communities.
The evaluation is based on real-world NURBS-based models and simulation data. The results show that rendering can be performed directly on the underlying parametric representation with interactive frame rates and subpixel-precise image results. The computational costs of additional visualization effects, such as semi-transparency and stereoscopic rendering, are reduced to maintain interactive frame rates. The benefit of this performance gain was confirmed by quantitative measurements and a pilot user study.
Der vorliegende Text beschreibt die intensive Erforschung von Wabenplatten aus Papierwerkstoffen, die durch Faltprozesse neue räumliche Zustände einnehmen können und somit ihr ursprüngliches Anwendungsspektrum erweitern. Die gezeigten Lösungsansätze bewegen sich dabei im Spannungsfeld von Architektur und Ingenieurbau, denn die gefalteten Bauteile sind nicht nur äußerst tragfähig sondern besitzen auch eine ästhetische Form. Die entwickelten Verfahren und Konstruktionen werden auf einem hohen architektonischen Niveau präsentiert und mit einfachen ingenieurtechnischen Methoden verifiziert. Zur Lösungsfindung werden geometrische Verfahren ebenso angewendet wie konstruktive Faustformeln und Recherchen aus Architektur und Forschung.
Der Fokus der Arbeit liegt auf der Untersuchung von Faltungen in Wabenplatten. Während der Auseinandersetzung mit der Thematik erschienen jedoch viele weitere Aspekte als sehr interessant und bearbeitungswürdig. Als theoretische Grundlage dieser Arbeit werden deshalb die geschichtliche Entwicklung und die gesellschaftliche Bedeutung von Papier und Papierwerkstoffen analysiert und deren Produktionsprozesse beleuchtet. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine Einordnung des Potentials und der Bedeutung des Werkstoffs Papier. Der Kontext der Arbeit wird dadurch gestärkt und führt zu interessanten zukünftigen Forschungsansätzen.
Intensive Untersuchungen widmen sich der geometrischen Bestimmung von Faltungen in Wabenplatten aus Papierwerkstoffen sowie deren Manifestation als konstruktive Bauteile. Auch die statischen Eigenschaften der Elemente und ihr Konstruktionspotential werden erforscht und aufbereitet. Wichtige Impulse aus Forschung und Technik fließen in die Recherche der Arbeit ein und erlauben die Verortung der Ergebnisse im architektonischen Kontext. Versuchsreihen und Materialstudien an Prototypen belegen die Ergebnisse virtueller und rechnerischer Studien. Konzepte zur parametrischen Berechnung und Visualisierung der Forschungsergebnisse werden präsentiert und zeigen zukunftsfähige Planungshilfen für die Industrie auf. Etliche Testreihen zu unterschiedlichsten Abdichtungskonzepten führen zur Realisierung eines sehenswerten Experimentalbaus. Er erlaubt die dauerhafte Untersuchung der entwickelten Bauteile unter realistischen Bedingungen und bestätigt deren Leistungsfähigkeit. Dadurch wird nicht nur ein dauerhaftes Monitoring und eine Evaluierung der Leistungsdaten möglich sondern es wird auch der sichtbare Beweis erbracht, dass mit Papierwerkstoffen effiziente und hochwertige Architekturen zu realisieren sind, welche das enorme gestalterische Potential von gefalteten Wabenplatten ausnutzen.
The building sector is responsible for a large share of human environmental impacts. Architects and planners are the key players for reducing the environmental impacts of buildings, as they define them to a large extent. Life Cycle Assessment (LCA) allows for the holistic environmental analysis of a building. However, it is currently not employed to improve the environmental performance of buildings during the design process, although the potential for optimization is greatest there. One main reason is the lack of an adequate means of applying LCA in the architectural design process. As such, the main objective of this thesis is to develop a method for environmental building design optimization that is applicable in the design process. The key concept proposed in this thesis is to combine LCA with parametric design, because it proved to have a high potential for design optimization.
The research approach includes the analysis of the characteristics of LCA for buildings and the architectural design stages to identify the research gap, the establishment of a requirement catalogue, the development of a method based on a digital, parametric model, and an evaluation of the method.
An analysis of currently available approaches for LCA of buildings indicates that they are either holistic but very complex or simple but not holistic. Furthermore, none of them provide the opportunity for optimization in the architectural design process, which is the main research gap. The requirements derived from the analysis have been summarized in the form of a catalogue. This catalogue can be used to evaluate both existing approaches and potential methods developed in the future. In this thesis, it served as guideline for the development of the parametric method – Parametric Life Cycle Assessment (PLCA). The unique main feature of PLCA is that embodied and operational environmental impact are calculated together. In combination with the self-contained workflow of the method, this provides the basis for holistic, time-efficient environmental design optimization. The application of PLCA to three examples indicated that all established mandatory requirements are met. In all cases, environmental impact could be significantly reduced. In comparison to conventional approaches, PLCA was shown to be much more time-efficient.
PLCA allows architects to focus on their main task of designing the building, and finally makes LCA practically useful as one of several criteria for design optimization. With PLCA, the building design can be time-efficiently optimized from the beginning of the most influential early design stages, which has not been possible until now. PLCA provides a good starting point for further research. In the future, it could be extended by integrating the social and economic aspects of sustainability.
Im Rahmen der Dissertation ist ein analytisches Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Kapazität in lichtsignalgeregelten Zufahrten mit zusätzlichen Aufstellstreifen bei gleichzeitiger Freigabezeit entwickelt worden, dass sich durch folgende Eigenschaften auszeichnet:
a) einfaches Berechnungsverfahren – Ansatz eines einfachen linearen Berechnungsansatzes, der auf den Grundzusammenhängen des Verkehrsablaufs in lichtsignalgeregelten Zufahrten aufbaut,
b) breites Anwendungsgebiet – Berechnungsverfahren kann in Zufahrten mit bis zu zwei zusätzlichen Aufstellstreifen angewendet werden,
c) hohe Genauigkeit – Im Rahmen eines direkten Vergleichs konnte u. a.
gezeigt werden, dass mit dem hergeleiteten analytischen Berechnungsverfahren genauere Kapazitätswerte ermittelt werden können, als mit dem Berechnungsverfahren nach HBS 2015.
Die Thesis untersucht am Beispiel von Farb-Licht Forschungen (Interaktion dynamischen Lichts mit farbigen Oberflächen) und der Designforschungen am Potenzial der organisch Licht emittierenden Dioden (OLED) integrierende Aspekte des Designs im Kontext dieser Technologien. Des weiteren reflektiert die Thesis am Beispiel dieser Designforschungen das Verhältnis von Designforschung und Innovation für die gestalterischen Disziplinen.
Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Modifizieren von Computerspielen (Modding). Die Annäherung an das Modding geschieht aus zwei unterschiedlichen Blickrichtungen: Zum einen wird mit einem analytischen Blick auf das Themenfeld geschaut, der das bereits Erforschte mit den eigenen Suchbewegungen kombiniert. Zum anderen wird die Perspektive der Handlung eingenommen, die sich in der Widerständigkeit des Materials, der Werkzeuge und der Spieltechnologie äußert. Im Mittelpunkt der Auseinandersetzung stehen das Modding als Praxis, die Mods als Derivate und die Erforschung des Computerspiels mit den Praktiken und Derivaten des Modifizierens. Das Modding wird so zu einer epistemischen Praxis des Computerspiels.
Die hier formulierten Überlegungen zum Modding, als eine forschende Praxis des Computerspiels, präsentieren eine Vorgehensweise, die ästhetische, widerständige und stabilisierende Aspekte in sich vereint. Sie dient der Erforschung des Computerspiels entlang seiner Diskussionen, Materialien, Technologien und Praktiken und fokussiert hierbei auf das Abseitige, dass als integraler Bestandteil des Computerspiels verstanden wird. Mit diesem Blick auf die Grenzen des Computerspielens werden Dinge sichtbar, die zwar Teil der synthetischen Computerspielwelten sind, durch dessen Inszenierungen und Atmosphären jedoch verschleiert werden. Der hier entwickelte Ansatz ermöglicht einen Perspektivenwechsel innerhalb dieser Welten und die Erforschung des Computerspiels unter besonderer Berücksichtigung seiner eingeschriebenen Normen und Machtverhältnissen. Das Modding dient hierbei als eine kritische Praxis zur Entschlüsselung dieser medial vermittelten Konstellationen.
SEEING HISTORY - THE AUGMENTED ARCHIVE erforscht – in Theorie und Praxis – die Medialitäten des Archivs in Zeiten des Übergangs vom Speichermedium hin zum Modus des Übertragens. Am Beispiel Ägyptens seit den politischen Umwälzungen 2011 wird ein neues Archivsystem entwickelt, das mit Hilfe von Augmented Reality Technologie - d.h. der virtuellen Erweiterung des Realraums von mobiler Videotechnik durch Metainformationen - das umfassendste bestehende Videoarchiv zur ägyptischen Revolution im Stadtraum Kairos per GPS-Kodierung zur Verfügung stellt.
As one of its primary objectives, Computer Graphics aims at the simulation of fabrics’ complex reflection behaviour. Characteristic surface reflectance of fabrics, such as highlights, anisotropy or retro-reflection arise the difficulty of synthesizing. This problem can be solved by using Bidirectional Texture Functions (BTFs), a 2D-texture under various light and view direction. But the acquisition of Bidirectional Texture Functions requires an expensive setup and the measurement process is very time-consuming. Moreover, the size of BTF data can range from hundreds of megabytes to several gigabytes, as a large number of high resolution pictures have to be used in any ideal cases. Furthermore, the three-dimensional textured models rendered through BTF rendering method are subject to various types of distortion during acquisition, synthesis, compression, and processing. An appropriate image quality assessment scheme is a useful tool for evaluating image processing algorithms, especially algorithms designed to leave the image visually unchanged. In this contribution, we present and conduct an investigation aimed at locating a robust threshold for downsampling BTF images without loosing perceptual quality. To this end, an experimental study on how decreasing the texture resolution influences perceived quality of the rendered images has been presented and discussed.
Next, two basic improvements to the use of BTFs for rendering are presented: firstly, the study addresses the cost of BTF acquisition by introducing a flexible low-cost step motor setup for BTF acquisition allowing to generate a high quality BTF database taken at user-defined arbitrary angles. Secondly, the number of acquired textures to the perceptual quality of renderings is adapted so that the database size is not overloaded and can fit better in memory when rendered.
Although visual attention is one of the essential attributes of HVS, it is neglected in most existing quality metrics. In this thesis an appropriate objective quality metric based on extracting visual attention regions from images and adequate investigation of the influence of visual attention on perceived image quality assessment, called Visual Attention Based Image Quality Metric (VABIQM), has been proposed. The novel metric indicates that considering visual saliency can offer significant benefits with regard to constructing objective quality metrics to predict the visible quality differences in images rendered by compressed and non-compressed BTFs and also outperforms straightforward existing image quality metrics at detecting perceivable differences.
This dissertation is devoted to the theoretical development and experimental laboratory verification of a new damage localization method: The state projection estimation error (SP2E). This method is based on the subspace identification of mechanical structures, Krein space based H-infinity estimation and oblique projections. To explain method SP2E, several theories are discussed and laboratory experiments have been conducted and analysed.
A fundamental approach of structural dynamics is outlined first by explaining mechanical systems based on first principles. Following that, a fundamentally different approach, subspace identification, is comprehensively explained. While both theories, first principle and subspace identification based mechanical systems, may be seen as widespread methods, barely known and new techniques follow up. Therefore, the indefinite quadratic estimation theory is explained. Based on a Popov function approach, this leads to the Krein space based H-infinity theory. Subsequently, a new method for damage identification, namely SP2E, is proposed. Here, the introduction of a difference process, the analysis by its average process power and the application of oblique projections is discussed in depth.
Finally, the new method is verified in laboratory experiments. Therefore, the identification of a laboratory structure at Leipzig University of Applied Sciences is elaborated. Then structural alterations are experimentally applied, which were localized by SP2E afterwards. In the end four experimental sensitivity studies are shown and discussed. For each measurement series the structural alteration was increased, which was successfully tracked by SP2E. The experimental results are plausible and in accordance with the developed theories. By repeating these experiments, the applicability of SP2E for damage localization is experimentally proven.
Living heritage sites are strongly connected to their historical, geographical, socio-political and cultural context. A descriptive narrative of the evolutionary process of the living heritage site of a Sufi shrine is undertaken in this research. It focuses on the changing relationship between the spatial and socio-cultural aspects over time. The larger or macro regional context is interrelated to the micro architectural context. The tangible heritage is defined by and intimately tied to the intangible aspects of the heritage. It is these constituting macro and micro elements and their interrelationships particularly through space and architecture that the research thesis explores in its documentation and analysis.
The Sufi shrine in the South Asian Pakistani context is representative of a larger culture in the precolonial era. It is an expression of an indigenous modernity, belonging to a certain time period, place and community. The Sufi shrine as a building type has evolved from the precolonial time period, particularly starting at the golden ages of the Muslim Empire in the world (9th – 12th century), through the colonial age when western modernity arrived until the current neoliberal paradigm within the post independence period. Continued and evolved use of space, ritualistic performances, multiple social groups using the site are various elements whose documentation and analysis can establish the essential co-relations that contribute to continuity of its historical living. Physical and social relation of the historic site to its immediate settlement context is also a significant element that preserves the socio-cultural context.
The chosen case of the Shrine of Shah Abdul Latif Bhitai, situated in the small town of Bhitshah in the province of Sindh, Pakistan forms a unique example where the particular physical and socio-cultural environment forms the context within which the Sufi heritage lives and survives. It is well integrated within its context at multiple levels. What are these levels and how do the constituting elements integrate is a major subject of research? These form the background to defining some of the basic issues and questions addressed in this doctoral thesis.
Given that living heritage sites are unique due to their particular association to the context, the case study method was used to gain deeper insight and understanding on the topic.
Polymeric nanocomposites (PNCs) are considered for numerous nanotechnology such as: nano-biotechnology, nano-systems, nanoelectronics, and nano-structured materials. Commonly , they are formed by polymer (epoxy) matrix reinforced with a nanosized filler. The addition of rigid nanofillers to the epoxy matrix has offered great improvements in the fracture toughness without sacrificing other important thermo-mechanical properties. The physics of the fracture in PNCs is rather complicated and is influenced by different parameters. The presence of uncertainty in the predicted output is expected as a result of stochastic variance in the factors affecting the fracture mechanism. Consequently, evaluating the improved fracture toughness in PNCs is a challenging problem.
Artificial neural network (ANN) and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) have been employed to predict the fracture energy of polymer/particle nanocomposites. The ANN and ANFIS models were constructed, trained, and tested based on a collection of 115 experimental datasets gathered from the literature. The performance evaluation indices of the developed ANN and ANFIS showed relatively small error, with high coefficients of determination (R2), and low root mean square error and mean absolute percentage error.
In the framework for uncertainty quantification of PNCs, a sensitivity analysis (SA) has been conducted to examine the influence of uncertain input parameters on the fracture toughness of polymer/clay nanocomposites (PNCs). The phase-field approach is employed to predict the macroscopic properties of the composite considering six uncertain input parameters. The efficiency, robustness, and repeatability are compared and evaluated comprehensively for five different SA methods.
The Bayesian method is applied to develop a methodology in order to evaluate the performance of different analytical models used in predicting the fracture toughness of polymeric particles nanocomposites. The developed method have considered the model and parameters uncertainties based on different reference data (experimental measurements) gained from the literature. Three analytical models differing in theory and assumptions were examined. The coefficients of variation of the model predictions to the measurements are calculated using the approximated optimal parameter sets. Then, the model selection probability is obtained with respect to the different reference data.
Stochastic finite element modeling is implemented to predict the fracture toughness of polymer/particle nanocomposites. For this purpose, 2D finite element model containing an epoxy matrix and rigid nanoparticles surrounded by an interphase zone is generated. The crack propagation is simulated by the cohesive segments method and phantom nodes. Considering the uncertainties in the input parameters, a polynomial chaos expansion (PCE) surrogate model is construed followed by a sensitivity analysis.
Advances in nanotechnology lead to the development of nano-electro-mechanical systems (NEMS) such as nanomechanical resonators with ultra-high resonant frequencies. The ultra-high-frequency resonators have recently received significant attention for wide-ranging applications such as molecular separation, molecular transportation, ultra-high sensitive sensing, high-frequency signal processing, and biological imaging. It is well known that for micrometer length scale, first-principles technique, the most accurate approach, poses serious limitations for comparisons with experimental studies. For such larger size, classical molecular dynamics (MD) simulations are desirable, which require interatomic potentials. Additionally, a mesoscale method such as the coarse-grained (CG) method is another useful method to support simulations for even larger system sizes.
Furthermore, quasi-two-dimensional (Q2D) materials have attracted intensive research interest due to their many novel properties over the past decades. However, the energy dissipation mechanisms of nanomechanical resonators based on several Q2D materials are still unknown. In this work, the addressed main issues include the development of the CG models for molybdenum disulphide (MoS2), investigation of the mechanism effects on black phosphorus (BP) nanoresonators and the application of graphene nanoresonators. The primary coverage and results of the dissertation are as follows:
Method development. Firstly, a two-dimensional (2D) CG model for single layer MoS2 (SLMoS2) is analytically developed. The Stillinger-Weber (SW) potential for this 2D CG model is further parametrized, in which all SW geometrical parameters are determined analytically according to the equilibrium condition for each individual potential term, while the SW energy parameters are derived analytically based on the valence force field model. Next, the 2D CG model is further simplified to one-dimensional (1D) CG model, which describes the 2D SLMoS2 structure using a 1D chain model. This 1D CG model is applied to investigate the relaxed configuration and the resonant oscillation of the folded SLMoS2. Owning to the simplicity nature of the 1D CG model, the relaxed configuration of the folded SLMoS2 is determined analytically, and the resonant oscillation frequency is derived analytically. Considering the increasing interest in studying the properties of other 2D layered materials, and in particular those in the semiconducting transition metal dichalcogenide class like MoS2, the CG models proposed in current work provide valuable simulation approaches.
Mechanism understanding. Two energy dissipation mechanisms of BP nanoresonators are focused exclusively, i.e. mechanical strain effects and defect effects (including vacancy and oxidation). Vacancy defect is intrinsic damping factor for the quality (Q)-factor, while mechanical strain and oxidation are extrinsic damping factors. Intrinsic dissipation (induced by thermal vibrations) in BP resonators (BPRs) is firstly investigated. Specifically, classical MD simulations are performed to examine the temperature dependence for the Q-factor of the single layer BPR (SLBPR) along the armchair and zigzag directions, where two-step fitting procedure is used to extract the frequency and Q-factor from the kinetic energy time history. The Q-factors of BPRs are evaluated through comparison with those of graphene and MoS2 nanoresonators. Next, effects of mechanical strain, vacancy and oxidation on BP nanoresonators are investigated in turn. Considering the increasing interest in studying the properties of BP, and in particular the lack of theoretical study for the BPRs, the results in current work provide a useful reference.
Application. A novel application for graphene nanoresonators, using them to self-assemble small nanostructures such as water chains, is proposed. All of the underlying physics enabling this phenomenon is elucidated. In particular, by drawing inspiration from macroscale self-assembly using the higher order resonant modes of Chladni plates, classical MD simulations are used to investigate the self-assembly of water molecules using
graphene nanoresonators. An analytic formula for the critical resonant frequency based on the interaction between water molecules and graphene is provided. Furthermore, the properties of the water chains assembled by the graphene nanoresonators are studied.
The phenomenon of aerodynamic instability caused by the wind is usually a major design criterion for long-span cable-supported bridges. If the wind speed exceeds the critical flutter speed of the bridge, this constitutes an Ultimate Limit State. The prediction of the flutter boundary, therefore, requires accurate and robust models. The complexity and uncertainty of models for such engineering problems demand strategies for model assessment. This study is an attempt to use the concepts of sensitivity and uncertainty analyses to assess the aeroelastic instability prediction models for long-span bridges. The state-of-the-art theory concerning the determination of the flutter stability limit is presented. Since flutter is a coupling of aerodynamic forcing with a structural dynamics problem, different types and classes of structural and aerodynamic models can be combined to study the interaction. Here, both numerical approaches and analytical models are utilised and coupled in different ways to assess the prediction quality of the coupled model.
Córdoba es la segunda ciudad más poblada de la Argentina, y posee el ejido municipal más extenso del país, siendo un importante centro industrial y de servicios del centro del país. Es además la cabecera de la segunda región metropolitana argentina, el Área Metropolitana de Córdoba (AMCBA). Si bien el desarrollo de sus áreas centrales y periurbanas es un tema bastante desarrollado académicamente, actualmente hay un vacío de conocimiento en la situación actual de las áreas pericentrales e intermedias de esta ciudad -aun cuando ocupan más del 30% del área urbanizada y donde habita la mayor parte de su población-. Es en estas áreas donde se ubica el objeto de estudio de esta tesis: los barrios pericentrales que forman un anillo alrededor del área central. Originados como extensiones suburbanas alrededor de 1940, y consolidados como barrios residenciales de clase media y media alta de baja densidad antes de 1970, ocupan lo que son hoy algunas de las áreas con mejor calidad ambiental y urbana de la ciudad.
Los barrios pericentrales son considerados generalmente consolidados y estables; sin embargo, analizados en detalle, muestran complejas transformaciones: un vaciamiento poblacional constante, a pesar del crecimiento demográfico en general de Córdoba y el AMCBA; aumento de inmuebles abandonados; y a diferencia de sectores en una similar posición, no son objeto de grandes inversiones inmobiliarias de renovación urbana.
Esta situación es invisibilizada, en parte por ser resultado de procesos con poco impacto relativo en la ciudad, y en parte porque estos procesos no están contemplados por los modelos urbanos locales vigentes –basados en la teoría racionalista y determinista de principios del siglo XX-, que conceptualizan a los barrios pericentrales como una “panacea urbana”. Esta tesis puso en disputa estos modelos, partiendo de la discusión sobre un fenómeno informal detectado indefectiblemente (aunque no exclusivamente) en estos barrios pericentrales: la microdensificación emergente.
La imposibilidad de colocar los inmuebles existentes en el mercado hace que los propietarios busquen nuevas formas de valorizar sus propiedades, de facilitar el acceso a la vivienda a sus hijos o de invertir sus ahorros de forma segura, obteniendo una fuente adicional de ingresos: en cada parcela edificada se aumenta la cantidad de unidades funcionales, aprovechando la superficie construible vacante o refuncionalizando las construcciones obsoletas, aunque manteniendo el grano y la escala de intervención respecto al tejido existente. La oferta de hábitat en estos barrios se diversifica, y no sólo evita la expulsión de población, sino que también atrae a nuevos habitantes. Además, en un tejido originalmente sólo residencial, incorpora actividades de comercio y servicios que enriquecen el tejido funcional.
El proceso se realiza sin planificación general (y por supuesto fuera del marco legal): es la suma de acciones individuales que se reconstruyen como una “tendencia” o “patrón emergente”, revitalizando el tejido urbano de forma sutil pero definitiva.
Se planteó como hipótesis que la microdensificación emergente es un proceso de revitalización que aprovecha el potencial del tejido de estos barrios de forma más sostenible y eficiente que el modelo impuesto formalmente.
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La tesis se encuadró bajo el enfoque sistémico de la complejidad. Este enfoque entiende a la ciudad como un sistema complejo y dinámico, en desarrollo constante; determinado más por las interrelaciones entre sus componentes y entre esos componentes y el contexto, que por las condiciones de cada elemento individualmente. La calidad y cantidad de estas interacciones es primordial, al punto de definir la condición urbana de una aglomeración. Según estas premisas, un sistema urbano sostenible y eficiente será aquel que, maximizando recursos materiales y humanos (y de acuerdo a la capacidad de carga del sistema) desarrolle de redes de intercambio múltiples, diversas y descentralizadas, que generen procesos de sinergia y desarrollo inclusivos.
La investigación se estructuró entonces de forma tal de responder las siguientes preguntas:
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En primer lugar, ¿cuáles son las condiciones específicas que catalizan la microdensificación en los barrios pericentrales de Córdoba?
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Siendo la microdensificación una respuesta a una situación particular dentro del sistema urbano, ¿Cuál es el grado de sostenibilidad y eficiencia que aporta a los barrios pericentrales (en particular) y a Córdoba (en general)?
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Y tras haber identificado su impacto en la estructura urbana, su potencial transformador y organizativo, ¿puede el estudio de los procesos emergentes hacer un aporte conceptual e instrumental a los modelos locales de planeamiento urbano?
Primeramente, un análisis documental reconstruyó la condición específica de los barrios pericentrales, y el escenario actual de Córdoba con respecto a la producción y acceso al hábitat urbano. Luego se infirió un escenario tendencial a corto y mediano plazo, que sirvió para definir distintos patrones de territorialización, incluyendo el patrón “formal” de los barrios pericentrales. Se continuó con el análisis específico de la microdensificación, proponiendo un escenario posible a mediano plazo donde el patrón de microdensificación ha sido plenamente desarrollado, transformando cuali y cuantitativamente el tejido espacio-funcional y socioeconómico.
A partir de estos resultados, se realizó un análisis comparativo de los distintos patrones de desarrollo urbano de Córdoba en cuanto a su sostenibilidad y eficiencia. Se demostró que el patrón de microdensificación en los barrios pericentrales es mucho más sostenible y eficiente que los patrones formales existentes, y se abrió la discusión que se desarrolla en la última parte de esta tesis:
El argumento desarrollado en esta investigación y los resultados que de él se desprenden tienen un carácter analítico y explicativo útil para el análisis de otros escenarios en el contexto urbano argentino y latinoamericano. En primer lugar, sobre preferir la revitalización progresiva frente a la renovación total o la creación de nuevo suelo urbano en la periferia; promover una ciudad compacta, diversa e inclusiva tanto social como funcionalmente; basada en la multiplicación y diversificación de los agentes productores de ciudad; que considera estos procesos, así como los mecanismos de empoderamiento, participación y gobernanza como instrumentos para lograr mayor sostenibilidad y eficiencia en el desarrollo urbano. Por otro lado, esta tesis puso en relevancia el rol de los procesos emergentes en un sistema urbano como mecanismo vital para generar esta revitalización. Finalmente, se discute el aporte del enfoque sistémico para comprender, explicar y proponer intervenciones a la disciplina.
The Variability of the Void Ratio of Sand and its Effect on Settlement and Infinite Slope Stability
(2018)
The uncertainty of a soil property can significantly affect the physical behavior of soil, so as to influence geotechnical practice. The uncertainty can be expressed by its stochastic parameters, including the mean, the standard deviation, and the spatial correlation length. These stochastic parameters are regarded as constant value in most of the former studies. The main aim of this thesis is to prove whether they are depth-dependent, and to evaluate the effect of this depth-dependent character on both the settlement and the infinite slope stability during rainwater infiltration.
A stochastic one-dimensional settlement simulation is carried out using random finite element method with the von Wolffersdorff hypoplastic model, so as to evaluate the effect of stress level on the stochastic parameters of void ratio related parameters of sand. It is found that these stochastic parameters are both stress-dependent and depth-dependent.
The non-stationary random field, considering the depth-dependent character of these stochastic parameters, can be generated through the distortion of the stationary random field.
The one-dimensional settlement analysis is carried out to evaluation the effect of the depth-dependent character of the stochastic parameters of void ratio on the strain. It is found that the depth-dependent character has low effect on the strain.
The deterministic analysis of infinite slope stability during rainwater infiltration is simulated.
The transient seepage is carried out using finite difference method, while the steady state seepage is simulated using the analytical solution. The saturated hydraulic conductivity (ks) is taken as the only variable. The results show that the depth-dependent ks has a significant influence on the stability of the slope when the negative flux is high. Without considering the depth-dependent character, can overestimate the factor of safety of the slope. A slope can fail if the depth-dependent character is considered, while it is stable if the depth-dependent character is neglected. The failure time of the slope with a greater depth-dependent ks is earlier during transient infiltration.
Meanwhile, the stochastic infinite slope stability analysis during infiltration, is also carried out to highlight the effect of the depth-dependent character of the stochastic parameters of ks. The results show that: the probability of failure is significantly increased if the depth-dependent character of mean is considered, while, it is moderately reduced if the depth-dependent character of the standard deviation is accounted. If the depth-dependent character of both the mean and standard deviation of ks is considered, the depth-dependent mean value plays a dominant influence on the results. Furthermore, the depth-dependent character of the spatial correlation length can slightly reduce the probability of failure.
Increasing structural robustness is the goal which is of interest for structural engineering community. The partial collapse of RC buildings is subject of this dissertation. Understanding the robustness of RC buildings will guide the development of safer structures against abnormal loading scenarios such as; explosions, earthquakes, fine, and/or long-term accumulation effects leading to deterioration or fatigue. Any of these may result in local immediate structural damage, that can propagate to the rest of the structure causing what is known by the disproportionate collapse.
This work handels collapse propagation through various analytical approaches which simplifies the mechanical description of damaged reinfoced concrete structures due to extreme acidental event.
Ziel der Arbeit war das Adsorptionsverhalten ausgewählter schutzkolloidstabilisierter Polymerpartikel mit variierender chemischer Basis im zementären System zu beschreiben und basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen das Konkurrenzverhalten beim Angebot unterschiedlicher mineralischer Oberflächen zu klären.
Sowohl die Destabilisierung der Polymerpartikel im alkalischen Milieu, welche eine Voraussetzung für derartige Adsorptionsprozesse ist, als auch die Veränderung von Oberflächeneigenschaften verschiedener mineralischer Partikel durch Hydratations- und Ionenadsorptionsprozesse, wurden u. a. mit Hilfe elektrokinetischer Experimente erfasst. Die spektralphotometrische Erstellung von Adsorptionsisothermen ermöglichte zudem die Ermittlung der jeweiligen adsorbierten Polymermenge zu verschiedenen Zeitpunkten der frühen Hydratation. Weiterhin wurde die Polymeradsorption an Partikeln ausgewählter Zusatzstoffe in Abhängigkeit von der Ionenstärke der Flüssigphase beschrieben.
Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen cryo-präparierter polymermodifizierter Zementleimproben ermöglichten es außerdem deren Mikrostruktur im suspensiven Zustand zu visualisieren. Diese Aufnahmen, ebenso wie die Ergebnisse grundlegender hydratationskinetischer Untersuchungen wurden in Wechselbeziehung zu den Ergebnissen der Adsorptionsuntersuchungen gebracht.
Maßgelbliche intermolekulare und interpartikuläre Wechselwirkungen, infolge derer sich die Stabilitätsverhältnisse im Zementleim ändern und die Polymerpartikel adsorbieren sind im Wesentlichen die Desorption des Schutzkolloids von der Polymerpartikeloberfläche, die Ionisation funktioneller Gruppen der Polymerpartikel und der Schutzkolloidmakromoleküle im alkalischen Milieu und infolgedessen die Komplexbildung mit Ionen der Zementleimporenlösung. Die Auswirkungen dieser Vorgänge auf die Lösungs- und Fällungskinetik des Zementleimes wurden erfasst und mit der chemischen Zusammensetzung der polymeren Systeme korreliert.