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The importance of modern simulation methods in the mechanical analysis of heterogeneous solids is presented in detail. Thereby the problem is noted that even for small bodies the required high-resolution analysis reaches the limits of today's computational power, in terms of memory demand as well as acceptable computational effort. A further problem is that frequently the accuracy of geometrical modelling of heterogeneous bodies is inadequate. The present work introduces a systematic combination and adaption of grid-based methods for achieving an essentially higher resolution in the numerical analysis of heterogeneous solids. Grid-based methods are as well primely suited for developing efficient and numerically stable algorithms for flexible geometrical modeling. A key aspect is the uniform data management for a grid, which can be utilized to reduce the effort and complexity of almost all concerned methods. A new finite element program, called Mulgrido, was just developed to realize this concept consistently and to test the proposed methods. Several disadvantages which generally result from grid discretizations are selectively corrected by modified methods. The present work is structured into a geometrical model, a mechanical model and a numerical model. The geometrical model includes digital image-based modeling and in particular several methods for the theory-based generation of inclusion-matrix models. Essential contributions refer to variable shape, size distribution, separation checks and placement procedures of inclusions. The mechanical model prepares the fundamentals of continuum mechanics, homogenization and damage modeling for the following numerical methods. The first topic of the numerical model introduces to a special version of B-spline finite elements. These finite elements are entirely variable in the order k of B-splines. For homogeneous bodies this means that the approximation quality can arbitrarily be scaled. In addition, the multiphase finite element concept in combination with transition zones along material interfaces yields a valuable solution for heterogeneous bodies. As the formulation is element-based, the storage of a global stiffness matrix is superseded such that the memory demand can essentially be reduced. This is possible in combination with iterative solver methods which represent the second topic of the numerical model. Here, the focus lies on multigrid methods where the number of required operations to solve a linear equation system only increases linearly with problem size. Moreover, for badly conditioned problems quite an essential improvement is achieved by preconditioning. The third part of the numerical model discusses certain aspects of damage simulation which are closely related to the proposed grid discretization. The strong efficiency of the linear analysis can be maintained for damage simulation. This is achieved by a damage-controlled sequentially linear iteration scheme. Finally a study on the effective material behavior of heterogeneous bodies is presented. Especially the influence of inclusion shapes is examined. By means of altogether more than one hundred thousand random geometrical arrangements, the effective material behavior is statistically analyzed and assessed.
The main hypothesis of this research is that civil society’s participation is able to improve the planning results in the Chinese city of Qingdao in the contemporary age. Qingdao is a young city developed from a German colony in eastern China. Apart from the powers of the government and the market, the 'third power', including mainly the power of volunteer citizens and the citizens’ organisations, also positively promoted the spatial development in Qingdao’s history. Since 1978’s reform, Qingdao’s great progress in urban housing, historic preservation, public space and urban traffic results mainly from the increasing strength of both the government and the market, while the government has always been the dominant promoter for urban construction. The actual planning mechanism – the government formulates 'what to do' itself and decides 'how to do it' with the market – has much limit in reacting to the rapidly changing situation, serving diversified social interests, and raising sufficient funds for the city’s urgent demands in Qingdao. Searching for new development strategies based on the understanding of civil society in the Chinese context can provide a promising perspective on the urban studies of Qingdao. Chinese civil society can be understood as the intermediate sphere of individuals, families, citizen’s organisations, social movements, public communication, and of the non-governmental body’s non-for-profit involvement for the provision of public services between the state and the market. China has its own cultural tradition of civil society, and the modern civil society in China is showing its great potential in improving social integration and urban life. The Chinese government has started to advocate for civil society’s participation in urban construction, and encouraging the 'bottom-up' mechanism in the planning-related issues through political statements and legislative approaches since the last two decades. The existing planning practice in China is able to demonstrate that civil society’s participation helps improve the quality of Chinese urban planning realistically under present conditions, and that moderation of planning experts and the push of the authority are the key factors for successfully integrating the strength of civil society in planning. However, the power of civil society is not yet sufficiently discovered in Qingdao’s planning. For better planning results, the city of Qingdao needs more initiatives to mobilize civil society in the planning practice, as well as more support to enrich the related studies. This thesis recommends that Qingdao establishes the 'Foundation for Collaborative Urban Solutions' through the joint efforts of the authority and civil initiatives, which aims at moderating and facilitating the strength of civil society. The suggested pilot projects include: a. The Community-based Housing Workshop for regenerating the living environment of the run-down communities, where the residents are willing to collaborate with the foundation with own efforts. b. The Heritage Preservation Workshop for suggesting an efficient supervision mechanism involving civil society which protects the historic heritage from being destroyed in the urban construction. c. The Public Space Forum for improving accessibility, quantity and ecologic function in the development of Qingdao’s urban public space with the knowledge and creativity of both the government and the citizens. d. The Mass Transport Forum for a realistic strategy for funding the rail-based traffic system in Qingdao through enabling the civil society - especially the individual citizens and their households to invest. The 'Foundation of Collaborative Urban Solutions' is able to improve Qingdao’s planning to cope with the urban problems the city are facing in its contemporary development, as well as to provide valuable reference for the further research of civil society’s participation in Chinese urban planning.
Moderne Büroarchitektur mit Räumen in Leichtbauweise und großen transparenten Fassa-denanteilen verschärft im Zusammenwirken mit hohen internen Lasten die Problematik der sommerlichen Überhitzung in Gebäuden. Phasenübergangsmaterialien (PCM: phase change materials) stellen eine interessante Möglichkeit dar, sommerliche Überhitzung in Gebäuden ohne aufwändige Anlagentechnik wie beispielsweise Klimaanlagen zu reduzieren. Der thermische Komfort in Räumen, die mit einem PCM-Putz ausgestattet sind, kann signifikant erhöht werden. Die Arbeit untersucht Anwendungsmöglichkeiten und Optimierungspotential eines PCM-Putzes auf experimentelle und numerische Weise. Zur Untersuchung des PCM-Putzes wurden materialtechnische und experimentelle sowie numerische und numerisch-analytische Methoden eingesetzt. Die Kenntnis der thermischen Parameter des PCM-Putzes ist unablässig für die Berechnung der möglichen Temperaturreduktionen. Zur Bestimmung der Latentwärme, des qualitativen Schmelz- und Erstarrungsprozesses sowie des Temperaturintervalls, in dem der Phasenübergang stattfindet, wurden Messungen mit einem Differential Scanning Calorimeter (DSC) durchgeführt. Für die experimentelle Untersuchung des PCM-Putzes wurden zwei identische Testräume in Leichtbauweise erstellt. Die Räume wurden im Verifikationsobjekt „Eiermannbau“ des Sonderforschungsbereiches SFB 524 der Bauhaus-Universität Weimar gemessen. Nach der Überprüfung, dass sich beide Räume thermisch gleich verhalten, wurde ein Raum mit dem PCM-Putz und der zweite Raum mit einem vergleichbaren Innenputz ohne PCM verputzt. Thermoelemente zur Temperaturmessung im Bauteil, an der Oberfläche und zur Raumlufttemperaturbestimmung wurden angebracht und mit einer Messwerterfassungsanlage verbunden. Der Verlauf der Außenlufttemperatur und die Globalstrahlung am Standort der Versuchsräume wurden aufgezeichnet, um einen Klimadatensatz zu erstellen. Für die Berechnung der Temperaturverteilung in einem PCM-Bauteil mit kontinuierlichem Phasenübergang existiert keine geschlossene analytische Lösung. Daher wurde ein numerischer Ansatz gewählt, bei dem der Phasenübergang im Temperaturbereich T1 bis T2 mit Hilfe einer temperaturabhängigen Wärmekapazität c(T) innerhalb der erweiterten Fou-rier’schen Wärmeleitungsgleichung dargestellt wird. Die Funktion c(T) wird auf Basis der DSC-Messungen bestimmt. Die Modellierung erfolgte mit einem Finite-Differenzen-Verfahren auf Grundlage der Fourier’schen Wärmeleitungsgleichung. Im Rahmen der Arbeit wurde ein PCM-Modul entwickelt, das in ein Gebäudesimulationsprogramm implementiert wurde. Mit dem neuen Modul lassen sich sowohl die Temperaturverläufe in einem PCM-Bauteil wie auch seine Wechselwirkung mit dem Raumklima darstellen. Eine Validierung des entwickelten PCM-Moduls anhand von zahlreichen experimentellen Daten der Versuchsräume wurde für das PCM-Modul erfolgreich durchgeführt. Sommerliche Überhitzungsstunden können durch PCM in Wand- und Deckenelementen deutlich reduziert werden. Der PCM-Putz eignet sich vor allem für Anwendungen in Leichtbauten wie z.B. moderne Büroräume. In Räumen, in denen bereits eine ausreichende thermische Masse vorhanden ist, ist die Temperaturreduktion durch PCM nur gering. Kann das PCM während der Nachtstunden nicht erstarren, erschöpft sich seine Fähigkeit zur Latentwärmespeicherung. Erhöhte Nachtlüftung führt bei entsprechend niedrigen Außentemperaturen zu höherem Wärmeübergang und kann damit zur besseren Entladung des PCM beitragen. Im Rahmen der Dissertation konnten Aussagen zur idealen Phasenübergangstemperatur in Abhängigkeit des verwendeten Materials und der Schichtdicke getroffen werden. Die Reduktion der Oberflächentemperaturen, die sich bei Einsatz eines PCM-Putzes unter geeigneten Randbedingungen ergibt, beträgt 2.0 - 3.5 K für eine Putzschicht von 1 cm und 3.0 - 5.0 K für eine Putzschicht von 3 cm. Diese Werte wurden sowohl numerisch als auch durch experimentelle Untersuchungen ermittelt. Die Reduktion der Lufttemperaturen aufgrund einer Konditionierung des Raumes mit PCM-Putz beträgt bei geeigneten thermischen Verhältnissen ca. 1.0 - 2.5 K für eine Putzschicht von 1 cm und 2.0 - 3.0 K für eine Putzschicht von 3 cm. Die operative Temperatur als wichtiger Komfortparameter kann durch den Einsatz des PCM-Putzes um bis zu 4 K gesenkt werden. Damit lässt sich mit Hilfe eines PCM-Putzes die thermische Behaglichkeit in einem Raum deutlich erhöhen.
Kein anderes Material hat im 19. Jahrhundert das Design und die Architektur beeinflußt, wie die Kunststoffe. Das Feld der Realisationen und der Projekte des gesamten Kunststoffbaus ist dabei aufgrund der unterschiedlichen Kunststoffarten und somit Ausführungen sehr weitläufig. Daher begrenzt sich diese Untersuchung auf die glasfaserverstärkten Kunststoffe (GFK). Die Glasfasern übertragen die auftretenden Kräfte und werden durch das sie umschließende Harz gebunden. Die GFK sind daher bestens für tragende Bauteile geeignet. Die glasfaserverstärkten Kunststoffe durchliefen in den 1940er bis 1970er Jahren eine für einen Baustoff kurze aber sehr ergiebige Pionierphase. Die umfassende Analyse der drei zu unterscheidenden Perioden setzt sich aus der Untersuchung der wirtschaftlichen, politischen, gesellschaftlichen und kulturellen Beeinflussungen zusammen. Circa 260 unterschiedliche Projekte wurden weltweit aus selbsttragenden / tragenden GFK-Bauteilen realisiert. Diese sind ausführlich innerhalb des Kataloges im Anhang aufgelistet. GFK-Bauten waren nicht allein aufgrund des neuen Materials modern, sondern auch aufgrund ihrer freien Formbarkeit, transluzenten Flächen und auffälligen Farben und den flexiblen Nutzungskonzepten entsprechend einer modernen demokratischen Gesellschaft, die aufgeschlossen und optimistisch der Zukunft gegenübersteht. Die Realisationen, die zum Teil bis heute noch genutzt werden, beweisen den hohen Wissensstand der Pioniere. Die von den Pionieren gesuchte GFK-Architektur war eine sehr vielfältige, die sich nicht auf wenige Formenmerkmale zusammenfassen läßt. Das neue Material ermöglichte es den Architekten, ihre Vorstellungen und Träume von Formen, Gehäusen und Bauten zu realisieren. Die Analyse der Vorgänger und der Inspirationsquellen diese Formenvielfalt sind Grundlage einer objektiven Beurteilung dieser Bauten. Architekten und Bauingenieure suchten ideale Einsatzgebiete und Konstruktionsvarianten für den bis dahin assoziationsfreien Baustoff. Die Nutzungskonzepte: Wohnhaus, Zweithaus, Ausstellung, Spielgerät und die Entwicklung von Gebäudeteilen: Gebäudehülle, Überdachung, Fassade werden im Gesamtzusammenhang und nach der optimalen Verwendbarkeit untersucht. Das Wissen über den Verlauf der Pionierphase der GFK, die damals formulierten Gründe für und wider deren Einsatz und der entwickelten Konstruktionen, Verbindungstechniken und Tragwerke kann einem erneuten Einsatz des Baumateriales nur dienlich sein. Anliegen dieser Dissertation ist es, die GFK als einsatzfähige Werkstoffe innerhalb der Architekturlandschaft wieder einen Platz zu geben. Diese Analyse soll verschüttetes Wissen aufdecken, die in den 1970er Jahren entstandenen Vorurteile sichtbar machen und die glasfaserverstärkten Kunststoffe als das darstellen, was sie sind, leistungsfähige Baustoffe für gekrümmte und gefaltete Konstruktionen.
Oberflächenabdichtungen von Deponien sind in ihrer langfristigen Funktion häufig durch eine austrocknungsbedingter Rissbildung der mineralischen Dichtungskomponente gefährdet. Als Ursachen gelten insbesondere das standortspezifische Klima mit den stark schwankenden Randbedingungen (Niederschlag, Temperatur), Pflanzen und Tiere sowie auch ein ungeeigneter Systemaufbau. Durch einen Wasserentzug treten Schrumpfungsprozesse in der mineralischen Dichtung auf welche über negative Dehnungen zu Dehnungsbrüchen und damit zu einer Rissbildung führen. Für die Beanspruchbarkeit eines Dichtungsmaterials bei Wasserentzug sind insbesondere dessen Schrumpfverhalten und dessen Zugfestigkeit von Bedeutung. Beide Eigenschaften wurden durch eigens konzipierte Laborversuche beispielhaft an zwei typischen Dichtungsböden untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine große Abhängigkeit von der Wasserspannung sowie von der Bodenstruktur. Für die Zugfestigkeit und dem daraus abgeleiteten Dehnungsmodul gilt z. B. jeweils eine eindeutige Zunahme mit Zunahme der Wasserspannungen. Mit Hilfe der Ergebnisse aus den Laborversuchen sowie numerischen Berechnungen des Was-serhaushaltes und der vorherrschenden Spannungen kann eine erste Rissgefährdungsabschätzung für mineralische Dichtungen in Oberflächenabdichtungen abgeleitet und angewandt werden. Weitere Erläuterungen z. B. zu den Eigenschaften und der Teilsättigung bindiger Böden, analytische Zugfestigkeitsberechnungen oder Empfehlungen zum Entwurf und der Herstellung von Oberflächenabdichtungen ergänzen die Arbeit.
Die Instandhaltung der städtischen Trinkwassernetze ist Aufgabenschwerpunkt der Wasserversorgungsunternehmen bzw. Netzbetreiber. Dazu notwendige Rehabilitationsplanungen stützen sich zurzeit weitgehend auf die Trendprognose von Schadensraten und die Erfahrungen der Mitarbeiter. Der Einfluss wesentlicher Kenngrößen wie Werkstoffeigenschaften oder die Resttragfähigkeit des Rohres bleiben hierbei größtenteils unberücksichtigt. Über materialtechnische Untersuchungen werden die notwendigen Kenngrößen ermittelt, die eine zuverlässige Bewertung des technischen Zustands des Rohrstrangs ermöglichen. So lassen sich die Prognose der technischen Nutzungsdauer und Rehabilitationsplanungen auf eine solide Basis stellen. In dieser Dissertationsschrift wird hierzu ein Untersuchungs- und Bewertungsalgorithmus mit integrierten Prognoseverfahren erarbeitet.
Datenmodelle zur Bearbeitung von Ingenieuraufgaben am Beispiel von Wohnhäusern in Stahlbauweise
(2006)
Modelle bilden die Grundlage der Planung. Sie repräsentieren die zur Bearbeitung erforderlichen Eigenschaften eines Bauwerks in einer an die spezifische Aufgabe angepassten Form. Zwischen den verschiedenen zur Abbildung des Bauwerks eingesetzten Modellen bestehen fachliche Zusammenhänge bezüglich der darin abgebildeten Aspekte. Diese Abhängigkeiten werden in der praktischen Planungsbearbeitung gegenwärtig auf Grundlage von Erfahrungswerten, normativen Vorgaben und vereinfachenden Annahmen berücksichtigt. Die detailliertere Modellierung von Bauwerkseigenschaften führt zu einer engeren Verzahnung der verschiedenen Modelle. Um eine fachliche Inselbildung zu vermeiden, ist eine entsprechend angepasste Abbildung der zwischen den einzelnen Modellen bestehenden Beziehungen erforderlich. Mit den steigenden Ansprüchen an eine Bearbeitung von Ingenieuraufgaben gewinnt eine über den Zweck der Bereitstellung ausgewählter Informationen zum Bauwerk und der Unterstützung eines Datenaustauschs zwischen verschiedenen Fachplanern hinausgehende datentechnische Abbildung an Bedeutung. Dies setzt eine Diskussion der Anforderungen an eine solche Beschreibung aus fachlicher Sicht voraus. Die Untersuchung der fachlichen Anforderungen wird am Beispiel von Wohnhäusern in Stahlbauweise geführt.
System identification is often associated with the evaluation of damage for existing structures. Usually, dynamic test data are utilized to estimate the parameter values for a given structural model. This requires the solution of an inverse problem. Unfortunately, inverse problems in general are ill-conditioned, particularly with a large number of parameter to be determined. This means that the accuracy of the estimated parameter values is not sufficiently high in order to enable a damage identification. The goal of this study was to develop an experimental procedure which allows to identify the system parameters in substructures with high reliability. For this purpose, the method of selective sensitivity was employed to define special dynamic excitations, namely selectively sensitive excitation. Two different approaches have been introduced, which are the quasi-static approach and the iteratively experimental procedure. The former approach is appropriate for statically determinate structures and excitation frequencies below the structure's fundamental frequency. The latter method, which uses a-priori information about the parameters to be identified to set up an iterative experiment, can be applied to statically indeterminate structures. The viability of the proposed iterative procedure in detection of small changes of structure's stiffness was demonstrated by a simple laboratory experiment. The applicability of the strategy, however, depends largely on experimental capacity. It was also experienced that such a test is associate with expensive cost of equipments and time-consuming work.
Die Arbeit befasst sich mit der Anwendung faserverstärkter Kunststoffe für Tragwerke des Hochbaus. Es wird ein geschichtlicher Überblick über die Jahre 1950 bis 1980 gegeben und dabei herausgestellt, wie es 1. zur Einführung des bis 1950 unbekannten Werkstoffes im Bauwesen kommen konnte 2. welche Personen und Institute maßgeblich an der Einführung und Entwicklung des Bauens mit FVK beteiligt waren 3. welche Tragwerke verwendet wurden 4. wie die Pioniere diese Tragwerke bemaßen 5. welche konstruktiven Besonderheiten sich mit der Verwendung von FVK in der Tragstruktur ergaben Nach einer Einführung werden im Kapitel 2 die wichtigsten Faktoren der Entwicklung von Tragwerken aus GFK erörtert. Im Kapitel 3 wird die Technik der Fertigung von GFK-Teilen und deren Fügung beschrieben. Im Kapitel 4 werden die Tragwerke beschrieben und einzelne Tragwerkstypen eingehend erörtert. Im Kapitel 5 werden die Bemessungskonzepte und deren Entwicklung erörtert. In der Bilanz werden die Faktoren aufgezählt, die zum Abklingen des Bauens mit FVK in der Tragstruktur geführt haben. Die Arbeit wird ergänzt durch eine ca. 40-seitige Tabelle in der die gebauten Tragwerke in Abhängigkeit von den technischen Parametern Spannweiten und Lasten dargestellt werden. Im Anhang werden 10 exemplarische Bauten detailliert erörtert.
Eine zielführende Anwendung von Zusatzmitteln bei der Ausführung anspruchsvoller Betonbauten setzt einen hohen Kenntnisstand bezüglich der Wirkungsmechanismen und Interaktionen der einzelnen Betonkomponenten voraus. In der vorliegenden Arbeit wurden einige Aspekte der Zementhydratation in Abhängigkeit von der Fließmittelzugabe diskutiert. Im Ergebnis liefern die Teile eins und zwei der vorliegenden Arbeit einen Beitrag dazu, Veränderungen der Fließfähigkeit von Zementleim in Abhängigkeit der Zementhydratation und Fließmittelzugabe besser zu verstehen. Es konnte so z.B. gezeigt werden, dass Bildung langprismatischer Kristalle (z.B. Syngenit, Gips) die Fließfähigkeit von Zementleim und Beton vermindert. Infolge anhaltender Scherung von Zementleimen / Betonen mit langprismatischen Kristallen wird ein Zuwachs an Fließfähigkeit erzielt. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen, dass dies darauf zurückzuführen ist, dass die Kristalle in eine Vorzugsorientierung relativ zur Scherbewegung rotieren. Weiterhin wurde der Mechanismus einer so genannten Zement-Fließmittel-Inkompatibilität aufgezeigt. Durch diese Erweiterung des Kenntnisstandes zum Einfluss von Fließmitteln auf die Zementhydratation ist es möglich der Zement-Fließmittel-Inkompatibilität durch gezielte Auswahl des Zementes vorzubeugen. Dabei ist besonders darauf zu achten, dass der Zement ein ausgewogenes Verhältnis an zur Reaktion zur Verfügung stehendem C3A und Menge / Löslichkeit des Abbindereglers besitzt. Fließmittel verändern nicht nur die Verarbeitungseigenschaften sondern auch die Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Zementstein und Beton. Im dritten Teil der vorliegenden Arbeit wird daher der Einfluss der Fließmittel und deren verflüssigender Wirkung auf die Festigkeitsentwicklung von Zementstein und C3S untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass durch die dispergierende Wirkung der Fließmittel auch ohne Verminderung des Wasserzementwertes, eine Verdichtung des Zementsteingefüges erzielt werden kann. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass durch die Erhöhung der Partikelpackungsdichte am Anfang der Hydratation die Ausbildung der festigkeitsgebenden C-S-H Phasen verändert wird. Ein dichteres Verwachsen dieser nanostrukturierten C-S-H Phasen ermöglicht einen zusätzlichen Festigkeitszuwachs.