500 Naturwissenschaften und Mathematik
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The Finite Element Method (FEM) is widely used in engineering for solving Partial Differential Equations (PDEs) over complex geometries. To this end, it is required to provide the FEM software with a geometric model that is typically constructed in a Computer-Aided Design (CAD) software. However, FEM and CAD use different approaches for the mathematical description of the geometry. Thus, it is required to generate a mesh, which is suitable for FEM, based on the CAD model. Nonetheless, this procedure is not a trivial task and it can be time consuming. This issue becomes more significant for solving shape and topology optimization problems, which consist in evolving the geometry iteratively. Therefore, the computational cost associated to the mesh generation process is increased exponentially for this type of applications.
The main goal of this work is to investigate the integration of CAD and CAE in shape and topology optimization. To this end, numerical tools that close the gap between design and analysis are presented. The specific objectives of this work are listed below:
• Automatize the sensitivity analysis in an isogeometric framework for applications in shape optimization. Applications for linear elasticity are considered.
• A methodology is developed for providing a direct link between the CAD model and the analysis mesh. In consequence, the sensitivity analysis can be performed in terms of the design variables located in the design model.
• The last objective is to develop an isogeometric method for shape and topological optimization. This method should take advantage of using Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) with higher continuity as basis functions.
Isogeometric Analysis (IGA) is a framework designed to integrate the design and analysis in engineering problems. The fundamental idea of IGA is to use the same basis functions for modeling the geometry, usually NURBS, for the approximation of the solution fields. The advantage of integrating design and analysis is two-fold. First, the analysis stage is more accurate since the system of PDEs is not solved using an approximated geometry, but the exact CAD model. Moreover, providing a direct link between the design and analysis discretizations makes possible the implementation of efficient sensitivity analysis methods. Second, the computational time is significantly reduced because the mesh generation process can be avoided.
Sensitivity analysis is essential for solving optimization problems when gradient-based optimization algorithms are employed. Automatic differentiation can compute exact gradients, automatically by tracking the algebraic operations performed on the design variables. For the automation of the sensitivity analysis, an isogeometric framework is used. Here, the analysis mesh is obtained after carrying out successive refinements, while retaining the coarse geometry for the domain design. An automatic differentiation (AD) toolbox is used to perform the sensitivity analysis. The AD toolbox takes the code for computing the objective and constraint functions as input. Then, using a source code transformation approach, it outputs a code for computing the objective and constraint functions, and their sensitivities as well. The sensitivities obtained from the sensitivity propagation method are compared with analytical sensitivities, which are computed using a full isogeometric approach.
The computational efficiency of AD is comparable to that of analytical sensitivities. However, the memory requirements are larger for AD. Therefore, AD is preferable if the memory requirements are satisfied. Automatic sensitivity analysis demonstrates its practicality since it simplifies the work of engineers and designers.
Complex geometries with sharp edges and/or holes cannot easily be described with NURBS. One solution is the use of unstructured meshes. Simplex-elements (triangles and tetrahedra for two and three dimensions respectively) are particularly useful since they can automatically parameterize a wide variety of domains. In this regard, unstructured Bézier elements, commonly used in CAD, can be employed for the exact modelling of CAD boundary representations. In two dimensions, the domain enclosed by NURBS curves is parameterized with Bézier triangles. To describe exactly the boundary of a two-dimensional CAD model, the continuity of a NURBS boundary representation is reduced to C^0. Then, the control points are used to generate a triangulation such that the boundary of the domain is identical to the initial CAD boundary representation. Thus, a direct link between the design and analysis discretizations is provided and the sensitivities can be propagated to the design domain.
In three dimensions, the initial CAD boundary representation is given as a collection of NURBS surfaces that enclose a volume. Using a mesh generator (Gmsh), a tetrahedral mesh is obtained. The original surface is reconstructed by modifying the location of the control points of the tetrahedral mesh using Bézier tetrahedral elements and a point inversion algorithm. This method offers the possibility of computing the sensitivity analysis using the analysis mesh. Then, the sensitivities can be propagated into the design discretization. To reuse the mesh originally generated, a moving Bézier tetrahedral mesh approach was implemented.
A gradient-based optimization algorithm is employed together with a sensitivity propagation procedure for the shape optimization cases. The proposed shape optimization approaches are used to solve some standard benchmark problems in structural mechanics. The results obtained show that the proposed approach can compute accurate gradients and evolve the geometry towards optimal solutions. In three dimensions, the moving mesh approach results in faster convergence in terms of computational time and avoids remeshing at each optimization step.
For considering topological changes in a CAD-based framework, an isogeometric phase-field based shape and topology optimization is developed. In this case, the diffuse interface of a phase-field variable over a design domain implicitly describes the boundaries of the geometry. The design variables are the local values of the phase-field variable. The descent direction to minimize the objective function is found by using the sensitivities of the objective function with respect to the design variables. The evolution of the phase-field is determined by solving the time dependent Allen-Cahn equation.
Especially for topology optimization problems that require C^1 continuity, such as for flexoelectric structures, the isogeometric phase field method is of great advantage. NURBS can achieve the desired continuity more efficiently than the traditional employed functions. The robustness of the method is demonstrated when applied to different geometries, boundary conditions, and material configurations. The applications illustrate that compared to piezoelectricity, the electrical performance of flexoelectric microbeams is larger under bending. In contrast, the electrical power for a structure under compression becomes larger with piezoelectricity.
One of the most important renewable energy technologies used nowadays are wind power turbines. In this paper, we are interested in identifying the operating status of wind turbines, especially rotor blades, by means of multiphysical models. It is a state-of-the-art technology to test mechanical structures with ultrasonic-based methods. However, due to the density and the required high resolution, the testing is performed with high-frequency waves, which cannot penetrate the structure in depth. Therefore, there is a need to adopt techniques in the fields of multiphysical model-based inversion schemes or data-driven structural health monitoring. Before investing effort in the development of such approaches, further insights and approaches are necessary to make the techniques applicable to structures such as wind power plants (blades). Among the expected developments, further accelerations of the so-called “forward codes” for a more efficient implementation of the wave equation could be envisaged. Here, we employ electromagnetic waves for the early detection of cracks. Because in many practical situations, it is not possible to apply techniques from tomography (characterized by multiple sources and sensor pairs), we focus here on the question of whether the existence of cracks can be determined by using only one source for the sent waves.
In this thesis, a new approach is developed for applications of shape optimization on the time harmonic wave propagation (Helmholtz equation) for acoustic problems. This approach is introduced for different dimensional problems: 2D, 3D axi-symmetric and fully 3D problems. The boundary element method (BEM) is coupled with the isogeometric analysis (IGA) forming the so-called (IGABEM) which speeds up meshing and gives higher accuracy in comparison with standard BEM. BEM is superior for handling unbounded domains by modeling only the inner boundaries and avoiding the truncation error, present in the finite element method (FEM) since BEM solutions satisfy the Sommerfeld radiation condition automatically. Moreover, BEM reduces the space dimension by one from a volumetric three-dimensional problem to a surface two-dimensional problem, or from a surface two-dimensional problem to a perimeter one-dimensional problem. Non-uniform rational B-splines basis functions (NURBS) are used in an isogeometric setting to describe both the CAD geometries and the physical fields.
IGABEM is coupled with one of the gradient-free optimization methods, the Particle Swarm Optimization (PSO) for structural shape optimization problems. PSO is a straightforward method since it does not require any sensitivity analysis but it has some trade-offs with regard to the computational cost. Coupling IGA with optimization problems enables the NURBS basis functions to represent the three models: shape design, analysis and optimization models, by a definition of a set of control points to be the control variables and the optimization parameters as well which enables an easy transition between the three models.
Acoustic shape optimization for various frequencies in different mediums is performed with PSO and the results are compared with the benchmark solutions from the literature for different dimensional problems proving the efficiency of the proposed approach with the following remarks:
- In 2D problems, two BEM methods are used: the conventional isogeometric boundary element method (IGABEM) and the eXtended IGABEM (XIBEM) enriched with the partition-of-unity expansion using a set of plane waves, where the results are generally in good agreement with the linterature with some computation advantage to XIBEM which allows coarser meshes.
-In 3D axi-symmetric problems, the three-dimensional problem is simplified in BEM from a surface integral to a combination of two 1D integrals. The first is the line integral similar to a two-dimensional BEM problem. The second integral is performed over the angle of revolution. The discretization is applied only to the former integration. This leads to significant computational savings and, consequently, better treatment for higher frequencies over the full three-dimensional models.
- In fully 3D problems, a detailed comparison between two BEM methods: the conventional boundary integral equation (CBIE) and Burton-Miller (BM) is provided including the computational cost. The proposed models are enhanced with a modified collocation scheme with offsets to Greville abscissae to avoid placing collocation points at the corners. Placing collocation points on smooth surface enables accurate evaluation of normals for BM formulation in addition to straightforward prediction of jump-terms and avoids singularities in $\mathcal{O} (1/r)$ integrals eliminating the need for polar integration. Furthermore, no additional special treatment is required for the hyper-singular integral while collocating on highly distorted elements, such as those containing sphere poles. The obtained results indicate that, CBIE with PSO is a feasible alternative (except for a small number of fictitious frequencies) which is easier to implement. Furthermore, BM presents an outstanding treatment of the complicated geometry of mufflers with internal extended inlet/outlet tube as an interior 3D Helmholtz acoustic problem instead of using mixed or dual BEM.
Compactly, this thesis encompasses two major parts to examine mechanical responses of polymer compounds and two dimensional materials:
1- Molecular dynamics approach is investigated to study transverse impact behavior of polymers, polymer compounds and two dimensional materials.
2- Large deflection of circular and rectangular membranes is examined by employing continuum mechanics approach.
Two dimensional materials (2D), including, Graphene and molybdenum disulfide (MoS2), exhibited new and promising physical and chemical properties, opening new opportunities to be utilized alone or to enhance the performance of conventional materials. These 2D materials have attracted tremendous attention owing to their outstanding physical properties, especially concerning transverse impact loading.
Polymers, with the backbone of carbon (organic polymers) or do not include carbon atoms in the backbone (inorganic polymers) like polydimethylsiloxane (PDMS), have extraordinary characteristics particularly their flexibility leads to various easy ways of forming and casting. These simple shape processing label polymers as an excellent material often used as a matrix in composites (polymer compounds).
In this PhD work, Classical Molecular Dynamics (MD) is implemented to calculate transverse impact loading of 2D materials as well as polymer compounds reinforced with graphene sheets. In particular, MD was adopted to investigate perforation of the target and impact resistance force . By employing MD approach, the minimum velocity of the projectile that could create perforation and passes through the target is obtained. The largest investigation was focused on how graphene could enhance the impact properties of the compound. Also the purpose of this work was to discover the effect of the atomic arrangement of 2D materials on the impact problem. To this aim, the impact properties of two different 2D materials, graphene and MoS2, are studied. The simulation of chemical functionalization was carried out systematically, either with covalently bonded molecules or with non-bonded ones, focusing the following efforts on the covalently bounded species, revealed as the most efficient linkers.
To study transverse impact behavior by using classical MD approach , Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) software, that is well-known among most researchers, is employed. The simulation is done through predefined commands in LAMMPS. Generally these commands (atom style, pair style, angle style, dihedral style, improper style, kspace style, read data, fix, run, compute and so on) are used to simulate and run the model for the desired outputs. Depends on the particles and model types, suitable inter-atomic potentials (force fields) are considered. The ensembles, constraints and boundary conditions are applied depends upon the problem definition. To do so, atomic creation is needed. Python codes are developed to generate particles which explain atomic arrangement of each model. Each atomic arrangement introduced separately to LAMMPS for simulation. After applying constraints and boundary conditions, LAMMPS also include integrators like velocity-Verlet integrator or Brownian dynamics or other types of integrator to run the simulation and finally the outputs are emerged. The outputs are inspected carefully to appreciate the natural behavior of the problem. Appreciation of natural properties of the materials assist us to design new applicable materials.
In investigation on the large deflection of circular and rectangular membranes, which is related to the second part of this thesis, continuum mechanics approach is implemented. Nonlinear Föppl membrane theory, which carefully release nonlinear governing equations of motion, is considered to establish the non-linear partial differential equilibrium equations of the membranes under distributed and centric point loads. The Galerkin and energy methods are utilized to solve non-linear partial differential equilibrium equations of circular and rectangular plates respectively. Maximum deflection as well as stress through the film region, which are kinds of issue in many industrial applications, are obtained.
Das Ziel dieser Arbeit war es, neuartige Fließmittel auf Basis von Stärke als nachwachsenden Rohstoff zu synthetisieren und die Wechselwirkung mit Portlandzement zu charakterisieren. Die Notwendigkeit, Alternativen zu synthetischen Zusatzmittel zu erforschen, ergibt sich aus der benötigten Menge zur Verarbeitung von ca. 4,1 Gt/a, wobei ca. 85 % der Zusatzmittel auf die Fließmittel entfallen.
Um Fließmittel aus Stärke zu synthetisieren, wurden drei Basisstärken unterschiedlicher Herkunft verwendet. Es wurde eine Maniokstärke mit einer niedrigen Molekularmasse und eine Weizenstärke mit einer hohen Molekularmasse verwendet. Darüber hinaus wurde eine Kartoffelstärke mit einer mittleren Molekularmasse, die ein Abfallprodukt der kartoffelverarbeitenden Industrie darstellt, genutzt. Die Stärkefließmittel wurden durch chemische Modifikation in einem zweistufigen Prozess synthetisiert. Im ersten Schritt wurde das Molekulargewicht der Weizen- und Kartoffelstärke durch säurehydrolytischen Abbau verringert. Für die kurzkettige Maniokstärke war eine Degradation der Molekularmasse nicht notwendig. Im zweiten Syntheseschritt wurden anionische Ladungen durch das Versetzen der degradierten Stärken und Maniokstärke mit Natriumvinylsulfonat in die Stärkemoleküle eingeführt.
Beurteilung der Synthesemethode zur Erzeugung von Stärkefließmitteln
In diesem Zusammenhang sollten molekulare Parameter der Stärkefließmittel gezielt eingestellt werden, um eine Fließwirkung im Portlandzement zu erhalten. Insbesondere die Molekularmasse und die Menge anionischer Ladungen sollte variiert werden, um Abhängigkeiten mit der Dispergierleistung zu identifizieren.
1. Es konnte durch GPC-Messungen gezeigt werden, dass die Molekularmasse der langkettigen Weizenstärke durch die gewählten Modifizierungsbedingungen zum säurehydrolytischen Abbau verringert werden konnte. Durch Variation der säurehydrolytischen Bedingungen wurden 4 degradierte Weizenstärken erzeugt, die eine Reduzierung der Molekularmasse um 27,5 – 43 % aufwiesen. Die Molekularmasse der Kartoffelstärke konnte durch säurehydrolytischen Abbau um ca. 26 % verringert werden.
2. Durch PCD-Messungen wurde gezeigt, dass anionische Ladungen durch Sulfoethylierung der freien Hydroxylgruppen in die degradierten Stärken eingeführt werden konnten. Durch Variation der Dauer der Sulfoethylierung konnte die Menge der anionischen Ladungen gesteuert und gezielt variiert werden, so dass Stärkefließmittel mit steigender Ladungsmenge in folgender Reihenfolge synthetisiert wurden:
W-3 < W-2 < K-1 < W¬-4 < W¬1 < M-1
Im Ergebnis der chemischen Modifizierung konnten 6 Stärkefließmittel mit variierten Molekularmassen und anionischen Ladungen erzeugt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Herkunft der Stärke für die chemische Modifizierung unerheblich ist. Die Fließmittel lagen synthesebedingt als basische, wässrige Suspensionen mit Wirkstoffgehalten im Bereich von 23,5 – 50 % vor.
Beurteilung der Dispergierleistung der synthetisierten Stärkefließmittel
Die Dispergierperformance wurde durch rheologische Experimente mit einem Rotationsviskosimeter erfasst. Dabei wurden der Einfluss auf die Fließkurven und die Viskositätskurven betrachtet. Durch Vergleich der Dispergierleistung mit einem Polykondensat- und einem PCE-Fließmittel konnte eine Einordnung und Bewertung der Fließmittel vorgenommen werden.
3. Die rheologische Experimente haben gezeigt, dass die Stärkefließmittel eine vergleichbar hohe Dispergierleistung aufweisen, wie das zum Vergleich herangezogen PCE-Fließmittel. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Fließwirkung der 6 Stärkefließmittel gegenüber dem Polykondensatfließmittel deutlich höher ist. Das aus der Literatur bekannte Einbrechen der Dispergierleistung der Polykondensat-fließmittel bei w/z-Werten < 0,4 konnte bestätigt werden.
4. Alle 6 Stärkefließmittel führten zu einer Verringerung der Fließgrenze und der dynamischen Viskosität des Zementleimes bei einem w/z-Wert von 0,35.
5. Der Vergleich der Dispergierleistung der Stärkefließmittel untereinander zeigte, dass die anionische Ladungsmenge einen Schlüsselparameter darstellt. Die Stärkefließmittel M-1, K-1, W-1 und W-4 mit anionischen Ladungsmengen > 6 C/g zeigten die höchste Dispergier¬performance. Die vergleichend herangezogenen klassischen Fließmittel wiesen anionische Ladungsmengen im Bereich von 1,2 C/g (Polycondensat) und 1,6 C/g (PCE) auf. Die Molekularmasse schien für die Dispergierleistung zunächst unerheblich zu sein. Aus diesem Grund wurde die Basisweizenstärke erneut chemisch modifiziert, indem anionische Ladungen eingeführt wurden, ohne die Molekularmasse jedoch zu verringern. Das Stärkederivat wies verdickende Eigenschaften im Zementleim auf. Daraus konnte geschlussfolgert werden, dass eine definierte Grenzmolekularmasse (150.000 Da) existiert, die unterschritten werden muss, um Fließmittel aus Stärke zu erzeugen. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse, dass durch die chemische Modifizierung sowohl Fließmittel als auch Verdicker aus Stärke erzeugt werden können.
Beurteilung der Beeinflussung der Hydratation und der Porenlösung des Portlandzementes
Aus der Literatur ist bekannt, dass Fließmittel die Hydratation von Portlandzement maßgeblich beeinflussen können. Aus diesem Grund wurden kalorimetrische und konduktometrische Untersuchungen an Zementsuspensionen, die mit den synthetisierten Stärkefließmitteln versetzt wurden, durchgeführt. Ergänzt wurden die Untersuchungen durch Porenlösungsanalysen zu verschiedenen Zeitpunkten der Hydratation.
6. Die kalorimetrischen Untersuchungen zur Beeinflussung der Hydratation des Portlandzementes zeigten, dass die dormante Periode durch die Zugabe der Stärkefließmittel z.T. erheblich verlängert wird. Es konnte gezeigt werden, dass, je höher die anionische Ladungsmenge der Stärkefließmittel ist, desto länger dauert die dormante Periode andauert. Darüber hinaus zeigte sich, dass eine niedrige Molekularmasse der Stärkefließmittel die Verlängerung der dormanten Periode begünstigt.
7. Durch die konduktometrischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass alle Stärkefließmittel die Dauer des freien- und diffusionskontrollierten CSH-Phasenwachstums verlangsamen. Insbesondere die Ausfällung des Portlandits, welches mit dem Erstarrungsbeginn korreliert, erfolgt zu deutlich späteren Zeitpunkten. Des Weiteren korrelierten die konduktometrischen Untersuchungen mit der zeitlichen Entwicklung der Calciumkonzentration der Porenlösungen. Der Vergleich der Stärkefließmittel untereinander zeigte, dass die Molekularmasse ein Schlüsselparameter ist. Das Stärkefließmittel M-1 mit der geringsten Molekularmasse, welches geringe Mengen kurzkettiger Anhydroglucoseeinheiten aufweist, verzögert die Hydratphasenbildung am stärksten. Diese Wirkung ist vergleichbar mit der von Zuckern. Darüber hinaus deuteten die Ergebnisse daraufhin, dass die Stärkefließmittel auf den ersten Hydratationsprodukten adsorbieren, wodurch die Hydratphasenbildung verlangsamt wird.
Die kalorimetrischen und konduktometrischen Daten sowie die Ergebnisse der Porenlösungsanalytik des Zementes, erforderten eine genauere Betrachtung der Beeinflussung der Hydratation der Klinkerphasen C3A und C3S, durch die Stärkefließmittel. Demzufolge wurden die Untersuchungen mit den Klinkerphasen C3A und C3S in Analogie zum Portlandzement durchgeführt.
Beurteilung der Beeinflussung der Hydratation und der Porenlösung des C3A
Während die kalorimetrischen Untersuchungen zur C3A-Hydratation eine Tendenz zur verlangsamten Hydratphasenbildung durch die Stärkefließmittel aufzeigten, lieferten die konduktometrischen Ergebnisse grundlegende Erkenntnisse zur Beeinflussung der C3A-Hydratation. Das Stadium I der C3A-Hydratation ist durch einen Abfall der elektrischen Leitfähigkeit geprägt. Dies korreliert mit dem Absinken der Calciumionenkonzentration und dem Anstieg der Aluminiumionenkonzentration in der Porenlösung der C3A-Suspensionen. Im Anschluss an das Stadium I bildet sich ein Plateau in den elektrischen Leitfähigkeitskurven aus.
8. Es konnte gezeigt werden, dass die Stärkefließmittel das Stadium I der C3A-Hydratation, d.h. die Auflösung und Bildung erster Calciumaluminathydrate verlangsamen. Insbesondere die Stärkefließmittel mit höherer Molekularmasse erhöhten die Dauer des Stadium I. Das Stadium II wird durch die Stärkefließmittel in folgender Reihenfolge am stärksten verlängert: M-1 > W-3 > K-1 > W-2 ≥ W-4 und verdeutlicht, dass keine Abhängigkeit von der anionischen Ladungsmenge identifiziert werden konnte. Die Ergebnisse zeigten, dass speziell die kurzkettige Stärke M-1, das Stadium II länger aufrechterhalten.
9. Das Stadium III und IV der C3A-Hydratation wird insbesondere durch die Stärkefließmittel mit höherer Molekularmasse verlängert.
Die Ergebnisse der Porenlösungsanalytik korrelieren mit den Ergebnissen der elektrischen Leitfähigkeit. Speziell die zeitlichen Verläufe der Calciumionenkonzentration bildeten die Verläufe der Konduktivitätskurven der C3A-Hydratation mit großer Übereinstimmung ab.
Beurteilung der Beeinflussung der Hydratation und der Porenlösung des C3S
Die Ergebnisse der kalorimetrischen Untersuchungen zur Beeinflussung der C3S-Hydratation durch die Stärkefließmittel zeigen, dass diese maßgeblich verlangsamt wird. Das Maximum des Haupthydratationspeaks wird zu späteren Zeiten verschoben und auch die Höhe des Maximums wird deutlich verringert. Durch die konduktometrischen Experimente wurde aufgeklärt, welche Stadien der C3S-Hydrataion beeinflusst wurden.
10. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Menge der eingebrachten anionischen Ladungen als auch das Vorhandensein sehr kleiner Stärkefließmittelmoleküle (Zucker), Schlüsselparameter der verzögerten Hydratationskinetik des C3S sind. Der grundlegende Mechanismus der Hydratationsverzögerung beruht auf einer Kombination aus verminderter CSH-Keimbildung und Adsorptionsprozessen auf den ersten gebildeten CSH-Phasen der C3S-Partikel.
Beurteilung des Adsorptionsverhaltens am Zement, C3A und C3S
Die Bestimmung des Adsorptionsverhaltens der Stärkefließmittel erfolgte mit der Phenol-Schwefelsäure-Methode an Zement,- C3A- und C3S-Suspensionen. Durch den Vergleich der Adsorptionsraten und Adsorptionsmengen in Abhängigkeit von den molekularen Parametern der Stärkefließmittel wurde ein Wechselwirkungsmodell identifiziert.
11. Die Ursache für die hohe Dispergierleistung der Stärkefließmittel liegt in Adsorptionsprozessen an den ersten gebildeten Hydratphasen des Zementes begründet. Die Molekularmasse der Stärkefließmittel ist ein Schlüsselparameter der entscheidend für den Mechanismus der Adsorption ist. Während anionische, langkettige Stärken an mehreren Zementpartikeln gleichzeitig adsorbieren und für eine Vernetzung der Zementpartikel untereinander sorgen (Verdickerwirkung), adsorbieren kurzkettige anionische Stärken lediglich an den ersten gebildeten Hydratphasen der einzelnen Zementpartikel und führen zu elektrostatischer Abstoßung (Fließmittelwirkung).
12. Es konnte gezeigt werden, dass die Stärkefließmittel mit geringerem Molekulargewicht bei höheren Konzentrationen an den Hydratphasen des Zementes adsorbieren. Die Stärkefließmittel mit höherer Molekularmasse erreichen bei einer Zugabemenge von 0,7 % ein Plateau. Daraus wird geschlussfolgert, dass die größeren Fließmittelmoleküle einen erhöhten Platzbedarf erfordern und zur Absättigung der hydratisierenden Oberflächen bei geringeren Zugabemengen führen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Stärkefließmittel mit höherer anionischer Ladungsmenge zu höheren Adsorptionsmengen auf den Zement-, C3A- und C3S-Partikeln führen.
13. Die Adsorptionsprozesse finden an den ersten gebildeten Hydratphasen der C3A-Partikel statt, wodurch sowohl die Auflösung des C3A als auch die Bildung der Calciumhydroaluminate verlangsamt wird. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Verlangsamung des freien- und diffusionskontrollierten Hydratphasenwachstums des C3S, durch die Adsorption der Stärkefließmittel auf den ersten gebildeten CSH-Phasen hervorgerufen wird. Des Weiteren wurde festgestellt, dass sehr kleine zuckerähnliche Moleküle in der kurzkettigen Maniokstärke in der Lage sind, die Bildung der ersten CSH-Keime zu unterdrücken. Dadurch kann die langanhaltende Plateauphase der elektrischen Leitfähigkeit der C3S-Hydratation erklärt werden.
Beurteilung der Porenstruktur- und Festigkeitsausbildung
Die Beurteilung der Qualität der Mikrostruktur erfolgte durch die Bestimmung der Rohdichte und der Porenradienverteilung mit Hilfe der Quecksilberhochdruckporosimetrie. Durch das Versetzen der Zementleime mit den Stärkefließmitteln konnten bei gleichbleibender Verarbeitbarkeit Zementsteinprobekörper mit einem um 17,5 % geringeren w/z-Wert von 0,35 hergestellt werden. Die Absenkung des w/z-Wertes führt zu einem Anstieg der Rohdichte des Zementsteins.
14. Durch die Zugabe der Stärkefließmittel und den verringerten w/z-Wert wird die Porenstruktur der Zementsteinproben im Vergleich zum Referenzzementstein verfeinert, da die Gesamtporosität sinkt. Insbesondere der Kapillarporenanteil wird verringert und der Gelporenanteil erhöht. Im Unterschied zu den PCE-Fließmitteln führt die Zugabe der Stärkefließmittel zu keinem erhöhten Eintrag von Luftporen. Dies wiederum hat zur Folge, dass bei der Verwendung der Stärkefließmittel auf Entschäumer verzichtet werden kann.
15. Entsprechend der dichteren Zementsteinmatrix wurden für die Zementsteine mit den Stärkefließmitteln nach 7 d und 28 d, erhöhte Biegezug- und Druckfestigkeiten ermittelt. Insbesondere die 28 d Druckfestigkeit wurde durch den verringerten w/z-Wert um die Faktoren 3,5 - 6,6 erhöht.
Hitze in der Stadt Jena
(2022)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den spezifischen Faktoren und Wechselwirkungen des städtischen Klimas und Strategien zur Prävention und Kompensation lokaler Klimaveränderungen. Problematische Merkmale des Stadtklimas werden sich infolge des Klimawandels stärker ausprägen. Insbesondere die Hitzebelastung wird zunehmen und die Lebensbedingungen in der Stadt negativ beeinflussen. Infolge höherer Temperaturen in Städten und einer höheren Temperaturdifferenz zum Umland verändern sich Windströme und die Wasserbilanz. Es sind Strategien notwendig, um den Schadstoffausstoß, die Flächeninanspruchnahme, die Abfallproduktion und den Wasser-, Energie- und Ressourcenverbrauch zu verringern, um sowohl langfristig den Klimawandel als auch dessen bereits unvermeidbaren Auswirkungen auf Städte zu begrenzen.
Beispielhaft untersucht die Arbeit das Stadtklima, dessen zukünftige Veränderungen infolge des Klimawandels, bauliche Maßnahmen und Anpassungsstrategien der Stadt Jena. Jena ist die zweitgrößte Stadt im Bundesland Thüringen und gehört heute zu den wärmsten und trockensten Großstädten Deutschlands.
Die Ergebnisse der Arbeit werden anschließend anhand eines städtebaulichen Konzepts und Entwurfs angewendet. Das Bachstraßenareal liegt in der Innenstadt, dem am stärksten von Hitze betroffenen Stadtteil. Als ehemaliger Hauptstandort des Jenaer Universitätsklinikums, soll es zu einem nachhaltigen Wissenschaftscampus der Lebenswissenschaften umgebaut werden, wobei ein Großteil der denkmalgeschützten, ehemaligen Klinikgebäude erhalten bleibt. Der Fokus liegt dabei auf der Umsetzung der zuvor formulierten, nachhaltigen Strategien zur Verbesserung des lokalen Stadtklimas und einer Abschwächung der Auswirkungen des Klimawandels auf den besonders stark betroffenen Innenstadtbereich Jenas.
Tropical coral reefs, one of the world’s oldest ecosystems which support some of the highest levels of biodiversity on the planet, are currently facing an unprecedented ecological crisis during this massive human-activity-induced period of extinction. Hence, tropical reefs symbolically stand for the destructive effects of human activities on nature [4], [5]. Artificial reefs are excellent examples of how architectural design can be combined with ecosystem regeneration [6], [7], [8]. However, to work at the interface between the artificial and the complex and temporal nature of natural systems presents a challenge, i.a. in respect to the B-rep modelling legacy of computational modelling.
The presented doctorate investigates strategies on how to apply digital practice to realise what is an essential bulwark to retain reefs in impossibly challenging times. Beyond the main question of integrating computational modelling and high precision monitoring strategies in artificial coral reef design, this doctorate explores techniques, methods, and linking frameworks to support future research and practice in ecology led design contexts.
Considering the many existing approaches for artificial coral reefs design, one finds they often fall short in precisely understanding the relationships between architectural and ecological aspects (e.g. how a surface design and material composition can foster coral larvae settlement, or structural three-dimensionality enhance biodiversity) and lack an integrated underwater (UW) monitoring process. Such a process is necessary in order to gather knowledge about the ecosystem and make it available for design, and to learn whether artificial structures contribute to reef regeneration or rather harm the coral reef ecosystem.
For the research, empirical experimental methods were applied: Algorithmic coral reef design, high precision UW monitoring, computational modelling and simulation, and validated through parallel real-world physical experimentation – two Artificial Reef Prototypes (ARPs) in Gili Trawangan, Indonesia (2012–today). Multiple discrete methods and sub techniques were developed in seventeen computational experiments and applied in a way in which many are cross valid and integrated in an overall framework that is offered as a significant contribution to the field. Other main contributions include the Ecosystem-aware design approach, Key Performance Indicators (KPIs) for coral reef design, algorithmic design and fabrication of Biorock cathodes, new high precision UW monitoring strategies, long-term real-world constructed experiments, new digital analysis methods and two new front-end web-based tools for reef design and monitoring reefs. The methodological framework is a finding of the research that has many technical components that were tested and combined in this way for the very first time.
In summary, the thesis responds to the urgency and relevance in preserving marine species in tropical reefs during this massive extinction period by offering a differentiated approach towards artificial coral reefs – demonstrating the feasibility of digitally designing such ‘living architecture’ according to multiple context and performance parameters. It also provides an in-depth critical discussion of computational design and architecture in the context of ecosystem regeneration and Planetary Thinking. In that respect, the thesis functions as both theoretical and practical background for computational design, ecology and marine conservation – not only to foster the design of artificial coral reefs technically but also to provide essential criteria and techniques for conceiving them.
Keywords: Artificial coral reefs, computational modelling, high precision underwater monitoring, ecology in design.
Im Rahmen dieser Arbeit wird das Charakterisieren struktureller Veränderungen zementgebundener Baustoffe durch zwei auf dem Ultraschall-Transmissionsverfahren beruhenden Methoden der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) mit mechanischen Wellen vorgenommen.
Zur kontinuierlichen Charakterisierung der Erstarrung und Erhärtung frischer zementgebundener Systeme wird ein auf Ultraschallsensoren für Longitudinal- und Scherwellen basierendes Messsystem in Kombination mit zugehörigen Verfahrensweisen zur Datenauswertung konzipiert, charakterisiert und angewandt. Gegenüber der bislang üblichen alleinigen Bewertung der Verfestigung anhand indirekter Ultraschallparameter wie Ausbreitungsgeschwindigkeit, Signalenergie oder Frequenzgehalt der Longitudinalwelle lässt sich damit eine direkte, sensible Erfassung der sich während der Strukturbildung entwickelnden dynamischen elastischen Eigenschaften auf der Basis primärer physikalischer Werkstoffparameter erreichen. Insbesondere Scherwellen und der dynamische Schubmodul sind geeignet, den graduellen Übergang zum Festkörper mit Überschreiten der Perkolationsschwelle sensibel und unabhängig vom Luftgehalt zu erfassen. Die zeitliche Entwicklung der dynamischen elastischen Eigenschaften, die Strukturbildungsraten sowie die daraus extrahierten diskreten Ergebnisparameter ermöglichen eine vergleichende quantitative Charakterisierung der Strukturbildung zementgebundener Baustoffe aus mechanischer Sicht. Dabei lassen sich typische, oft unvermeidbare Unterschiede in der Zusammensetzung der Versuchsmischungen berücksichtigen.
Der Einsatz laserbasierter Methoden zur Anregung und Erfassung von mechanischen Wellen und deren Kombination zu Laser-Ultraschall zielt darauf ab, die mit der Anwendung des konventionellen Ultraschall-Transmissionsverfahrens verbundenen Nachteile zu eliminieren. Diese resultieren aus der Sensorgeometrie, der mechanischen Ankopplung und bei einer Vielzahl von Oberflächenpunkten aus einem hohen prüftechnischen Aufwand. Die laserbasierte, interferometrische Erfassung mechanischer Wellen ist gegenüber Ultraschallsensoren rauschbehaftet und vergleichsweise unsensibel. Als wesentliche Voraussetzung der scannenden Anwendung von Laser-Ultraschall auf zementgebundene Baustoffe erfolgen systematische experimentelle Untersuchungen zur laserinduzierten ablativen Anregung. Diese sollen zum Verständnis des Anregungsmechanismus unmittelbar auf den Oberflächen von zementgebundenen Baustoffen, Gesteinskörnungen und metallischen Werkstoffen beitragen, relevante Einflussfaktoren aus den charakteristischen Materialeigenschaften identifizieren, geeignete Prozessparameter gewinnen und die Verfahrensgrenzen aufzeigen. Unter Einsatz von Longitudinalwellen erfolgt die Anwendung von Laser-Ultraschall zur zeit- und ortsaufgelösten Charakterisierung der Strukturbildung und Homogenität frischer sowie erhärteter Proben zementgebundener Baustoffe. Während der Strukturbildung wird erstmals eine simultane berührungslose Erfassung von Longitudinal- und Scherwellen vorgenommen. Unter Anwendung von tomographischen Methoden (2D-Laufzeit¬tomo¬graphie) werden überlagerungsfreie Informationen zur räumlichen Verteilung struktureller Gefügeveränderungen anhand der longitudinalen Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. des relativen dynamischen Elastizitätsmoduls innerhalb von virtuellen Schnittebenen geschädigter Probekörper gewonnen. Als beton-schädigende Mechanismen werden exemplarisch der kombinierte Frost-Tausalz-Angriff sowie die Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) herangezogen.
Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung bieten erweiterte Möglichkeiten zur Charakterisierung zementgebundener Baustoffe und deren strukturellen Veränderungen und lassen sich zielgerichtet in der Werkstoffentwicklung, bei der Qualitätssicherung sowie zur Analyse von Schadensprozessen und -ursachen einsetzen.
In this study, we propose a nonlocal operator method (NOM) for the dynamic analysis of (thin) Kirchhoff plates. The nonlocal Hessian operator is derived based on a second-order Taylor series expansion. The NOM does not require any shape functions and associated derivatives as ’classical’ approaches such as FEM, drastically facilitating the implementation. Furthermore, NOM is higher order continuous, which is exploited for thin plate analysis that requires C1 continuity. The nonlocal dynamic governing formulation and operator energy functional for Kirchhoff plates are derived from a variational principle. The Verlet-velocity algorithm is used for the time discretization. After confirming the accuracy of the nonlocal Hessian operator, several numerical examples are simulated by the nonlocal dynamic Kirchhoff plate formulation.
We present a stochastic deep collocation method (DCM) based on neural architecture search (NAS) and transfer learning for heterogeneous porous media. We first carry out a sensitivity analysis to determine the key hyper-parameters of the network to reduce the search space and subsequently employ hyper-parameter optimization to finally obtain the parameter values. The presented NAS based DCM also saves the weights and biases of the most favorable architectures, which is then used in the fine-tuning process. We also employ transfer learning techniques to drastically reduce the computational cost. The presented DCM is then applied to the stochastic analysis of heterogeneous porous material. Therefore, a three dimensional stochastic flow model is built providing a benchmark to the simulation of groundwater flow in highly heterogeneous aquifers. The performance of the presented NAS based DCM is verified in different dimensions using the method of manufactured solutions. We show that it significantly outperforms finite difference methods in both accuracy and computational cost.