600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
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A categorical perspective towards aerodynamic models for aeroelastic analyses of bridge decks
(2019)
Reliable modelling in structural engineering is crucial for the serviceability and safety of structures. A huge variety of aerodynamic models for aeroelastic analyses of bridges poses natural questions on their complexity and thus, quality. Moreover, a direct comparison of aerodynamic models is typically either not possible or senseless, as the models can be based on very different physical assumptions. Therefore, to address the question of principal comparability and complexity of models, a more abstract approach, accounting for the effect of basic physical assumptions, is necessary.
This paper presents an application of a recently introduced category theory-based modelling approach to a diverse set of models from bridge aerodynamics. Initially, the categorical approach is extended to allow an adequate description of aerodynamic models. Complexity of the selected aerodynamic models is evaluated, based on which model comparability is established. Finally, the utility of the approach for model comparison and characterisation is demonstrated on an illustrative example from bridge aeroelasticity. The outcome of this study is intended to serve as an alternative framework for model comparison and impact future model assessment studies of mathematical models for engineering applications.
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.
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.
In the field of engineering, surrogate models are commonly used for approximating the behavior of a physical phenomenon in order to reduce the computational costs. Generally, a surrogate model is created based on a set of training data, where a typical method for the statistical design is the Latin hypercube sampling (LHS). Even though a space filling distribution of the training data is reached, the sampling process takes no information on the underlying behavior of the physical phenomenon into account and new data cannot be sampled in the same distribution if the approximation quality is not sufficient. Therefore, in this study we present a novel adaptive sampling method based on a specific surrogate model, the least-squares support vector regresson. The adaptive sampling method generates training data based on the uncertainty in local prognosis capabilities of the surrogate model - areas of higher uncertainty require more sample data. The approach offers a cost efficient calculation due to the properties of the least-squares support vector regression. The opportunities of the adaptive sampling method are proven in comparison with the LHS on different analytical examples. Furthermore, the adaptive sampling method is applied to the calculation of global sensitivity values according to Sobol, where it shows faster convergence than the LHS method. With the applications in this paper it is shown that the presented adaptive sampling method improves the estimation of global sensitivity values, hence reducing the overall computational costs visibly.
In this work, molecular separation of aqueous-organic was simulated by using combined soft computing-mechanistic approaches. The considered separation system was a microporous membrane contactor for separation of benzoic acid from water by contacting with an organic phase containing extractor molecules. Indeed, extractive separation is carried out using membrane technology where complex of solute-organic is formed at the interface. The main focus was to develop a simulation methodology for prediction of concentration distribution of solute (benzoic acid) in the feed side of the membrane system, as the removal efficiency of the system is determined by concentration distribution of the solute in the feed channel. The pattern of Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) was optimized by finding the optimum membership function, learning percentage, and a number of rules. The ANFIS was trained using the extracted data from the CFD simulation of the membrane system. The comparisons between the predicted concentration distribution by ANFIS and CFD data revealed that the optimized ANFIS pattern can be used as a predictive tool for simulation of the process. The R2 of higher than 0.99 was obtained for the optimized ANFIS model. The main privilege of the developed methodology is its very low computational time for simulation of the system and can be used as a rigorous simulation tool for understanding and design of membrane-based systems.
Highlights are, Molecular separation using microporous membranes. Developing hybrid model based on ANFIS-CFD for the separation process, Optimization of ANFIS structure for prediction of separation process
The production of a desired product needs an effective use of the experimental model. The present study proposes an extreme learning machine (ELM) and a support vector machine (SVM) integrated with the response surface methodology (RSM) to solve the complexity in optimization and prediction of the ethyl ester and methyl ester production process. The novel hybrid models of ELM-RSM and ELM-SVM are further used as a case study to estimate the yield of methyl and ethyl esters through a trans-esterification process from waste cooking oil (WCO) based on American Society for Testing and Materials (ASTM) standards. The results of the prediction phase were also compared with artificial neural networks (ANNs) and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS), which were recently developed by the second author of this study. Based on the results, an ELM with a correlation coefficient of 0.9815 and 0.9863 for methyl and ethyl esters, respectively, had a high estimation capability compared with that for SVM, ANNs, and ANFIS. Accordingly, the maximum production yield was obtained in the case of using ELM-RSM of 96.86% for ethyl ester at a temperature of 68.48 °C, a catalyst value of 1.15 wt. %, mixing intensity of 650.07 rpm, and an alcohol to oil molar ratio (A/O) of 5.77; for methyl ester, the production yield was 98.46% at a temperature of 67.62 °C, a catalyst value of 1.1 wt. %, mixing intensity of 709.42 rpm, and an A/O of 6.09. Therefore, ELM-RSM increased the production yield by 3.6% for ethyl ester and 3.1% for methyl ester, compared with those for the experimental data.
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.
As part of an international research project – funded by the European Union – capillary glasses for facades are being developed exploiting storage energy by means of fluids flowing through the capillaries. To meet highest visual demands, acrylate adhesives and EVA films are tested as possible bonding materials for the glass setup. Especially non-destructive methods (visual analysis, analysis of birefringent properties and computed tomographic data) are applied to evaluate failure patterns as well as the long-term behavior considering climatic influences. The experimental investigations are presented after different loading periods, providing information of failure developments. In addition, detailed information and scientific findings on the application of computed tomographic analyses are presented.
The aim of my research is to observe the variance of energy efficiency of a typical multi-story office building under the exposure of different climatic conditions. Energy efficiency requirements in building codes or energy standards are among the most important single measures for buildings’ energy efficiency. Therefore, this study can be set up for a better understanding of how energy efficiency of a building changes under the effect of adverse to moderate climatic conditions which possess a mentionable effect on the operation of a building.
This thesis is structured in three balanced and conceptual steps. Following the aim of the project, the virtual building model is to be analyzed under the effect of seven distinct climatic conditions namely work environment of New Delhi, Mumbai, Berlin, Lisbon, Copenhagen, Dubai and Montreal. Firstly, the task is to do a complete literature research based on the scope of similar researches and studying the problems in detail along with the theoritical background all the concepts which are implemented to get the numerical results. This chapter also comprises a detailed study of the climatic conditions of the above-mentioned cities. Different climatic traits like temperature variations, count of heating and cooling degree days, relative humidity, temperature range and comfort zonal charts for the specified cities are studied in detail. This study helps to understand the effect of these adverse to moderate climates on the operation of the building. On the second step, the virtual building model is prepared on a software platform named Revit Structures. This virtual building model is not necessarily a complete building, but it has the relevant functionalities of a real building. We perform the energy analysis and the heating and cooling analysis on this virtual building model to study the operational outcome of the building under different climatic conditions in detail. By the end of these above two tasks, two scenarios are observed. On one hand, we have a literature research and on the other hand we have the numerical results. Therefore, finally we present a comparative scenario based on the energy efficient performances of the building under such variant climatic conditions. This is followed by the prediction of thermal comfort level inside the building and it based on Fanger’s PMV Model. Understanding the literature and the numerical values in detail helps us to predict the index thermal comfort level inside the building.
The conclusion of this master thesis focuses mainly on the scopes of improvement of energy efficiency requirements in energy codes if any, differentiated according to specific locations. The initial aim of my hypothesis which is to study the impacts of climatic variations on the energy efficient performances of a building is fulfilled but as such topics have very deep and broad roots, the scope of further improvements is always predominant.
Durch Reifungs- und Strukturbildungsprozesse kann es bei silikatischen und alumosilikatischen Bindern zu Rissbildung bei behinderter Verformung, Festigkeitsverlust und somit Verlust der Dauerhaftigkeit kommen. Die Bewertung dieser Prozesse erfolgt an silikatischen Materialien mit einem Ausblick auf die alumosilikatischen Binder.
Durch Reifungs- und Strukturbildungsprozesse kann es bei silikatischen und alumosilikatischen Bindern zu Rissbildung bei behinderter Verformung, Festigkeitsverlust und somit Verlust der Dauerhaftigkeit kommen. Die Bewertung dieser Prozesse erfolgt an silikatischen Materialien mit einem Ausblick auf die alumosilikatischen Binder
The construction and operation of a sanitary landfill (SLF) in the Philippines presents concerns on the regulation of the activities of the informal sector in the area. In anticipation of these directives, an association of informal waste reclaimers group called Uswag Calajunan Livelihood Association, Inc. (UCLA) was formed in May 2009. One option identified was the waste-to-energy activity through the production of fuel briquettes. With the availability of raw materials in the area, what was lacking then was an appropriate technology that would cater to their needs. This study, therefore, presented the case of UCLA on how socio-economic and technical aspects was integrated for the development and improvement of a briquetting technology needed in the production of quality briquettes as part of their income generating activities. A non-experimental posttest only design was utilized for the collection of descriptive information. Descriptions and discussions were also made on the enhancement of the briquetting machine from the first hand-press molder developed until the finalized design was attained.
Results revealed that the improved briquetting technology withstood the wear and tear of operation showing a significant (P<0.01) increase on the production rate (220 pcs/hr; 4 kg/hr) and bulk density (444.83 kg/m3) of briquettes produced. The quality of cylindrical briquettes produced in terms of bulk density, heating value (15.13 MJ/kg), moisture (6.2%), N and S closely met or has met the requirements of DIN 51731. Based on the operating expenses, the briquettes may be marked-up to Php0.25/pc (USD0.006) or Php15.00/kg (USD0.34) for profit generation. The potential daily earnings of Php130.00 (USD2.95) to Php288.56 (USD6.56) generated in producing briquettes are higher when compared to the majority of waste reclaimers’ daily income of Php124.00 (USD2.82). The high positive response (93%) on the usability of briquettes and the willingness of the respondents (81%) to buy them when sold in the market indicates its promising potential as fuel in the nearby communities. Results of briquette production citing the case of UCLA could be considered as potential source of income given the social, technical, economic and environmental feasibility of the experiment. This method of utilizing wastes in an urban setting of a developing country with similar socio-economic and physical set-ups may also be recommended for testing or replication.
The world society faces a huge challenge to implement the human right of “access to sanitation”. More and more it is accepted that the conventional approach towards providing sanitation services is not suitable to solve this problem. This dissertation examines the possibility to enhance “access to sanitation” for people who are living in areas with underdeveloped water and wastewater infrastructure systems. The idea hereby is to follow an integrated approach for sanitation, which allows for a mutual completion of existing infrastructure with resource-based sanitation systems.
The notion “integrated sanitation system (iSaS)” is defined in this work and guiding principles for iSaS are formulated. Further on the implementation of iSaS is assessed at the example of a case study in the city of Darkhan in Mongolia. More than half of Mongolia’s population live in settlements where yurts (tents of Nomadic people) are predominant. In these settlements (or “ger areas”) sanitation systems are not existent and the hygienic situation is precarious.
An iSaS has been developed for the ger areas in Darkhan and tested over more than two years. Further on a software-based model has been developed with the goal to describe and assess different variations of the iSaS. The results of the assessment of material-flows, monetary-flows and communication-flows within the iSaS are presented in this dissertation. The iSaS model is adaptable and transferable to the socio-economic conditions in other regions and climate zones.
In contemporary society, data representation is an important and essential part of many aspects of our daily lives. This thesis aims to contribute to our understanding on how people experience data and what role representational modality plays in the process of perception and interpretation. This research is grounded in phenomenology - I align my theoretical exploration to ideas and concepts from philosophical phenomenology, while also respecting the essence of a phenomenological approach in the choice and application of methods. Alongside offering a rich description of people’s experience of data representation, the key contributions I claim transcend four areas: theory, methods, design, and empirical findings. From a theoretical perspective, besides describing a phenomenology of human-data relations, I define, for the first time, multisensory data representation and establish a design space for the study of this class of representation. In relation to methodologies, I describe and deploy two methods to investigate different aspects of data experience. I blend the Repertory Grid technique with a focus group session and show how this adaption can be used to elicit rich design relevant insight. I also introduce the Elicitation Interview technique as a method for gathering detailed and precise accounts of human experience. Furthermore, I describe for the first time, how this technique can be used to elicit accounts of experience with data. My contribution to design relates to the creation of a series of bespoke data-driven artefacts, as well as describing an approach to design that I call Design Probes, which allows researchers to focus their enquiry on specific design features. To answer the research questions I set out in this thesis, I report on a series of empirical studies that used the aforementioned methods. The findings of these studies show, for instance, how certain representational modalities cause us to have heightened awareness of our body, some are more difficult to interpret than others, some rely heavily on instinct and each of them solicit us to reference external events during the process of interpretation. I conclude that a phenomenology of human-data relations show how representational modality affects the way we experience data, it also shows how this experience unfolds and it offers insight into particular moments such as the formation of meaning.
Piezoelectric materials are used in several applications as sensors and actuators where they experience high stress and electric field concentrations as a result of which they may fail due to fracture. Though there are many analytical and experimental works on piezoelectric fracture mechanics. There are very few studies about damage detection, which is an interesting way to prevent the failure of these ceramics.
An iterative method to treat the inverse problem of detecting cracks and voids in piezoelectric structures is proposed. Extended finite element method (XFEM) is employed for solving the inverse problem as it allows the use of a single regular mesh for large number of iterations with different flaw geometries.
Firstly, minimization of cost function is performed by Multilevel Coordinate Search (MCS) method. The XFEM-MCS methodology is applied to two dimensional electromechanical problems where flaws considered are straight cracks and elliptical voids. Then a numerical method based on combination of classical shape derivative and level set method for front propagation used in structural optimization is utilized to minimize the cost function. The results obtained show that the XFEM-level set methodology is effectively able to determine the number of voids in a piezoelectric structure and its corresponding locations.
The XFEM-level set methodology is improved to solve the inverse problem of detecting inclusion interfaces in a piezoelectric structure. The material interfaces are implicitly represented by level sets which are identified by applying regularisation using total variation penalty terms. The formulation is presented for three dimensional structures and inclusions made of different materials are detected by using multiple level sets. The results obtained prove that the iterative procedure proposed can determine the location and approximate shape of material subdomains in the presence of higher noise levels.
Piezoelectric nanostructures exhibit size dependent properties because of surface elasticity and surface piezoelectricity. Initially a study to understand the influence of surface elasticity on optimization of nano elastic beams is performed. The boundary of the nano structure is implicitly represented by a level set function, which is considered as the design variable in the optimization process. Two objective functions, minimizing the total potential energy of a nanostructure subjected to a material volume constraint and minimizing the least square error compared to a target
displacement, are chosen for the numerical examples. The numerical examples demonstrate the importance of size and aspect ratio in determining how surface effects impact the optimized topology of nanobeams.
Finally a conventional cantilever energy harvester with a piezoelectric nano layer is analysed. The presence of surface piezoelectricity in nano beams and nano plates leads to increase in electromechanical coupling coefficient. Topology optimization of these piezoelectric structures in an energy harvesting device to further increase energy conversion using appropriately modified XFEM-level set algorithm is performed .
Briefly, the two basic questions that this research is supposed to answer are:
1. Howmuch fiber is needed and how fibers should be distributed through a fiber reinforced composite (FRC) structure in order to obtain the optimal and reliable structural response?
2. How do uncertainties influence the optimization results and reliability of the structure?
Giving answer to the above questions a double stage sequential optimization algorithm for finding the optimal content of short fiber reinforcements and their distribution in the composite structure, considering uncertain design parameters, is presented. In the first stage, the optimal amount of short fibers in a FRC structure with uniformly distributed fibers is conducted in the framework of a Reliability Based Design Optimization (RBDO) problem. Presented model considers material, structural and modeling uncertainties. In the second stage, the fiber distribution optimization (with the aim to further increase in structural reliability) is performed by defining a fiber distribution function through a Non-Uniform Rational BSpline (NURBS) surface. The advantages of using the NURBS surface as a fiber distribution function include: using the same data set for the optimization and analysis; high convergence rate due to the smoothness of the NURBS; mesh independency of the optimal layout; no need for any post processing technique and its non-heuristic nature. The output of stage 1 (the optimal fiber content for homogeneously distributed fibers) is considered as the input of stage 2. The output of stage 2 is the Reliability Index (b ) of the structure with the optimal fiber content and distribution.
First order reliability method (in order to approximate the limit state function) as well as different material models including Rule of Mixtures, Mori-Tanaka, energy-based approach and stochastic multi-scales are implemented in different examples. The proposed combined model is able to capture the role of available uncertainties in FRC structures through a computationally efficient algorithm using all sequential, NURBS and sensitivity based techniques. The methodology is successfully implemented for interfacial shear stress optimization in sandwich beams and also for optimization of the internal cooling channels in a ceramic matrix composite.
Finally, after some changes and modifications by combining Isogeometric Analysis, level set and point wise density mapping techniques, the computational framework is extended for topology optimization of piezoelectric / flexoelectric materials.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema Stadthotels in Deutschland zwischen Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit - Studie auf Grundlagen der EnEV-Anforderungen. Die Arbeit setzt sich mit einer qualitativen und quantitativen Analyse über die Energieeffizienz auf Grundlagen der EnEV-Anforderungen und deren Wirtschaftlichkeit bei Stadthotels in Deutschland auseinander. Die Analyse wurde anhand von verschiedenen Untersuchungen bei Hotels aufgebaut. Diese umfassen empirische, energetische und wirtschaftliche Untersuchungen. Die durchgeführten Untersuchungen kommen schließlich zu eindeutigen Ergebnissen auf verschiedenen Ebenen. Im Ergebnis wird deutlich, dass die Optimierung der Gebäudetechnik sowie auch die Verbesserung der energetischen Qualität der Gebäudehülle der Hotels bedeutende Einflussfaktoren zur Steigerung der Energieeffizienz darstellen. Dabei ist jedoch festzuhalten, dass sich die Optimierung der Gebäudetechnik der Hotels insbesondere im Bereich der Lüftungs- und Klimatechnik als besonders wirksam erwiesen hat. Die Effektivität dieser Maßnahmen konnte sowohl in Hinsicht auf die Steigerung der Energieeffizienz als auch in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit bewiesen werden.
Aerodynamic Analysis of Slender Vertical Structure and Response Control with Tuned Mass Damper
(2015)
Analysis of vortex induced vibration has gained more interest in practical held of civil engineering. The phenomenon often occurs in long and slender vertical structure like high rise building, tower, chimney or bridge pylon, which resulting in unfavorable responses and might lead to the collapse of the structures. The phenomenon appears when frequency of vortex shedding produced in the wake area of body meet the natural frequency of the structure. Even though this phenomenon does not necessarily generate a divergent amplitude response, the structure still may fail due to fatigue damage.
To reduce the effect of vortex induced vibration, engineers widely use passive vibration response control system. In this case, the thesis studies the effect of tuned mass damper. The objective of this thesis is to simulate the effect of tuned mass damper in reducing unfavorable responses due to vortex induced vibration and initiated by numerical model validation with respect to wind tunnel test report. The reference structure that being used inside the thesis is Stonecutter Bridge, Hongkong.
A numerical solver for computational uid dynamics named VX ow which developed by Morgenthal [6] is utilized for wind and structure simulation. The comparison between numerical model and wind tunnel result shows 10% maximum tip displacement diference in the model of full erection freestanding tower. The tuned mass damper (TMD) model itself built separately in finite element software SOFiSTiK, and the efective damping obtained from this model then applied inside input modal data of VX ow simulation. A single TMD with mass ratio of TMD 0.5% to the mass of first bending frequency, the maximum tip displacement is measured to be average 67% reduced.
Considering construction limitation and robustness of TMD, the effects of multiple TMD inside a structure are also studied. An uncoupled procedure of applying aeroelastic loads obtained from VX
ow inside finite element software SOFiSTiK is also done to observe the optimum distribution and optimum mass ratio of multiple tuned mass damper. The rest of the properties of TMD are calculated with Den Hartog's formula. The results are as follows: peak displacement in the case of multiple TMD that distributed with polynomial spacing achieve 7.8% more reduction performance than
the one that distributed with equal spacing. Optimum mass of tuned mass damper achieved with ratio 1.25% mass of first bending frequency corresponds to across wind direction.
Generell hat sich im Forschungsprojekt insbesondere durch die Gespräche mit den Hochschulvertretern bestätigt, dass für qualitativ hochwertige Lehre und Forschung qualitativ hochwertige Flächen in ausreichendem Umfang notwendig sind.
Ein Ziel der Forschungsarbeit ist die Entwicklung von Modellen zur Allokation und Steuerung von Flächenressourcen in Hochschulen. Ausgehend von Darstellungen und Erfahrungen für die Flächensteuerung aus Unternehmen, anderen Bereichen der öffentlichen Verwaltung und Forschungseinrichtungen wurden mögliche Steuerungsverfahren für Hochschulen untersucht. Es wurde ein Steuerungsmodell für Hochschulen entwickelt, das auf die hochschulinternen und die extern wirksamen Rahmenbedingungen reagiert.
Die hochschulinterne Flächenallokation wird zum einen maßgeblich von externen Rahmen-bedingungen und zum zweiten von internen Prozessen, Abläufen und Strukturen beeinflusst. Die Kenntnis dieser Bedingungen wird als Voraussetzung für die Benennung von Erfolgsfak-toren für die Implementation neuer Steuerungsmodelle angenommen. Analysiert wurden daher die liegenschaftspolitischen und die organisatorischen Rahmenbedingungen sowie die steuerungsrelevanten Eigenschaften der Flächen selber.
The increasing success of BIM (Building Information Model) and the emergence of its implementation in 3D construction models have paved a way for improving scheduling process. The recent research on application of BIM in scheduling has focused on quantity take-off, duration estimation for individual trades, schedule visualization, and clash detection.
Several experiments indicated that the lack of detailed planning causes about 30% non-productive time and stacking of trades. However, detailed planning still has not been implemented in practice despite receiving a lot of interest from researchers. The reason is associated with the huge amount and complexity of input data. In order to create a detailed planning, it is time consuming to manually decompose activities, collect and calculate the detailed information in relevant. Moreover, the coordination of detailed activities requires much effort for dealing with their complex constraints.
This dissertation aims to support the generation of detailed schedules from a rough schedule. It proposes a model for automated detailing of 4D schedules by integrating BIM, simulation and Pareto-based optimization.
Baulogistische Vorgänge sind in einer modern angelegten Baustelle der Schlüssel zu einer wirtschaftlichen Abwicklung. Dieses gilt nicht nur für den Rohbau, bei dem die sehr enge Verzahnung zwischen den Fertigungs- und Logistikprozessen auf der Baustelle zu beobachten ist, sondern noch mehr für die Ausbauphase, bei der vermeintlich unabhängig voneinander agierende Einzelunternehmen des Ausbaus auf engem Raum miteinander um die jeweils besten Liefer- und Montagebedingungen konkurrieren.
Ausgehend von einer aktuellen Großbaustelle in Jena werden verschiedene Varianten einer leistungsfähigen Baulogistik entwickelt und deren Implementierung auf der Baustelle vorbereitet werden.
Development of a Sustainability-based Sanitation Planning Tool (SusTA) for Developing Countries
(2014)
Background and Research Goal
Despite all the efforts in the sanitation sector, it is acknowledged that the world is not on track to meet the MDG sanitation target to reduce the number of people without access to sanitation by 2015. Furthermore, a large number of existing sanitation facilities in developing countries is out of order. This leads to the conclusion that, besides technical failures, the planning process in the sanitation sector was ineffective. This ineffectiveness may be attributed to the lack of knowledge of the sanitation planners about the local conditions of the sanitation project. In addition, sustainability of a technology is often approached from a fragmented perspective that often leads to an unsustainable solution.
The dissertation is conducted within the framework of the Integrated Water Resources Management (IWRM) Indonesia project. The goal of this work is to contribute to the development of a methodology of a planning tool for sustainable sanitation technology. The tool is designed for sanitation planners in developing countries, where a top-down planning approach is common practice. The proposed tool enables comprehensive sustainability assessments (using the Helmholtz Concept of Sustainability as reference), taking into account local conditions.
State of the Science
In the planning practice, many sanitation planning tools focus on technology selection. However, it has become evident that the selection criteria for sustainable technologies are not always considered in the tools’ framework. In other cases, when the criteria are provided by the tool, there is no clear indication of the conditions to be fulfilled in order to meet these criteria. Specifically, there is no reference to what is meant by sustainable technology in a particular context and how to comprehensively assess the sustainability of different technology options.
Research Methodology
Developing a planning tool is an empirical process, combining theory and practical experience. Hence, the development process of such a tool requires extensive observations, particularly on the interaction between stakeholders in the sanitation sector as well as between technology and its environment. For this purpose, a case study within the project area was carried out. Pucanganom, a village representing common strategic problems in developing countries (e.g. top-down planning approaches, lack of involvement of beneficiaries in the planning process, lack of sustainability assessments) was finally selected as the case study area. After the in-depth case study, an analytical generalisation was developed to enable the tool’s application to a broader context.
Results
The result of this research is a new tool – the Sustainability-based Sanitation Planning Tool (SusTA). SusTA enables comprehensive sustainability assessment in its five generic steps, namely: (1) analysis of stakeholders and sanitation policy in the region, (2) distance-to-target analysis on sanitation conditions in the region, (3) examination of physical and socio-economic conditions in the project area, (4) contextualisation of the technology assessment process in the project area, and (5) sustainability-oriented technology assessment at the project level. These steps are conducted at two levels of planning – the region and the project area – in order to identify the specific problems and interests which influence the selection of a sanitation system. Each planning step is equipped with tool elements (e.g. set of indicators, household questionnaires, technology assessment matrices) to support the analysis.
From the development of SusTA, it can be concluded that four elements are required for an effective and widely applicable sanitation planning tool: sustainability concept, participatory approach, contextualisation framework and modification framework. SusTA provides both a theoretical and a practical basis for assessing the sustainability of sanitation technologies in developing countries. The tool’s main advantages for decision makers in these countries are: It is simple and transparent in its steps, does not require vast amounts of data and does not need a sophisticated computer program.
The focus of the thesis is to process measurements acquired from a continuous
monitoring system at a railway bridge. Temperature, strain and ambient vibration
records are analysed and two main directions of investigation are pursued.
The first and the most demanding task is to develop processing routines able to extract modal parameters from ambient vibration measurements. For this purpose, reliable experimental models are achieved on the basis of a stochastic system identification(SSI) procedure. A fully automated algorithm based on a three-stage clustering is implemented to perform a modal parameter estimation for every single measurement. After selecting a baseline of modal parameters, the evolution of eigenfrequencies is
studied and correlated to environmental and operational factors.
The second aspect deals with the structural response to passing trains. Corresponding
triggered records of strain and temperature are processed and their assessment is
accomplished using the average strains induced by each train as the reference parameter.
Three influences due to speed, temperature and loads are distinguished and treated individually. An attempt to estimate the maximum response variation due to each factor is also carried out.
Forscher prognostizieren in den kommenden Jahren eine Klimaerwärmung bis zu 6 ° C. Aus diesem Grund wurde das EU – Forschungsprojekt „ Climate for Culture“ ins Leben gerufen, um Auswirkungen dieses Klimawandels auf denkmalgeschützte, kulturhistorische Gebäude zu untersuchen. Ziel ist es, entsprechende Schutzmaßnahmen in konservatorischer Hinsicht zu erarbeiten.
Aufgrund des Zusammenhanges zwischen Temperatur und Luftfeuchte führt diese Klimaerwärmung auch zu einer Änderung des Feuchtehaushaltes im Außenbereich und, bedingt durch einen immer vorhandenen Luftwechsel, schließlich auch im Innenbereich von Gebäuden.
Die Fähigkeit eines Gebäudes, durch seine Beschaffenheit auf Feuchteeinflüsse zu reagieren, wird maßgeblich bestimmt durch seine Möglichkeit, in der Gebäudehülle und der vorhandenen Einrichtung anfallende Feuchte zwischenzuspeichern und diese zeitversetzt wieder an die Umgebung abzugeben. Diese Fähigkeit sorptiver Flächen zur Feuchtepufferung konnte bislang nur mit erheblichem Aufwand ermittelt werden.
In der vorliegenden Arbeit wird versucht, durch einfachere Methoden mittels hygrothermischer Simulation einen „Zweizahlwert“ zu erhalten, mit dem sich diese Raumkompetenz schnell und nachvollziehbar darstellen lässt.
Die Entwicklung von Hybridtechnologien führt zu vielen neuartigen und effizienten Anwen-dungen. Hybridtechnologien kommen immer dann zum Einsatz, wenn die ausschließliche Nutzung einer Technologie oder eines Werkstoffs nicht zum gewünschten Ergebnis führt. Dann kann durch Kombination unterschiedlicher Werkstoffe oder Technologien ein System geschaffen werden, das in seiner Konfiguration ein Optimum an Eigenschaften darstellt.
Im Bauwesen geht die Entwicklung schon seit jeher in Richtung von immer schlankeren ar-chitektonisch ansprechenden Konstruktionen. In der gegenwärtigen Entwicklung ermöglichen hochtechnologische Kunststoffe und Faserwerkstoffe, wie z. B. Kohlenstofffasern, sehr schlanke, leichte und dennoch hochtragfähiger Konstruktionen. Der wirtschaftliche Aspekt bei der Entwicklung von Tragsystemen bzw. -strukturen erfordert dabei in fast allen Fällen eine kostengünstig effiziente Ausbildung und die Optimierung von Trageigenschaften und Kostenfaktoren. Daher besteht oft die Anforderung nach einem Verbundsystem, bei dem unterschiedliche Materialien in der Art miteinander kombiniert werden, dass jeder Werkstoff für eine bestimmte Beanspruchung angeordnet wird und sein Tragfähigkeitspotenzial optimal ausschöpft. Im Rahmen dieser Arbeit werden an konkreten Beispielen Möglichkeiten aufge-zeigt, Hochtechnologiewerkstoffe in effizienter Art und Weise zu nutzen.
Der Kunststoff-Faser-Verbundwerkstoff stellt eine Möglichkeit dar, den als solches nur für dünnschichtige Klebverbindungen nutzbaren Klebstoff in seinen Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern. Die Fasern wirken dabei dem mechanischen Schwachpunkt des Klebstoffs, einer nur geringen Zugfestigkeit, effektiv entgegen. Mit faserverstärkten Klebstoff können Anwendungen realisiert werden, bei denen der Klebstoff auch zur Zugkraftübertragung ge-nutzt wird. Zusätzlich bieten Füllstoffe eine Möglichkeit, die Steifigkeit des Klebstoffs zu stei-gern, was für viele mechanischen Beanspruchungen Vorteile mit sich bringt. Die Kombination aus einem partikelgefüllten und zusätzlich faserverstärkten Klebstoff führt zu einem Ver-bundwerkstoff, der für viele unterschiedliche Anwendungen geeignet ist. Praktische Anwen-dungsmöglichkeiten finden sich in der Herstellung von Fassadenelementen, wo der faserver-stärkte Klebstoff zur Verbindung von Aluminiumhohlprofilen verwendet wird. Weitere Anwen-dungsgebiete erstrecken sich auf die Zugkraftbewehrung von Betontragelementen, bei denen der faserverstärkte Klebstoff die Rolle einer Zugbewehrung an der Betonoberfläche übernimmt.
Alu-CFK-Hybridelemente ermöglichen die Herstellung sehr effizienter Tragsysteme, bei de-nen Gewichtsreduzierung der Tragstruktur und Kosteneinsparungen im Betrieb des Bauwerks gleichermaßen ermöglicht werden. Die CFK-Lamellen werden dabei in den am stärksten längskraftbeanspruchten Bereichen eines Aluminiumtragelementes angeordnet, wodurch sich die Biegetragfähigkeit des dann hybriden Tragelements signifikant erhöht. In der Folge können Gewichtsreduzierungen, verglichen mit herkömmlichen Aluminiumtragelementen, erzielt werden. Weiterhin können die Querschnittsaußenmaße bei Alu-CFK-Hybridelementen deutlich reduziert werden. In der Folge vereinfachen sich der Transport und die Montage dieser Art Tragwerke, was besonders bei fliegenden Bauten einen wesentlichen Vorteil dar-stellt.
Der Einsatz von Glas-Kunststoff-Hybridelementen ermöglicht die Konstruktion transparenter Tragstrukturen in einer optisch einzigartigen Qualität. Die Konstruktion eines Glas-Kunststoff-Hybridelementes ermöglicht ein redundant wirkendes Tragverhalten, bei dem die Steifigkeit und optische Qualität des Glases optimal im Tragsystem genutzt werden können. Der Kunst-stoff stellt eine Art Sicherheitselement dar und übernimmt im Falle eines Glasbruchs die Tragwirkung des Glases. Die Eigenschaft der Vorankündigung eines Systemversagens stellt die Grundlage für eine baupraktische Anwendung des Glas-Kunststoff-Hybridelementes als statisches Tragsystem dar. Durch die Redundanz des Tragverhaltens von Glas-Kunststoff-Hybridelementen ist das Versagen dieser Tragstruktur durch optische oder strukturelle An-zeichen erkennbar und eine Bemessung somit möglich.
Für die mechanische Analyse grundlegender Zusammenhänge in Hybridsystemen können ingenieurmäßige, analytische und numerische Betrachtungen durchgeführt werden. Die in-genieurmäßigen Betrachtungen sind sehr gut geeignet, um Abschätzungen zu treffen, die in später durchgeführten experimentellen Bauteiluntersuchungen oft auch ihre Bestätigung fan-den. Bei Detailbetrachtungen, wie z. B. der Analyse eines nichtlinearen Spannungsverlaufes in mechanisch beanspruchten Klebfugen, bietet eine numerische Betrachtung mittels FEM Vorteile, da sie eine sehr detaillierte Auswertung in Bereichen mit hohen Spannungsgradien-ten ermöglicht. Durch die Anwendung der FEM ist es möglich, Strukturen in unterschiedlichen Skalierungsbereichen zu analysieren und dabei auch Bereiche einzubeziehen, die für experimentelle Untersuchungen nur sehr schwer zugänglich sind. Genaue Kenntnisse über das Materialverhalten der zu analysierenden Stoffe stellen dabei eine wesentliche Grundlage für die Erstellung qualitativ hochwertiger Rechenmodelle dar.
This thesis presents two new methods in finite elements and isogeometric analysis for structural analysis. The first method proposes an alternative alpha finite element method using triangular elements. In this method, the piecewise constant strain field of linear triangular finite element method models is enhanced by additional strain terms with an adjustable parameter a, which results in an effectively softer stiffness formulation compared to a linear triangular element. In order to avoid the transverse shear locking of Reissner-Mindlin plates analysis the alpha finite element method is coupled with a discrete shear gap technique for triangular elements to significantly improve the accuracy of the standard triangular finite elements.
The basic idea behind this element formulation is to approximate displacements and rotations as in the standard finite element method, but to construct the bending, geometrical and shear strains using node-based smoothing domains. Several numerical examples are presented and show that the alpha FEM gives a good agreement compared to several other methods in the literature.
Second method, isogeometric analysis based on rational splines over hierarchical T-meshes (RHT-splines) is proposed. The RHT-splines are a generalization of Non-Uniform Rational B-splines (NURBS) over hierarchical T-meshes, which is a piecewise bicubic polynomial over a hierarchical
T-mesh. The RHT-splines basis functions not only inherit all the properties of NURBS such as non-negativity, local support and partition of unity but also more importantly as the capability of joining geometric objects without gaps, preserving higher order continuity everywhere and allow local refinement and adaptivity. In order to drive the adaptive refinement, an efficient recovery-based error estimator is employed. For this problem an imaginary surface is defined. The imaginary surface is basically constructed by RHT-splines basis functions which is used for approximation and interpolation functions as well as the construction of the recovered stress components. Numerical investigations prove that the proposed method is capable to obtain results with higher accuracy and convergence rate than NURBS results.
Der Komplexität einer großen Baumaßnahme steht meist ein relativ unpräzises Termincontrolling gegenüber. Die Gründe dafür liegen in unzureichenden Baufortschrittsinformationen und der Schwierigkeit, eine geeignete Steuerungsmaßnahme auszuwählen. In der Folge kommt es häufig zu Terminverzügen und Mehrkosten.
Ziel der Arbeit war es, die realen Bau-Ist-Zustände eines Bauprojektes so genau zu erfassen, dass es möglich wird, täglich ein zutreffendes Abbild des Baufortschrittes und der Randbedingungen des Bauablaufes zu schaffen und mit Hilfe eines Simulationswerkzeuges nachzubilden. Zu diesem Zweck sollte ein Erfassungskonzept ausgearbeitet werden, mit dessen Hilfe unter Verwendung von Erfassungstechniken aussagekräftige sowie belastbare Daten zu einer auf die Anforderungen der Simulation abgestimmten Datenbasis zusammengeführt werden.
Um der Zielstellung gerecht zu werden, wurde anhand eines Beispiels ein Prozessmodell aufgebaut und definiert, welche Informationen zum Aufbau eines Simulationsmodells, das die reaktive Ablaufplanung unterstützt, erfasst werden müssen. Die einzelnen Prozessgrößen wurden detailliert beschrieben und die Erfassungsgrößen daraus abgeleitet. Weiterhin wurden Aussagen zur Prozessstrukturierung erarbeitet. Somit wurden Informationsstützstellen definiert.
Es wurden Methoden zur Erfassung des Bau-Ist-Zustandes hinsichtlich ihrer Eignung sowie Anwendungsmöglichkeiten analysiert und ausgewählte Anwendungsbeispiele für RFID, Barcodes und Bautagebücher dargestellt. Außerdem wurde betrachtet, welche Daten der baustelleneigenen Bauablaufdokumentation zur Belegung der Informationsstützstellen genutzt werden können. Diese Betrachtung stellte Dokumente in den Fokus, welche aufgrund von Vorschriften oder Vertragsbedingungen ohnehin auf Baustellen erfasst werden müssen.
Schließlich wurden die vorangegangenen Betrachtungen hinsichtlich der Erfassungsgrößen und der Erfassungsmethoden in einem Erfassungskonzept zusammengeführt und eine geeignete Kombination von Erfassungsmethoden entwickelt.
Der Baufortschritt soll anhand der Beschreibung, welchen Status die einzelnen Vorgänge angenommen haben, mit Hilfe eines digitalen Bautagebuchs erfasst werden. Die Randbedingungen, wie die Verfügbarkeit von Personal-, Material- und Geräteressourcen, werden mit Hilfe von RFID-Tags identifiziert, auf denen alle weiteren benötigten Informationen hinterlegt sind. Informationen über Ressourcen, welche geplante Termine wiedergeben, müssen ebenfalls im digitalen Bautagebuch hinterlegt und aktuell gehalten werden. Traditionelle Lieferscheine in Papierform müssen durch digitale Lieferscheine ersetzt werden.
Abgeschlossen wurde die Ausarbeitung des Erfassungskonzeptes durch Ansätze, mit deren Hilfe der Erfassungsaufwand reduziert werden kann. Zu diesem Zweck wurde eine hierarchische Ordnung des Erfassungskonzeptes eingeführt.
Im Ergebnis ist somit ein Erfassungskonzept entstanden, mit dessen Hilfe die realen Bau-Ist-Zustände einer Baumaßnahme so genau erfasst werden können, dass täglich ein zutreffendes Abbild des Baufortschrittes und der Randbedingungen des Bauablaufes in einer Simulations¬umgebung generiert werden kann. Die Erfassungskonzeption liefert eine Datenbasis, die auf die Anforderungen der Simulation abgestimmt ist.
Modern digital material approaches for the visualization and simulation of heterogeneous materials allow to investigate the behavior of complex multiphase materials with their physical nonlinear material response at various scales. However, these computational techniques require extensive hardware resources with respect to computing power and main memory to solve numerically large-scale discretized models in 3D. Due to a very high number of degrees of freedom, which may rapidly be increased to the two-digit million range, the limited hardware ressources are to be utilized in a most efficient way to enable an execution of the numerical algorithms in minimal computation time. Hence, in the field of computational mechanics, various methods and algorithms can lead to an optimized runtime behavior of nonlinear simulation models, where several approaches are proposed and investigated in this thesis.
Today, the numerical simulation of damage effects in heterogeneous materials is performed by the adaption of multiscale methods. A consistent modeling in the three-dimensional space with an appropriate discretization resolution on each scale (based on a hierarchical or concurrent multiscale model), however, still contains computational challenges in respect to the convergence behavior, the scale transition or the solver performance of the weak coupled problems. The computational efficiency and the distribution among available hardware resources (often based on a parallel hardware architecture) can significantly be improved. In the past years, high-performance computing (HPC) and graphics processing unit (GPU) based computation techniques were established for the investigationof scientific objectives. Their application results in the modification of existing and the development of new computational methods for the numerical implementation, which enables to take advantage of massively clustered computer hardware resources. In the field of numerical simulation in material science, e.g. within the investigation of damage effects in multiphase composites, the suitability of such models is often restricted by the number of degrees of freedom (d.o.f.s) in the three-dimensional spatial discretization. This proves to be difficult for the type of implementation method used for the nonlinear simulation procedure and, simultaneously has a great influence on memory demand and computational time.
In this thesis, a hybrid discretization technique has been developed for the three-dimensional discretization of a three-phase material, which is respecting the numerical efficiency of nonlinear (damage) simulations of these materials. The increase of the computational efficiency is enabled by the improved scalability of the numerical algorithms. Consequently, substructuring methods for partitioning the hybrid mesh were implemented, tested and adapted to the HPC computing framework using several hundred CPU (central processing units) nodes for building the finite element assembly. A memory-efficient iterative and parallelized equation solver combined with a special preconditioning technique for solving the underlying equation system was modified and adapted to enable combined CPU and GPU based computations.
Hence, it is recommended by the author to apply the substructuring method for hybrid meshes, which respects different material phases and their mechanical behavior and which enables to split the structure in elastic and inelastic parts. However, the consideration of the nonlinear material behavior, specified for the corresponding phase, is limited to the inelastic domains only, and by that causes a decreased computing time for the nonlinear procedure. Due to the high numerical effort for such simulations, an alternative approach for the nonlinear finite element analysis, based on the sequential linear analysis, was implemented in respect to scalable HPC. The incremental-iterative procedure in finite element analysis (FEA) during the nonlinear step was then replaced by a sequence of linear FE analysis when damage in critical regions occured, known in literature as saw-tooth approach. As a result, qualitative (smeared) crack initiation in 3D multiphase specimens has efficiently been simulated.
Bentonite sind quellfähige Tone, die häufig in der Umwelttechnik (in Abdichtungsbauwerken oder in der Bodensanierung) eingesetzt werden. Ziel der Arbeit war die Klärung, wie eine unterschiedliche Kationenbelegung mit Cu2+ und NH4+ die Eigenschaften der Bentonite bei Raumtemperatur und nach moderater Wärmebehandlung (300 – 450°C) beeinflusst. Im Blickpunkt stand insbesondere die gleichzeitige Präsenz von Kupfer- und Ammoniumionen, die als Vertreter für häufig auftretende Inhaltsstoffe von Wässern in der Umgebung von technischen Bentoniten ausgewählt wurden.
Die Untersuchungen zur Cu2+-Sorption bei Raumtemperatur und nach moderater Wärmebehandlung (300 – 450°C) erfolgten an Pulverproben von zwei technischen Bentoniten, die sich in der ursprünglichen Kationenbelegung, Art und Anteil an Nebengemengteilen, sowie der Schichtladungsverteilung in den Montmorilloniten unterscheiden. Vor der Wärmebehandlung wurden die Bentonite durch Kontakt mit verschieden konzentrierten Kupfer- und Ammoniumlösungen mit unterschiedlichen Gehalten der Kationen Cu2+, NH4+, Na+, Ca2+, Mg2+ belegt.
Der Eintrag von Kupferionen in die Bentonite durch Kationenaustausch bei Raumtemperatur wurde erwartungsgemäß durch präsente Nebengemengteile (wie Carbonat) beeinflusst, so dass die Kupferionen zusätzlich spezifisch adsorbiert und in festen Phasen angereichert wurden.
Die Cu2+-Fixierung infolge der Wärmebehandlung wurde vom Cu2+-Totalgehalt in den Bentoniten, der Präsenz von Nebengemengteilen und die Schichtladungsverteilung in den Montmorilloniten beeinflusst. Es waren generell Behandlungstemperaturen von > 400°C erforderlich, um Cu2+-Fixierungsraten von > 95% zu erzielen.
Waren während der Wärmebehandlung neben Cu2+-Ionen gleichzeitig NH4+-Ionen in den Bentoniten präsent, konnte die Cu2+-Fixierungstemperatur herabgesetzt werden. Die Deammonisierung (NH4+ --> NH3 + H+) der NH4+-belegten Bentonite fand größtenteils unterhalb der Dehydroxylierungstemperatur der Bentonite statt.
Durch Untersuchungen (XRD, FTIR, NMR, ESR) zum Mechanismus der Cu2+-Einbindung in die Bentonite an speziell aufbereiteten Proben (carbonatfrei, < 2 µm) konnte nachgewiesen werden, dass in den Cu2+-belegten Montmorilloniten die Cu2+-Ionen infolge der Wärmebehandlung nicht bis in die Oktaederschicht der Tonminerale vordringen, sondern nur bis in die Tetraederschicht wandern. In den NH4+-belegten Montmorilloniten treten im Zusammenhang mit der Deammonisierung keine zusätzlichen Strukturänderungen (wie Auflösung der Oktaederschicht) infolge der Wärmebehandlung auf.
Metakaolin made from kaolin is used around the world but rarely in Vietnam where abundant deposits of kaolin is found. The first studies of producing metakaolin were conducted with high quality Vietnamese kaolins. The results showed the potential to produce metakaolin, and its effect has on strength development of mortars and concretes. However, utilisation of a low quality kaolin for producing Vietnamese metakaolin has not been studied so far.
The objectives of this study were to produce a good quality metakaolin made from low quality Vietnamese kaolin and to facilitate the utilisation of Vietnamese metakaolin in composite cements.
In order to reach such goals, the optimal thermal conversion of Vietnamese kaolin into metakaolin was carried out by many investigations, and as such the optimal conversion is found using the analysis results of DSC/TGA, XRD and CSI. During the calcination in a range of 500 – 800 oC lasting for 1 – 5 hours, the characterisation of calcinated kaolin was also monitored for mass loss, BET surface, PSD, density as well as the presence of the residual water. It is found to have a well correlation between residual water and BET surface.
The pozzolanic activity of metakaolin was tested by various methods regarding to the saturated lime method, mCh and TGA-CaO method. The results of the study showed which method is the most suitable one to characterise the real activity of metakaolin and can reach the greatest agreement with concrete performance. Furthermore, the pozzolanic activity results tested using methods were also analysed and compared to each other with respect to the BET surface.
The properties of Vietnam metakaolin was established using investigations on water demand, setting time, spread-flowability, and strength. It is concluded that depending on the intended use of composite cement and weather conditions of cure, each Vietnamese metakaolin can be used appropriately to produce (1) a composite cement with a low water demand (2) a high strength of composite cement (3) a composite cement that aims to reduce CO2 emissions and to improve economics of cement products (4) a high performance mortar.
The durability of metakaolin mortar was tested to find the needed metakaolin content against ASR, sulfat and sulfuric acid attacks successfully.
Der Einsatz ungeeigneter Materialien ist eine der häufigsten Ursachen für Bauwerksschäden. Da die Beseitigung dieser Schäden oft mit hohen Kosten verbunden ist, besteht in der Baupraxis der Bedarf an einer Identifizierungsmethode für eingesetzte Baustoffe. Daneben wäre eine Kenntnis der in einem Bauwerk vorliegenden Materialien auch für Instandhaltungsarbeiten hilfreich.
Die Identifizierung der in einem Festbeton oder Festmörtel vorliegenden Zementart gilt auch gegenwärtig noch als schwierig oder sogar unmöglich. Die Schwierigkeiten ergeben sich in erste Linie daraus, dass die Hydratationsprodukte verschiedener Zementarten oft nur geringe Unterschiede in ihrer chemischen und mineralogischen Zusammensetzung aufweisen und die Hydratationsmechanismen bei einigen Zementarten noch nicht vollständig erforscht sind.
Primäres Ziel der vorliegenden Arbeit war es zu untersuchen, ob anhand des Mineralphasenbestandes, der sich während einer thermischen Behandlung von Zementsteinen einstellt, eine Identifizierung der vorliegenden Zementart möglich ist. Weiterhin sollte die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf Betone und Mörtel eingeschätzt werden.
Zur Schaffung von Identifizierungsmerkmalen wurden die (angereicherten) Zementsteine bei Temperaturen im Bereich zwischen 600 °C und 1400 °C thermisch behandelt. An den getemperten Proben wurde der Mineralphasenbestand mittels Röntgendiffraktometrie bestimmt. Mit der gleichen Methode wurden die Ausgangszemente und die (angereicherten) Zementsteine untersucht. Aus der Gegenüberstellung der nachgewiesenen Mineralphasen konnten die gesuchten Identifizierungsmerkmale abgeleitet werden. Um den Einfluss der Gesteinskörnungen auf die Identifizierungsmöglichkeiten gesondert zu erfassen, wurde das Versuchsprogramm auf 3 Abstraktionsebenen angelegt. Für die Auswertung der Ergebnisse wurden die Proben zu Klassen zusammengefasst, welche jeweils charakteristische Zusammensetzungen der Ausgangszemente repräsentieren. Für die Analyseergebnisse wurden die klassenspezifischen die Mittel- und Grenzwerte bestimmt.
Als die effektivste Methode zur Anreicherung der Zementsteinmatrix aus Mörtel- und Betonproben erwies sich die Kombination aus einer Zerkleinerung in einem Laborbackenbrecher. Die fein partikulären Fraktionen, welche Zementsteingehalte von 70-80 Ma.-% aufwiesen, wurden als Analyseproben verwendet. Es zeigte sich aber auch, dass das Anreicherungsergebnis von der Gesteinskörnungsart abhängt. Bei Laborbetonen mit einer Kalkstein-Gesteinskörnung wurde mit der gleichen Methode lediglich eine Anreicherung des Zementsteins auf etwa 50 Ma.-% erreicht.
Die Untersuchungen auf Abstraktionsebene 1 lieferten die Erkenntnis, dass der Hydratationsprozess der Klinkerphasen, der Klinkerphasengemische sowie des Hüttensandes, auch in Gegenwart des Sulfatträgers für Behandlungstemperaturen im Bereich des Klinkerbrandes vollständig reversibel ist. Im Hinblick auf die Identifizierungsmöglichkeiten wurde 1100 °C als optimale Behandlungstemperatur ermittelt, da hier eine Schmelzphasenbildung ausgeschlossen werden kann.
Durch eine Gegenüberstellung der chemischen Zusammensetzung der Ausgangszemente und des Phasenbestandes nach der Temperung konnte nachgewiesen werden, dass bei reinen Zementsteinen grundsätzlich alle Bestandteile an der Reaktion, die während der thermischen Behandlung bei 1100 °C stattfindet, beteiligt sind. Der sich einstellende Phasen bestand ist nur von der chemischen Zusammensetzung der Probe und dabei besonders von derem CaO-Gehalt abhängig. Empirisch wurde eine Prioritätenfolge für die Phasenbildung ermittelt. Daraus geht hervor, dass bevorzugt CaO-reiche Phasen, wie Aluminatferritphase, Belit und Ye‘elimit entstehen und dass überschüssiger Kalk als freies CaO vorliegt. Nur wenn der CaO-Gehalt der Probe nicht für die vollständige Bildung der – in der Summe – kalkreichsten Phasen ausreicht, entstehen partiell oder vollständig kalkärmere Phasen, wie Merwinit und Melilith. Basierend auf den Prioritäten zur Phasenbildung wurde ein Satz von Berechnungsgleichungen aufgestellt, mit denen der CaO-Typ aus der Phasenzusammensetzung der bei 1100 °C getemperten Probe bestimmt werden kann. CaO-Typen repräsentieren Bereiche für die chemische Zusammensetzung der Ausgangsprobe, welche bei der Temperaturbehandlung zu einer charakteristischen qualitativen Phasenzusammensetzung führen. Die CaO-Typen der marktüblichen Zementarten wurden anhand der in der Norm EN 197 festgelegten Bereiche für die Zusammensetzung der Zemente aus ihren Hauptbestandteilen sowie der aus der Fachliteratur ermittelten Bereiche für die chemische Zusammensetzung dieser Hauptbestandteile ermittelt. Damit kann für die Zementarten der Phasenbestand vorhergesagt werden, welcher sich während der Temperaturbehandlung des entsprechenden Zementsteins einstellt. Ein Vergleich mit dem gemessenen Phasenbestand erlaubt so die Identifizierung der Zementart.
Die Übertragbarkeit der durch die Untersuchungen an den Zementsteinen gewonnenen Erkenntnisse und die daraus abgeleiteten Identifizierungsmöglichkeiten auf Zementsteine, welche aus quarzsandhaltigen Normmörteln angereichert wurden, konnte nachgewiesen werden. Dabei wurde eine leichte Verschiebung des Phasenbestandes hin zu kalkärmeren Phasen beobachtet, welche auf die Reaktionsbeteiligung eines Teils der in den Proben enthaltenen Restgesteinskörnung zurückzuführen ist. Die Unterscheidungsmöglichkeiten zwischen den Zementarten blieben jedoch überwiegend erhalten.
Bei Betonen nimmt der Einfluss der Gesteinskörnung auf den Phasenbestand deutlich zu und kann zum Teil nicht mehr vernachlässigt werden. Die Identifizierungsmöglichkeiten müssen deshalb nach der chemischen Zusammensetzung und der Reaktivität der Gesteinskörnung differenziert ermittelt werden. Dazu sind weitere Untersuchungen notwendig.
Für Zementsteine, zementsteinreiche Systeme sowie Mörtel und Betone mit wenig reaktiven Gesteinskörnungen kann die Zementart bereits mit der in dieser Arbeit vorgestellten Methode identifiziert werden. In Fällen, für die sich die Bereiche der chemischen Zusammensetzung mehrerer Zementarten überschneiden, kann es dabei notwendig sein, zusätzliche chemische bzw. mineralogische Untersuchungen durchzuführen, z. B. am unbehandelten Zementstein.
Die Qualität von Beplankungselementen wirkt sich deutlich auf den Feuerwiderstand von Metallständer-Wandkonstruktionen aus. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit der Einfluss von Zusätzen in Gipsplatten bezüglich einer möglichen Verbesserung dieser Eigenschaft untersucht.
Zu diesem Zweck wurden spezielle, den jeweiligen Untersuchungsbedingungen angepasste Probekörper unter Verwendung verschiedenster Zusätze gefertigt. Die Beurteilung deren Auswirkungen erfolgte insbesondere mittels nachfolgender fünf Kriterien:
1) dem Zeitpunkt der Temperaturerhöhung nach der Probekörperentwässerung,
2) dem Maximalwert der Plattenrückseitentemperatur,
3) der Größe und der Anzahl der Risse,
4) der Plattenstabilität nach der Wärmebeanspruchung,
5) der Verkürzung von prismatischen Probekörpern.
Besonders wichtig war hierbei die Charakterisierung der Auswirkungen einer simulierten Brandbeanspruchung von 970 °C über 90 Minuten auf Labor-Gipsplatten. Dabei wurde die Temperaturänderung auf der Plattenrückseite über den gesamten Prüfzeitraum kontinuierlich erfasst. Die Bewertung des Zusammenhalts der Platten nach der thermischen Beanspruchung erfolgte erstmals quantitativ über Anzahl und Größe der an den Proben entstandenen Risse. Ursächlich für die Rissbildung ist die Verringerung des Probekörpervolumens infolge des ausgetriebenen Kristallwassers. Da dieser Parameter im Plattenversuch nicht bestimmt werden kann, wurde ergänzend das Längenänderungsverhalten von Prismen im Ergebnis einer 90minütigen Temperung bei 1000 °C im Muffelofen ermittelt.
Besonders vorteilhaft hat sich die Zugabe von 80 g/m2 Glasfasern und 7,75 % Kalksteinmehl auf das Verhalten von Gipsplatten bei Brandbeanspruchung ausgewirkt. Diese Verbesserung ist insbesondere auf höhere Stabilität und geringere Schrumpfung der Gipsplatte zurückzuführen.
Basierend auf den im Labormaßstab erhaltenen Ergebnissen wurden Rezepturvorschläge zur Verbesserung des Feuerwiderstandsverhaltens von Gipsplatten unter Praxisbedingungen entwickelt. Die Herstellung der erforderlichen großformatigen Platten erfolgte auf der Bandstraße der Knauf Gips KG. Diese Platten wurden als Wandkonstruktion mit zweilagiger Beplankung einer großtechnischen Prüfung erfolgreich unterzogen. Eine geringere Durchbiegung der Wandkonstruktion, eine verminderte Volumenreduzierung der Platten sowie eine erhöhte Plattenstabilität belegen die verbesserten Eigenschaften dieser modifizierten Feuerschutzplatte.
Weitere durchgeführte Untersuchungen ergaben, dass es unerheblich ist, ob die Platten auf Basis von Natur- oder REA-Gips bzw. mit hohem oder niedrigem Flächengewicht gefertigt wurden. Das eindeutig beste Ergebnis mit einer Feuerwiderstandsdauer von 118 Minuten hat eine Wandkonstruktion aus Feuerschutzplatten auf Basis eines Stuckgipses aus 100 % REA-Gips mit einem Anteil von 83,9 g/m2 Glasfasern und 1 % Vermiculit und einem Flächengewicht von 10,77 kg/m2, bei einer Plattenstärke von 12,5 mm.
Die als Ziel vorgebende Feuerwiderstandsdauer von 120 Minuten bei zweilagiger Beplankung ohne Dämmstoff könnte künftig erreicht werden, wenn es gelingt, die Volumenreduzierung noch besser zu kompensieren und die Plattenstabilität zu steigern. Eine Möglichkeit hierzu ist die Substitution der beidseitigen Kartonlagen durch eine Glasfaser-Vliesummantelung. Die Wandkonstruktion W112 ohne Dämmstoff erreicht dabei eine Feuerwiderstandsdauer von weit über 120 Minuten, wobei der Gipskern mit Glasfasern armiert ist.
6 Zusammenfassung und Ausblick
Die hydrothermal induzierte Phasentransformation konnte für ATZ-Keramik mit tiefenge-mittelten und tiefenaufgelösten Methoden charkterisiert und quantifiziert werden.
Die zeit- und temperaturabhängige Alterungskinetik von ATZ wurde durch neun Tempera-turstufen in einem Temperaturbereich von 50 °C bis 134 °C untersucht und die kinetischen Parameter nummerisch bestimmt. Für 3Y-TZP wurde diese Prozedur bei drei Temperaturen im Temperaturbereich von 70 °C bis 134 °C angewendet. Aufgrund des ARRHENIUS-Verhaltens der Umwandlungskinetik konnte der zeitliche Verlauf der isotherm stattfinden-den hydrothermal induzierten Phasentransformation bei Körpertemperatur simuliert wer-den. Die Simulation dient zur Bewertung der Langzeitstabilität von medizinischen Implanta-ten aus ATZ bzw. 3Y-TZP. Die Untersuchungen wurden in Wasser und in Wasserdampf bzw. wasserdampfgesättigter Luft durchgeführt. Die Langzeitsimulation für 3Y-TZP wurde an-hand von Explantat-Untersuchungen verifiziert.
ATZ zeigt gegenüber 3Y-TZP eine höhere Alterungsstabilität bezogen auf die zeitliche Ent-wicklung der monoklinen Phase. Im Hinblick auf die Oberflächenhärte, die durch die Pha-senumwandlung stark beeinflusst wird, erweist sich ATZ über einen langen Alterungszeit-raum stabiler als 3Y-TZP. Bis zu einem monoklinen Gehalt von 40 % beweist ATZ einen deutlichen Härtevorteil gegenüber 3Y TZP, dieser entspricht in der Langzeitsimulation für die Wasserlagerung ca. 35 Jahre. Das wirkt sich insbesondere bei Verschleißpaarungen wie beim künstlichen Hüftgelenk positiv aus.
Verschleißuntersuchungen an einer neu entwickelten Kugel-auf-Scheibe-Geometrie mit li-nearer Kinematik, die dem Hüftgelenk nachempfunden wurde, belegen die vorteilhaften Verschleißeigenschaften von ATZ in Form von sehr geringen Abtragsraten und einer intak-ten Oberfläche nach 720 000 absolvierten Zyklen. Dabei wurde sogar eine Aufhärtung der Oberfläche durch die Verschleißbeanspruchung um bis zu 8 % nachgewiesen.
Bei der tiefengemittelten Charakterisierung der hydrothermalen Alterung wurde in beiden Materialtypen festgestellt, dass die Geschwindigkeit der Phasentransformation neben der Temperatur merklich von der Änderung der H2O-Stoffmengenkonzentrantion an der Ober-fläche der Keramik abhängig ist, was sich mit den unterschiedlichen Aktivierungsenergien für Wasser- bzw. Wasserdampflagerung belegen lässt. Die Aktivierungsenergie Ea der hyd-rothermalen Phasentransformation wurde mit Hilfe der ARRHENIUS-Beziehung ermittelt und beträgt für ATZ bei Wasserdampflagerung 102 kJ/mol und bei Wasserlagerung 92 kJ/mol. Für Y-TZP beträgt die Aktivierungsenergie 114 kJ/mol bei Wasserdampflagerung und 102 kJ/mol bei Wasserlagerung. Der resultierende präexponentielle Faktor k0 unterscheidet sich für Wasserlagerung und Wasserdampflagerung um eine Größenordnung, was auf einen leicht andersartigen thermisch aktivierten Gesamtprozess hinweist.
Der Avrami-Exponent n, der einen Hinweis auf den Mechanismus der Keimbildung sowie deren geometrische Ordnung geben kann, zeigte keine signifikante Abhängigkeit von der Temperatur und vom Umgebungsmedium. Er ist dagegen zeitabhängig und fällt mit zuneh-mender Alterungszeit, d.h. mit zunehmendem monoklinem Gehalt von ca. 4 auf 0,5 ab, was auf eine abnehmende Keimbildungsrate hindeutet. In Verbindung mit weiteren Untersu-chungen durch unabhängige und zum Teil tiefenauflösende Methoden wie GIXRD, NRA und Knoop-Mikrohärte-Messungen lässt sich der Alterungsmechanismus, bzw. sein zeitlicher und örtlicher Ablauf, durch die drei Stadien A, B und C beschreiben:
A 0-5 ma. % m-ZrO2 Quasi-homogene Keimbildung an bevorzugten Orten wie Kornkan-ten und Kornecken (n≈4), Wassertransport wahrscheinlich via Korngrenzendiffusion, Aufhärtung der Oberfläche
B 5-40 ma. % m-ZrO2 Keimbildung an den Korngrenzflächen bis zur Keimsättigung (n≈2), monokline Randschicht wächst zeitlich linear, Wassertransport konvektiv über Mikrorisse, deutlicher Härteverlust der Oberfläche
C ≥ 40 ma. % m-ZrO2 Wachstum der monoklinen Kristallite von den Korngrenzflächen in die tetragonalen Kristallite unter starker Verzwillingung (n≈0,5), Abnahme der tetragonalen Kristallitgröße, starke Mikrorissbildung, dramatischer Rückgang der Oberflächenhärte
Die Kristallitgröße der monoklinen Phase verbleibt im ATZ über alle drei Abschnitte bei 30 ±5 nm. Ein Anwachsen der Kristallite ist mechanische behindert. Kleinere monokline Kristallite sind im ATZ thermodynamisch instabil. Die Kristallitgröße der tetragonalen Phase fällt in den Abschnitten A und B sehr langsam und in C sehr schnell bis auf 25 nm ab. Bei dieser Kristallitgröße ist die tetragonale Phase gegenüber der monoklinen Phase thermody-namisch stabil. Diese residualen tetragonalen Kristallite weisen nach vollständigem Reakti-onsablauf einem Anteil von 7 ma. % auf. Der Sättigungsgehalt der monoklinen Phase betrug in beiden Materialen unabhängig von der Temperatur bzw. dem Umgebungsmedium 75 % der ZrO2-Phase.
In Abschnitt C besitzt die residuale tetragonale Phase eine starke Orientierung. Dadurch wird die geometrische Bedingtheit der hydrothermal induzierten Phasenumwandlung ver-deutlicht. Die monokline Phase ist über den gesamten Alterungsprozess stark nach m(1 1 1) orientiert, was mit einer bevorzugten Umklapprichtung der c-Achse zur freien Oberfläche hin verbunden ist.
Mit Hilfe der tiefenaufgelösten Phasenanalyse konnte die Wachstumsgeschwindigkeit der monoklinen Randschicht von der Oberfläche in das Volumen untersucht werden. Die Ge-schwindigkeit des Schichtwachstums ist in Abschnitt B nicht zeit- und tiefenabhängig, son-dern konstant mit ausgeprägtem ARRHENIUS-Verhalten (Temperaturabhängigkeit). Die Akti-vierungsenergie der Schichtwachstumsgeschwindigkeit km liegt in der gleichen Größenord-nung wie die der Transformationskonstante k.
Die Umwandlungszone schreitet also mit konstanter Geschwindigkeit in das Volumen fort und hinterlässt ein verzweigtes Mikro- und Nanoriss-System. FESEM-Aufnahmen bestätigen das Vorhandensein einer porösen Randschicht, durch die das Wasser nahezu ungehindert eindringen kann.
NRA Untersuchungen deuten in Stadium A auf Korngrenzendiffusion hin und bestätigen in Stadium B einen konvektiven Transport des Wassers an die Transformationszone. Eine Dif-fusion über Sauerstoffleerstellen im Gitter konnte anhand von Proben aus 8YSZ nicht nach-gewiesen werden. Dagegen kommt es in dem verzweigten Riss- und Porensystem in der gealterten Randschicht zum Rücktransport des Wassers an die Oberfläche, sobald die Pro-ben aus der hydrothermalen Atmosphäre genommen, an Luft gelagert oder in die Hochva-kuumkammer der NRA-Messapparatur eingeschleust werden.
Mikrostrukturelle Untersuchungen an eigens entwickelten Verschleißpaarungen zeigten nach 720000 Zyklen ähnliche Oberflächeneigenschaften wie im Alterungsstadium A. Man kann daher davon ausgehen, dass die Stadien B und C aus Stabilitätsgründen in der tribolo-gischen Kontaktzone nicht existieren können und es dass sich im Falle einer gleichzeitigen, hydrothermalen und tribologischen Beanspruchung um einen stationären Alterungs- und Verschleißprozess handelt. Durch quasiplastische Deformation der monoklinen und tetra-gonalen Kristallite wird die Verschleißrate und die Abriebpartikel bei einer hart /hart Paa-rung aus ATZ deutlich minimiert, so dass ATZ für die Hüftendoprothetik ein durchaus geeig-neten Werkstoff darstellt, der sich auf der Grundlage der in dieser Arbeit gewonnenen Daten über eine Imlantationsdauer von .mehr als 15 Jahre stabil verhalten kann.
Helsinki Central
(2012)
Als zentraler Ort und Eingangstor in die finnische Hauptstadt bietet der Bereich um den Bahnhof, in dem sich das Baufeld befindet zu wenig räumliche Qualitäten und bildet gleichzeitig eine Barriere zwischen dem historischen Stadtkern und dem politischen und kulturellem Zentrum der Stadt.
Der historische Bahnhof aus der Epoche des Jugendstils ist momentan eingeschlossen von einer hochfrequentierten Straße im Süden und den flankierenden Stationen des Busbahnhofs an der Ost- und Westseite.
Die fußläufigen Verbindungen in die Altstadt sind gestört und das Regierungsviertel mit
dem Reichstagsgebäude werden links liegen gelassen. Eine Orientierung als Neuankömmling ist schwer möglich.
Darüber hinaus kommt etwa die Hälfte der Züge, vor allem die Regionalzüge nicht in der Bahnhofshalle des Kopfbahnhofes an, weil die Begrenzung durch die
Seitenflügel nur eine Erweiterung des Bahnhofs nach Norden hin zuließ.
Entstanden ist ein Entwurf der versucht, dem gesamten Bereich um den Bahnhof ein neues Gesicht zu geben und eine Verbesserung auf unterschiedlichen Ebenen zu erreichen. Er bündelt zum einen die verschiedenen Verkehrsströme und stellt eine bisher unterbrochene Querverbindung zwischen den benachbarten Stadtvierteln entlang des Bahnhofsareals her. Zum anderen trägt er dem Erfordernis nach einem städtebaulichen Gegenüber für das
Regierungsgebäude Rechnung, welches damit in den Verbund der kulturellen Einrichtungen auf dem Töölönlahti Gelände aufgenommen wird. Darüber hinaus belebt er eine Besonderheit von Helsinki. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts bestand die Notwendigkeit den Hafen an das Schienennetz anzubinden. Da der Stadtkern bereits sehr dicht bebaut war, wurde ein Eisenbahnring entlang der Küste, einmal um das Stadtzentrum herum gebaut. Seitdem die Verbindung stillgelegt wurde liegt dieser Ring brach, was nun die große Chance bietet, eine kreuzungsfreien Rad- und Fußweg zu etablieren, der durch den Entwurf eines Mobilityhubs geschlossen würde.
In der vorliegenden Broschüre werden die städtebaulichen Rahmenbedingungen, die Analyse der gegenwärtigen Situation und der eigentliche Entwurfsprozess, der zu dieser Lösung führte dokumentiert.
Das Unterteilen einer vorgegebenen Grundfläche in Zonen und Räume ist eine im Architekturentwurf häufig eingesetzte Methode zur Grundrissentwicklung. Für deren Automatisierung können Unterteilungsalgorithmen betrachtet werden, die einen vorgegebenen, mehrdimensionalen Raum nach einer festgelegten Regel unterteilen. Neben dem Einsatz in der Computergrafik zur Polygondarstellung und im Floorplanning zur Optimierung von Platinen-, Chip- und Anlagenlayouts finden Unterteilungsalgorithmen zunehmend Anwendung bei der automatischen Generierung von Stadt- und Gebäudegrundrissen, insbesondere in Computerspielen.
Im Rahmen des Forschungsprojekts Kremlas wurde das gestalterische und generative Potential von Unterteilungsalgorithmen im Hinblick auf architektonische Fragestellungen und ihre Einsatzmöglichkeiten zur Entwicklung einer kreativen evolutionären Entwurfsmethode zur Lösung von Layoutproblemen in Architektur und Städtebau untersucht. Es entstand ein generativer Mechanismus, der eine Unterteilungsfolge zufällig erstellt und Grundrisse mit einer festgelegten Anzahl an Räumen mit bestimmter Raumgröße durch Unterteilung generiert. In Kombination mit evolutionären Algorithmen lassen sich die erhaltenen Layoutlösungen zudem hinsichtlich architektonisch relevanter Kriterien optimieren, für die im vorliegenden Fall Nachbarschaftsbeziehungen zwischen einzelnen Räumen betrachtet wurden.
Das vorliegende Arbeitspapier beschäftigt sich mit der Thematik der Nutzerinteraktion bei computerbasierten generativen Systemen. Zunächst wird erläutert, warum es notwendig ist, den Nutzer eines solchen Systems in den Generierungsprozess zu involvieren. Darauf aufbauend werden Anforderungen an ein interaktives generatives System formuliert. Anhand eines Systems zur Generierung von Layouts werden Methoden diskutiert, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. Es wird gezeigt, dass sich insbesondere evolutionäre Algorithmen für ein interaktives entwurfsunterstützendes System eignen. Es wird kurz beschrieben, wie sich Layoutprobleme durch eine evolutionäre Strategie lösen lassen. Abschließend werden Fragen bezüglich der grafischen Darstellung von Layoutlösungen und der Interaktion mit dem Dargestellten diskutiert.
Der vorliegende Beitrag ist in zwei thematische Teilebereiche gegliedert. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Analyse von Graphen, insbesondere von Graphen, die Straßennetzwerke repräsentieren. Hierzu werden Methoden aus der Graphentheorie angewendet und Kenngrößen aus der Space Syntax Methode ausgewertet. Ein Framework, welches basierend auf der Graphentheorie in Architektur und Stadtplanung Einzug gehalten hat, ist die Space Syntax Methode. Sie umfasst die Ableitung unterschiedlicher Kenngrößen eines Graphen bzw. Netzwerkes, wodurch eine Analyse für architektonische und stadtplanerische Zwecke ermöglicht wird.
Der zweite Teil dieses Berichts beschäftigt sich mit der Generierung von Graphen, insbe-sondere der von Straßennetzwerkgraphen. Die generativen Methoden basieren zum Teil auf den gewonnenen Erkenntnissen der Analyse von Straßennetzwerken. Es werden unterschiedliche Ansätze untersucht, um verschiedene Parameterwerte zur Generierung von Straßengraphen festzulegen. Als Ergebnis der Arbeiten ist ein Softwaretool entstanden, welches es erlaubt, auf Grundlage einer Voronoi-Tesselierung realistische Straßennetzwerkgraphen zu erzeugen.
Die im vorliegenden Buch dokumentierten Untersuchungen befassen sich mit der Entwicklung von Methoden zur algorithmischen Lösung von Layoutaufgaben im architektonischen Kontext. Layout bezeichnet hier die gestalterisch und funktional sinnvolle Anordnung räumlicher Elemente, z.B. von Parzellen, Gebäuden, Räumen auf bestimmten Maßstabsebenen. Die vorliegenden Untersuchungen sind im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsprojekts entstanden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Entscheidungsfindung im Herstellungsprozess von Brückenkappen untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Fuzzy-Methode ein geeignetes Werkzeug sein könnte, die Teilprozesse auf die Möglichkeit ihrer Parallelisierung hin zu untersuchen. Um diese Theorie zu testen, wurde auf den Grundlagen von Arbeiten der Professur Baubetrieb und Bauverfahren der Prozess näher analysiert und unterstützend durch eigene Recherchen ein UML-Diagramm erstellt, welches als Aktivitätsdiagramm ausgebildet wurde. Aufbauend auf diesem Ablauf und den gewonnenen Kenntnissen zur Herstellung einer Brückenkappe, konnten die einzelnen Prozesse zu Teilprozessen, sogenannten Bausteinen, zusammengefasst werden. Diese Bausteine sind entstanden, um die Simulation möglich zu machen, indem der Ablauf weniger komplex wird und nur die Prozesse zu beurteilen sind, die beeinflusst bzw. in ihrer Reihenfolge bis zu einem gewissen Grad variabel sind. Eine erleichterte Interaktion mit den Bausteinen und deren Überführung in ein Simulationsprogramm wurde über Templates realisiert. So besitzt jeder Baustein eine einheitliche Struktur. Unter anderem beinhalten die Bausteine die jeweiligen Ressourcen und Parameter, sowie die Abhängigkeiten der Prozesse untereinander und die zugehörige Priorität. Zur Entscheidungsfindung wurde die Fuzzylogik herangezogen und die Problemstellung der Parallelisierung zum Ziel gesetzt. Die Realisierung wurde über einen Entscheidungsbaum und das daraus resultierende Regelwerk erreicht. Somit ließen sich, ausgehend von einem festgelegten Prozess und durch die Fuzzifizierung der Eingangsparameter Priorität, Prozessdauer und Verfügbarkeit der Ressourcen und Arbeitskräfte, verschiedene Pfade identifizieren, allerdings nur in Verbindung mit den vorher analysierten Abhängigkeiten. Für jeden der Eingangsparameter wurden so Fuzzy-Sets erstellt. Über den Entscheidungsbaum, welcher mit den linguistischen Variablen versehen wurde, konnte über sogenannte "und" - Verknüpfungen das Regelwerk aufgestellt werden. Das gekürzte Regelwerk in dieser Arbeit beinhaltet grundsätzlich nur die Regeln, die auch zu einer wirklichen Entscheidung führen. Daraus folgt, dass es möglich ist mittels der Fuzzy-Methode eine Entscheidung darüber zu fällen, ob zwei Prozesse zu parallelisieren sind oder nicht und aufgetretene Verzögerungen wieder eingeholt werden können.
This term paper presents a literature review and discusses concepts of the following point: 1- Factors affecting small-strain stiffness in soil; 2- Methods to determine small-strain shear stiffness in laboratory and in-situ; 3- Brief introduction into wave propagation and 4- Bender elements technique to determine shear wave velocity in soil.
The initial shear modulus, Gmax, of soil is an important parameter for a variety of geotechnical design applications. This modulus is typically associated with shear strain levels about 5*10^-3% and below. The critical role of soil stiffness at small-strains in the design and analysis of geotechnical infrastructure is now widely accepted.
Gmax is a key parameter in small-strain dynamic analyses such as those to predict soil behavior or soil-structure interaction during earthquake, explosions, machine or traffic vibration where it is necessary to know how the shear modulus degrades from its small-strain value as the level of shear strain increases. Gmax can be equally important for small-strain cyclic situations such as those caused by wind or wave loading and for small-strain static situations as well. Gmax may also be used as an indirect indication of various soil parameters, as it, in many cases, correlates well to other soil properties such as density and sample disturbance. In recent years, a technique using bender elements was developed to investigate the small-strain shear modulus Gmax.
The objective of this thesis is to study the initial shear stiffness for various sands with different void ratios, densities, grain size distribution under dry and saturated conditions, then to compare empirical equations to predict Gmax and results from other testing devices with results of bender elements from this study.