02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Finite element based design of timber structures(2023) Töpler, Janusch; Schweigler, Michael; Lemaître, Romain; Palma, Pedro; Schenk, Martin; Grönquist, Philippe; Tapia Camú, Cristóbal; Hochreiner, Georg; Kuhlmann, UlrikeItem Open Access Lateral torsional buckling of glulam beam-columns : axial compression and bending verification(2024) Töpler, Janusch; Kuhlmann, Ulrike; Schänzlin, JörgItem Open Access Influence of weathering on pore size distribution of soft rocks(2022) Knopp, Julia; Steger, Hagen; Moormann, Christian; Blum, PhilippSoft rocks can weather and lose their structure within a short time due to drying out and rewetting. Thus they are very sensitive to weathering. Since these rocks are often found in the shallow subsurface, they are of great practical relevance in the foundation of constructions. The rock properties change during the weathering process. Particularly relevant is the softening of the material and the decrease of its mechanical properties, which are determined typically using mechanical laboratory or field tests. The objective of this study is to examine in more detail how the microstructure of rocks changes over the course of weathering, which results in a decrease in mechanical properties. Sulfate rocks of the Grabfeld-Formation in Stuttgart, Germany were investigated. Using XRD analyses it was revealed that initially a chemical weathering processes occurs whereby the rocks leach out, followed by a physical weathering process. Investigations with a mercury porosimeter showed that during chemical weathering the intraaggregate pore content greatly increases, whereas the proportion of interaggregate pores only slightly increases.Item Open Access Smooth or with a snap! Biomechanics of trap reopening in the Venus flytrap (Dionaea muscipula)(2022) Durak, Grażyna M.; Thierer, Rebecca; Sachse, Renate; Bischoff, Manfred; Speck, Thomas; Poppinga, SimonFast snapping in the carnivorous Venus flytrap (Dionaea muscipula) involves trap lobe bending and abrupt curvature inversion (snap‐buckling), but how do these traps reopen? Here, the trap reopening mechanics in two different D. muscipula clones, producing normal‐sized (N traps, max. ≈3 cm in length) and large traps (L traps, max. ≈4.5 cm in length) are investigated. Time‐lapse experiments reveal that both N and L traps can reopen by smooth and continuous outward lobe bending, but only L traps can undergo smooth bending followed by a much faster snap‐through of the lobes. Additionally, L traps can reopen asynchronously, with one of the lobes moving before the other. This study challenges the current consensus on trap reopening, which describes it as a slow, smooth process driven by hydraulics and cell growth and/or expansion. Based on the results gained via three‐dimensional digital image correlation (3D‐DIC), morphological and mechanical investigations, the differences in trap reopening are proposed to stem from a combination of size and slenderness of individual traps. This study elucidates trap reopening processes in the (in)famous Dionaea snap traps - unique shape‐shifting structures of great interest for plant biomechanics, functional morphology, and applications in biomimetics, i.e., soft robotics.Item Open Access Determination of muscle shape deformations of the tibialis anterior during dynamic contractions using 3D ultrasound(2024) Sahrmann, Annika S.; Vosse, Lukas; Siebert, Tobias; Handsfield, Geoffrey G.; Röhrle, OliverPurpose: In this paper, we introduce a novel method for determining 3D deformations of the human tibialis anterior (TA) muscle during dynamic movements using 3D ultrasound. Materials and Methods: An existing automated 3D ultrasound system is used for data acquisition, which consists of three moveable axes, along which the probe can move. While the subjects perform continuous plantar- and dorsiflexion movements in two different controlled velocities, the ultrasound probe sweeps cyclically from the ankle to the knee along the anterior shin. The ankle joint angle can be determined using reflective motion capture markers. Since we considered the movement direction of the foot, i.e., active or passive TA, four conditions occur: slow active, slow passive, fast active, fast passive. By employing an algorithm which defines ankle joint angle intervals, i.e., intervals of range of motion (ROM), 3D images of the volumes during movement can be reconstructed. Results: We found constant muscle volumes between different muscle lengths, i.e., ROM intervals. The results show an increase in mean cross-sectional area (CSA) for TA muscle shortening. Furthermore, a shift in maximum CSA towards the proximal side of the muscle could be observed for muscle shortening. We found significantly different maximum CSA values between the fast active and all other conditions, which might be caused by higher muscle activation due to the faster velocity. Conclusion: In summary, we present a method for determining muscle volume deformation during dynamic contraction using ultrasound, which will enable future empirical studies and 3D computational models of skeletal muscles.Item Open Access Modeling of evaporation-driven multiple salt precipitation in porous media with a real field application(2020) Mejri, Emna; Helmig, Rainer; Bouhlila, RachidaSoil and groundwater salinization are very important environmental issues of global concern. They threaten mainly the arid and semiarid regions characterized by dry climate conditions and an increase of irrigation practices. Among these regions, the south of Tunisia is considered, on the one hand, to be a salt-affected zone facing a twofold problem: The scarcity of water resources and the degradation of their quality due to the overexploitation of the aquifers for irrigation needs. On the other hand, this Tunisian landform is the only adequate area for planting date palm trees which provide the country with the first and most important exportation product. In order to maintain the existence of these oases and develop the date production, a good understanding of the salinization problem threatening this region, and the ability to predict its distribution and evolution, should not be underestimated. The work presented in this paper deals with the Oasis of Segdoud in southern Tunisia, with the objective of modeling the evaporation-driven salt precipitation processes at the soil profile scale and under real climatic conditions. The model used is based on the one developed and presented in a previous work. In order to fulfil the real field conditions, a further extension of the geochemical system of the existing model was required. The precipitated salts considered in this work were halite (NaCl), gypsum (CaSO4) and thenardite (Na2SO4). The extended model reproduces very well the same tendencies of the physico-chemical processes of the natural system in terms of the spatio-temporal distribution and evolution of the evaporation and multiple-salt precipitation. It sheds new lights on the simulation of sequences of salt precipitation in arid regions. The simulation results provide an analysis of the influence of salt precipitation on hydrodynamic properties of the porous medium (porosity and permeability). Moreover, the sensitivity analysis done here reveals the influence of the water table level on the evaporation rate.Item Open Access Wassersensible Stadt- und Freiraumplanung : Handlungsstrategien und Maßnahmenkonzepte zur Anpassung an Klimatrends und Extremwetter ; SAMUWA Publikation(Stuttgart ; Universität Stuttgart, Institut für Landschaftsplanung und Ökologie, 2016) Deister, Lisa; Brenne, Fabian; Stokman, Antje; Henrichs, Malte; Jeskulke, Michael; Hoppe, Holger; Uhl, MathiasMit dem voranschreitenden Klimawandel (IPCC 2014) werden die schon heute beobachteten Starkregenereignisse, Hitzewellen und Trockenperioden insbesondere die Städte vor neue Herausforderungen stellen. Die zeitgleich zunehmende Urbanisierung und der damit verbundene Anstieg der versiegelten Flächen beeinflusst den Wasserhaushalt und das Abflussregime in den Städten zusätzlich negativ. Damit schwindet die Lebensqualität in einem Großteil der Städte durch häufigere Überflutungsereignisse, sich verschlechterndes Stadtklima, schlechtere Luftqualität sowie fehlender Rückzugsmöglichkeiten ins Grüne. Die Disziplinen der Siedlungswasserwirtschaft und der Stadt- und Freiraumplanung haben im Laufe der Zeit ihre individuellen Herangehensweisen und Instrumente entwickelt, um die genannten Probleme im Einzelfall anzugehen. Um den zukünftigen Veränderungsprozessen (Klimawandel, Demographie,...) und Herausforderungen (Flächenknappheit,...) effizient zu begegnen, ist eine wassersensible Stadtentwicklung mit multifunktionalen Flächennutzungen erforderlich. Dazu bedarf es der Entwicklung integrierter Planungsmethoden, die gesamtstädtische und teilräumliche Überflutungs- und Hitzevorsorgekonzepte mit den verschiedenen Planungsebenen der Stadt-, Verkehrs- und Landschaftsplanung verzahnen (vgl. Stokman 2013, Stokman et al. 2015, Skinner 2016). Ziel muss also sein, die Herangehensweisen, Instrumente, Modelle und Planungswerkzeuge der beteiligten Disziplinen aufeinander abzustimmen und einander zugänglich zu machen. Vorgehensmodell für eine interdisziplinäre Zusammenarbeit Der vorliegende Leitfaden ist das Produkt des Teilprojekts C.1 „Freiraumplanerische Gestaltungsstrategien“ des BMBF-Forschungsprojekts „Die Stadt als hydrologisches System im Wandel – Schritte zu einem anpassungsfähigen Management des urbanen Wasserhaushalts“ (SAMUWA). Er soll einen Prozess zur Erstellung eines „Wasserplans“ als Leitbild einer wasserbezogenen Stadtentwicklung aufzeigen, der die Zusammenarbeit der oben genannten Disziplinen ermöglicht. Dabei wird je nach Ausgangssituation das siedlungswasserwirtschaftliche Simulationstool WABILA (Fokus auf eine ausgeglichene Wasserbilanz)oder DYNA/ GeoCPM (++ Systems) (Fokus Überflutungsvorsorge) für die Entwicklung integrierter Strategien und konkreter Maßnahmenkonzepte genutzt. Das Wasserbilanzmodell WABILA ermöglicht eine vereinfachte Bilanzierung des urbanen Wasserhaushalts. Durch den Vergleich der mittleren Jahreswerte des Oberflächenabflusses, der Grundwasserneubildung und der Verdunstung des bebauten Zustands mit denen des unbebauten Zustands können Defizite im Wasserhaushalt identifiziert und konkrete Maßnahmen des Regenwassermanagements geplant werden. Derart entwickelte Maßnahmen berücksichtigen, wie im aktuellen DWA-A 102 (2016) gefordert (vgl. Henrichs et al. 2016) den lokalen, natürlichen Wasserhaushalt mit seinem jeweils lokalspezifischen Verhältnis zwischen den Hauptkomponenten Abfluss, Versickerung und Verdunstung. Mit Hilfe des Programmsystems DYNA/ GeoCPM lassen sich bidirektional gekoppelte 1D/ 2D Kanalnetz- und Oberflächenabflussmodelle aufbauen, mit denen Fließwege, Fließgeschwindigkeiten und die Ausbreitung von Starkregenabflüssen berechnen werden können (Gefährdungspotenzial). Durch die anschließende Überlagerung der ermittelten Gefährdungszonen mit Flächen- und Gebäudenutzungen sowie Infrastruktureinrichtungen (Schadenspotenzial) können die Auswirkungen von Überflutungen und damit das jeweils bestehende Risikopotential unterschiedlicher Stadträume ermittelt werden (vgl. BWK/ DWA 2013). Die jeweiligen siedlungswasserwirtschaftlichen Ergebnisse werden mit einem wasserbezogenen städtebaulichen Leitbild (dem Wasserplan) überlagert. Das Leitbild schlägt eine grundlegende städtebauliche Entwicklungsrichtung vor und berücksichtigt dabei bereits räumliche Potentiale für die Regenwasserbewirtschaftung bzw. Überflutungsvorsorge in Verbindung mit dem städtischen Freiraumsystem im Sinne einer integrierten Gesamtkonzeption. Darüber hinaus bezieht es weitere Anforderungen und Aspekte wie z. B. Überflutungshotspots, Hitzeinseln, Lärm und Luftqualität ein. Disziplinübergreifend werden aus der Überlagerung der wasserwirtschaftlichen und stadträumlichen Betrachtung resultierende Fokusgebiete als prioritäre Handlungsräume für die Maßnahmenplanung diskutiert und festgelegt. Dabei spielt eine Akkumulation von Handlungsbedarfen der einzelnen Fachplanungen eine Rolle, um möglichst große Synergieeffekte ausnutzen zu können. Für die Fokusgebiete können im Zusammenspiel von räumlichen Gestaltungskonzepten und deren Simulation/Überprüfung durch die siedlungswasserwirtschaftlichen Werkzeuge multifunktionale Maßnahmen- und Gestaltungskonzepte entworfen und iterativ optimiert werden. Den beiden Vorgehensmodellen inhärent ist eine andere Lesart der Stadt, die darauf abzielt, die Landschaft mit ihrem natürlichen Wasserhaushalt und der naturräumlichen Ordnung als „Gesetz“ der Stadtentwicklung zu betrachten, wie schon Walter Rossow es forderte (Daldrop-Weidmann 1991). Ermöglicht wird dies durch ein koordiniertes Vorgehen und einen abgestimmten Austausch von Informationen, Daten, Entwürfen und Simulationsergebnissen, sowie einer gemeinsamen Maßnahmenplanung an der interdisziplinären Schnittstelle zwischen Siedlungswasserwirtschaft und Stadt- und Freiraumplanung. Das fünf Schritte umfassende, übertragbare Vorgehensmodell wird bezogen auf zwei Modellgebiete in Gelsenkirchen und Wuppertal angewendet und die Methodik detailliert beschrieben und illustriert.Item Open Access The structural and mechanical basis for passive‐hydraulic pine cone actuation(2022) Eger, Carmen J.; Horstmann, Martin; Poppinga, Simon; Sachse, Renate; Thierer, Rebecca; Nestle, Nikolaus; Bruchmann, Bernd; Speck, Thomas; Bischoff, Manfred; Rühe, JürgenThe opening and closing of pine cones is based on the hygroscopic behavior of the individual seed scales around the cone axis, which bend passively in response to changes in environmental humidity. Although prior studies suggest a bilayer architecture consisting of lower actuating (swellable) sclereid and upper restrictive (non‐ or lesser swellable) sclerenchymatous fiber tissue layers to be the structural basis of this behavior, the exact mechanism of how humidity changes are translated into global movement are still unclear. Here, the mechanical and hydraulic properties of each structural component of the scale are investigated to get a holistic picture of their functional interplay. Measurements of the wetting behavior, water uptake, and mechanical measurements are used to analyze the influence of hydration on the different tissues of the cone scales. Furthermore, their dimensional changes during actuation are measured by comparative micro‐computed tomography (µ‐CT) investigations of dry and wet scales, which are corroborated and extended by 3D‐digital image correlation‐based displacement and strain analyses, biomechanical testing of actuation force, and finite element simulations. Altogether, a model allowing a detailed mechanistic understanding of pine cone actuation is developed, which is a prime concept generator for the development of biomimetic hygromorphic systems.Item Open Access Probabilistic analysis of crack growth in railway axles using a Gaussian process(2020) He, Jiajie; Cui, Yong; Liu, Yusun; Wang, HuiItem Open Access Magnetic putty as a reconfigurable, recyclable, and accessible soft robotic material(2023) Li, Meng; Pal, Aniket; Byun, Junghwan; Gardi, Gaurav; Sitti, MetinMagnetically hard materials are widely used to build soft magnetic robots, providing large magnetic force/torque and macrodomain programmability. However, their high magnetic coercivity often presents practical challenges when attempting to reconfigure magnetization patterns, requiring a large magnetic field or heating. In this study, magnetic putty is introduced as a magnetically hard and soft material with large remanence and low coercivity. It is shown that the magnetization of magnetic putty can be easily reoriented with maximum magnitude using an external field that is only one‐tenth of its coercivity. Additionally, magnetic putty is a malleable, autonomous self‐healing material that can be recycled and repurposed. The authors anticipate magnetic putty could provide a versatile and accessible tool for various magnetic robotics applications for fast prototyping and explorations for research and educational purposes.