02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Data-driven modelling of neuromechanical adaptation in skeletal muscles in response to isometric exercise(Stuttgart : Institute for Modelling and Simulation of Biomechanical Systems, Chair of Continuum Biomechanics and Mechanobiology, University of Stuttgart, 2022) Altan, Neriman Ekin; Röhrle, Oliver (Prof., PhD)This study aims to model the changes in the behaviour of motor neurons of the vastus lateralis in response to unilateral isometric knee extension exercise (UIKEE). For this, the phenomenological motor control model by Fuglevand et al. (1993) has been used. Input parameters for this model have been calibrated against data from experimental studies available in literature by using Bayesian updating. The pre-exercise state of the motor neuron pool of the muscle describing the recruitment behaviour as well as the contractile properties of the motor neurons have been constructed. Data collected from a systematic review on the change in isometric strength due to UIKEE has been modelled using Bayesian lonigutidinal model-based meta-analysis. Using the model of the change in isometric strength, increase in the average motor neuron discharge rate following UIKEE has been quantified.Item Open Access Parallel simulation of volume-coupled multi-field problems with special application to soil dynamics(Stuttgart : Institut für Mechanik (Bauwesen), Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik, Universität Stuttgart, 2017) Schenke, Maik; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Zur Lösung vieler ingenieur- und naturwissenschaftlichen Problemstellungen sind numerische Simulationen ein wichtiges Hilfsmittel. Sie dienen beispielsweise der Wettervorhersage in der Meteorologie oder der Strukturanalyse und Strukturoptimierung im Maschinenbau. In vielen Aufgabenstellungen kann das untersuchte Problem, aufgrund seiner starken Wechselwirkung mit den angrenzenden Systemen, nicht losgelöst betrachtet werden, so dass eine gesamtheitliche Betrachtungsweise notwendig wird. Diese Systeme werden in der Literatur als gekoppelte Probleme bezeichnet. Aufgrund der Komplexität der betrachteten Probleme sind zur effizienten Lösung der zugrunde liegenden Gleichungen parallele Lösungsstrategien von Vorteil. Hierbei wird das Gesamtproblem in kleinere Teilprobleme zerlegt, die gleichzeitig auf verschiedenen Rechnern oder Prozessoren gelöst werden. Um die Vorteile dieses Lösungsverfahrens bestmöglich nutzen zu können, sind erhebliche Anstrengungen zunächst für die initiale Entwicklung und Umsetzung eines effizienten Lösungsverfahrens sowie anschließend für dessen kontinuierliche Weiterentwicklung notwendig. Die vorliegende Monographie beschreibt einen Ansatz zur Kosimulation numerischer Probleme zwischen dem kommerziellen auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) basierenden Programmpaket Abaqus und dem für die Forschung entwickelten Löser PANDAS. Durch die Entwicklung einer allgemeinen Schnittstelle können die Materialmodelle von PANDAS direkt, ohne eine langwierige und fehleranfällige Reimplementierung, in eine für die industrielle Anwendung wichtige Simulationsumgebung überführt werden. Hierbei kann direkt auf die umfangreiche Materialmodellbibliothek von PANDAS zurückgegriffen werden. Zur Illustration der Anwendungsmöglichkeiten der Abaqus-PANDAS-Kopplung wird diese exemplarisch zur Simulation verschiedener volumengekoppelter Mehrfeldprobleme herangezogen. Als bodenmechanisches Anwendungsbeispiel wird die Tragfähigkeit eines flüssigkeitgesättigten granularen Materials unter quasi-statischen und dynamischen zyklischen Belastungen untersucht. Weiterhin werden mehrphasige Strömungsprozesse, wie sie z. B. im Produktionsprozess von faserverstärkten Kunststoffen auftreten, numerisch simuliert. Im sogenannten Vaccum-Assisted-Resin-Transfer-Moulding (VARTM), wird ein zunächst trockenes (gasgesättigtes) Fasergewebe kontinuierlich mit Harz getränkt, wobei für die praktische Anwendung insbesondere die Zeit bis zur vollständigen Sättigung und der sich einstellende Faservolumenanteil im fertigen Bauteil von großem Interesse sind. Weiterhin werden die Effizienz und die parallele Skalierbarkeit des vorgeschlagenen Kosimulationsansatzes untersucht.Item Open Access Einfluss der Verdübelung auf das Trag- und Verformungsverhalten von Verbundträgern mit und ohne Profilblech(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2019) Eggert, Florian; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Zum Tragverhalten von Injektionsdübeln in ungerissenem und gerissenem Mauerwerk(2017) Stipetić, Marina; Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Verankerungen mit Injektionsdübeln stellen eine universell anwendbare Befestigung im Mauerwerk dar. Die wichtigsten Vorteile des Injektionssystems sind die Möglichkeit der Befestigung mit Einzeldübel, Installation mit geringeren Rand- und Achsabständen, relativ hohe Tragfähigkeit und vielfältige Anwendung. Ein Bemessungskonzept für die Tragfähigkeit derartiger Befestigungssysteme ist grundsätzlich für Vollsteine vorhanden. Allerdings werden aus den bauphysikalischen Gründen heutzutage meistens Lochsteine im Mauerwerksbau eingesetzt. Die Tragfähigkeit des Injektionsdübels in Lochsteinen hängt wesentlich von der Steinsorte und der Steingeometrie ab. Für eine wirtschaftliche und sichere Bemessung dieser Verankerungen in Lochsteinen sind das Tragverhalten und die Einflussparameter auf die Tragfähigkeit bisher nicht ausreichend untersucht. Aus diesem Grund wird die Traglast heutzutage durch zahlreiche Labor- und Baustellenversuche (falls nicht in ETA vorhanden) ermittelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt, um das Tragverhalten von Injektionsdübeln in Lochsteinen unter Zug- und Querbelastung zu beschreiben. Zuerst wurde eine Versuchseinrichtung für die Untersuchungen von Verankerungen in Einzelsteinen entwickelt, die die zeitaufwendigen Versuche im Mauerwerk ersetzt. Anhand von Vergleichsversuchen im Mauerwerk wurde gezeigt, dass die entwickelte Prüfeinrichtung für Verankerungen in Einzelsteinen vergleichbare Bedingungen wie die direkte Prüfung im Mauerwerk liefert. Weiterhin wurde ein numerisches Modell anhand der Versuche validiert, um detaillierten Einblick in das Tragverhalten des Injektionsdübels in Lochsteinen zu bekommen. Es wurde eine ausführliche Parameterstudie zum Einfluss der Steingeometrie auf die Dübeltragfähigkeit vorgenommen. Darüber hinaus wurde die Verankerung am freien Rand und Einfluss einer Gruppenbefestigung untersucht. Anhand der gewonnen Erkenntnisse wurde ein Bemessungskonzept in Abhängigkeit der Steingeometrie für Injektionsdübel in Lochsteinen (Hochlochziegel und Kalksandlochsteine) vorgeschlagen. Das vorgestellte Bemessungskonzept wurde mithilfe der eigenen Versuche validiert. Es wurde gezeigt, dass die Bemessungsgleichungen für Zug- und Querbelastung gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmen. Die vorliegende Arbeit stellt zusätzlich noch einige wichtige Einflüsse auf die Tragfähigkeit eines Injektionsdübels im Mauerwerk dar. Es handelte sich um Druckbelastung auf Dübel, Dübeltragverhalten bei Abstandsmontage durch eine Wärmedämmung und Verankerung in gerissenen Steinen und Mauerwerksfugen.Item Open Access An intelligent genetic design tool (IGDT) : applied to the exploration of architectural trussed structural systems(2007) von Bülow, Peter; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing.)This dissertation proposes a new class of computational tool, an Intelligent Genetic Design Tool (IGDT), intended for use in the area of conceptual design of architectural and civil engineering structures. As a computer design aid the IGDT is innovative in its intelligent interaction with the designer. The IGDT allows the user to explore a solution space in a way which promotes the development of creative designs. Being based on Genetic Algorithms (GA's) the IGDT always submits a multiplicity of solutions (populations) for review by the designer, and is thus less likely to cause design fixation than most other optimization techniques. The use of GA's also allows the designer greater latitude in exploring hard-to-code design criteria such as aesthetics, expression or meaning. In this way it provides a service to the designer that is more useful than traditional design tools. For this dissertation, a specific application of an IGDT in the area of architectural engineering is developed. In order to exhibit the capabilities of the IGDT, examples are shown using different trussed systems under various design conditions. The ability of the IGDT to intelligently respond to the designer's preferences and assist in the discovery of useful truss topologies is demonstrated. Comparisons are made with other optimization tools and techniques. It is concluded that the IGDT offers a significantly different approach to computer aided structural design which has the potential to enhance the designer's own creativity in discovering a good solution.Item Open Access Behavior of concrete structures subjected to static and dynamic loading after fire exposure(2021) Lacković, Luka; Ožbolt, Joško (Prof. Dr.-Ing. habil.)The resistance of concrete structures exposed to extreme loading conditions such as explosion, impact, industrial accidents, tsunami, earthquake or their combination represents one of the major topics in research today. Such loading conditions are characterized with high loading rates often acting in conjunction with fire exposure. Especially vulnerable are the structures located in the seismically active areas with high level of urbanization and proximity to HAZMAT landfills, which additionally exacerbate fire conflagrations. The behavior of concrete changes significantly when exposed to elevated temperatures resulting in the decrease of its mechanical properties. Reinforced concrete (RC), when exposed to high temperature culminates in a simultaneous thermal behavior of its two constituents, steel and concrete, that should be considered in the analysis. It is also known that the resistance, crack pattern and failure mode in concrete are strongly influenced by the loading rate. The dynamic response of RC structures previously exposed to fire changes significantly when compared to initially undamaged RC structures. The main objective of the present work is to further improve the existing rate sensitive thermo-mechanical model for concrete through the following: (i) the implementation of the experimentally obtained thermal dependence of concrete fracture energy in the thermo-mechanical model, (ii) the calculation of concrete thermally dependent mechanical properties by means of nonlocal (average) temperature and (iii) to perform parametric study on fastening elements and RC frames in order to investigate the interaction between the thermally induced damage and mechanical behavior of structures. The experimental investigations in the present work indicated that the concrete fracture energy has a declining tendency with the temperature increase, measured on small and mid-sized concrete beams. This is implemented in the thermo-mechanical model and it is indicated that the decrease of fracture energy has a relatively mild influence on reaction values in terms of loading rate. However, its effect on the fracture patterns and reaction-time histories can be considered as more significant. The influence of the nonlocal temperature is validated against the experimental results carried out on RC frames which had been thermally pre-damaged and subsequently loaded with impact. Currently there are almost no models that can realistically predict the structural behavior at this level of complexity. Furthermore, a parametric study is carried out to show the influence of preloading of single-headed stud anchor and anchor group with two and four studs, on the residual concrete edge failure capacity after fire exposure. The anchors are exposed to fire and loaded in shear, perpendicular to the free edge of the concrete member up to failure, in both hot and cold state (after cooling). The influence of different geometry configurations and initial conditions such as the edge distance, embedment depth, anchor diameter and duration of fire on the load-bearing behavior of anchors is investigated. It is demonstrated that the preloading has a strong negative influence on the residual load-bearing capacity of the concrete. Finally, the numerical parametric study is performed to investigate the influence of fire duration and the loading rate on the resistance of RC frames. The response of the RC structures strongly depends on whether it was loaded in hot or residual (cold) state, i.e. after being naturally cooled down to ambient temperature. Furthermore, an extensive numerical investigation on the influence of post-earthquake fire on the residual capacity of RC frames with and without ductile detailing is conducted. The numerical investigation encompassed the validation of the thermo-mechanical model in terms of temperature distributions, thermal deflections and load-bearing capacity against the test data and subsequent parametric analysis with different levels of fire exposure ranging from 15 to 120 min.Item Open Access Colmation: Unravelling physical interactions of surface and subsurface processes(Stuttgart : Universität Stuttgart, Institute for Modelling Hydraulic and Environmental Systems, 2024) Koca, Kaan; Haun, Stefan; Wieprecht, Silke; Noack, MarkusColmation, the infiltration and accumulation of fine sediment in gravel riverbeds, is a natural process in riverine ecosystems. However, when excessive amounts of fine sediments are transported into rivers due to human activities (e.g., intensive agriculture, mining), they can substantially clog the pores of the riverbed, reduce its hydraulic conductivity, usually leading to detrimental impacts on water quality and ecological health. Despite extensive research on colmation, considerable knowledge gaps exist regarding the spatio-temporal dynamics and interactions between near-bed and interstitial flow and processes governing colmation. This is mainly due to the lack of measurement methods that can be utilized at pore scale without disturbing the natural environment. To this end, we developed a novel smart sensor capable of monitoring and measuring sediment infiltration and deposition processes within the pores of the gravel bed. The developed sensor was compared to the industry standard gamma-ray computer tomography (Gamma CT), exhibiting good agreement across a range of infiltrating particle sizes, from sand to fine gravel. Flume experiments further demonstrated the reliability of the smart sensor in acquiring spatially-distributed information on sediment deposition dynamics at high temporal resolution and with reproducible results. While persistent technical malfunctions hindered the acquisition of interstitial flow measurements using an endoscopic PIV system, the developed sensor alone provides valuable insights into sediment accumulation processes, making it a promising tool for engineers, geomorphologists, and ecologists. A potential combination of our sensor with pore-scale velocity measurements and/or eddy-resolving simulations can be considered in the future to elucidate the interactions between local flow fields and progressive pore occlusion by fine sediments. In this respect, our contribution does not only fill a critical gap in our ability to non-destructively monitor sediment deposition process in the interstitial pore space, but also offers the potential for supporting development of more realistic, high-resolution numerical models, which are essential for understanding subsurface-surface interactions at larger scales and finally coming up with sustainable management strategies.