02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Multi-objective automatic calibration of hydrodynamic models - development of the concept and an application in the Mekong Delta(2011) Nguyen, Viet-Dung; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer.nat. Dr.-Ing. habil.)Automatic and multi-objective calibration of hydrodynamic models is still underdeveloped, in particular, in comparison with other fields such as hydrological modeling. This is for several reasons: lack of appropriate data, the high degree of computational time demanded, and a suitable framework. These aspects are aggravated in large-scale applications. There are recent developments, however, that improve both the data and the computing constraints. Remote sensing, especially radar-based techniques, provide highly valuable information on flood extents, and in case high precision Digital Elevation Models (DEMs) are present, also on spatially distributed inundation depths. With regards to computation, the use of parallelization techniques brings significant performance gains. In the presented study, we build on these developments by calibrating a large-scale one-dimensional hydrodynamic model of the whole Mekong Delta downstream of Kratie in Cambodia: We combine in-situ data from a network of river gauging stations, i.e. data with high-temporal but low-spatial resolution, with a series of inundation maps derived from ENVISAT Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) satellite images, i.e. data with low-temporal but high-spatial resolution, in a multi-objective automatic calibration process. It is shown that this kind of calibration of hydrodynamic models is possible, even in an area as large-scale and complex as the Mekong Delta. Furthermore, the calibration process reveals deficiencies in the model structure, i.e. the representation of the dike system in Vietnam, which would be difficult to detect by a standard manual calibration procedure. In the last part of the dissertation the established hydrodynamic model is combined with flood frequency analysis in order to assess the flood hazard in the Mekong Delta. It is now common to state that climate change can lead to a change in flood hazard. Starting from this assumption, this study develops a novel approach for flood hazard mapping in the Mekong Delta. Typically, flood frequency analysis assumes stationarity and is limited to extreme value statistics of flood peaks. Both, the stationarity assumption and the limitation to univariate frequency analysis remain doubtful in the case of the Mekong Delta, because of changes in hydrologic variability and because of the large relevance of the flood volume for the impact of flooding. Thus, besides the use of the traditional approach for flood frequency analysis, this study takes non-stationarity and bivariate behavior into account. Copula-based bivariate analysis is used to model the dependence and to generate pairs of maximum discharge and volume, by coupling their marginal distributions to gain a bivariate distribution. In addition, based on cluster analysis, groups of characteristic hydrographs are identified and synthetic flood hydrographs are generated. These hydrographs are the input for the calibrated large-scale hydrodynamic model of the Mekong Delta, resulting in flood hazard maps for the whole Mekong Delta. To account for uncertainty within the hazard assessment, a Monte Carlo framework is applied yielding probabilistic hazard maps.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 Investigation on the removal of selected organic micropollutants from municipal wastewater by trickling filters and sand filters(2019) Ghorban, ShimaRecently several different types of organic micropollutants are detected in the aquatic environment as a result of inadequate wastewater treatment. The adverse effects of the various micropollutants such as pharmaceuticals, personal care products, pesticides, herbicides and industrial chemicals with concentrations less than 1 μgL-1 on the ecosystem are challenging to be assessed. Thus, sufficient approaches are indispensable to curtail the negative impacts that these substances may have on the environment and human health. Much research was done especially in the recent years on the fate and removal of these emerging contaminants from wastewater by different measures. In this work, a systematic literature review (SLR) is conducted to determine the current state of research in micropollutant removal around the globe which discovers the existing approaches for micropollutant treatment and enables applying an unbiased evaluation. Then one of the identified approaches (sand filter and trickling filter) which is the objective of this study was investigated, and the removal behavior of micropollutants by this method was experimented. The influent and effluent of the trickling filters and sand filters in LFKW wastewater treatment plant were taken and the effect of biodegradation and sorption on the removal of the compounds was investigated. Micropollutant analysis regarding non-polar substances was performed bygas chromatography-mass spectrometry (GCMS) while high-performance liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry (HPLC-MSMS) was applied instead for polar compounds. Furthermore, the molecular orbital energies of the substances were investigated. UV/Vis spectrophotometry and DOC analysis were other experimental approaches that have been used in order to shed some light on the behavior of these contaminants. As a result of this study, micropollutants are classified in different groups based on their physical-chemical properties, providing it as an essential factor affecting micropollutant removal behavior. Moreover, different correlations between the physical-chemical properties and the micropollutants elimination are assessed.Item Open Access Integrale Abflusssteuerung in Mischsystemen : Aspekte zu deren Einführung ; Leitfaden ; SAMUWA Publikation(2016) Haas, Ulrich; Ruf, Oliver; Dittmer, Ulrich; Schütze, Manfred; Besier, Heike; Weber, Christian; Papas, Michail; Bachmann, AnnaDie Wasserqualität der Gewässer hat sich in den letzten Jahrzehnten dank der hohen Investitionen in entwässerungs- und abwasserreinigungstechnische Einrichtungen deutlich verbessert. Mit dieser Entwicklung geht einher, dass Flüsse und Seen regelmäßig in den Focus der Stadt- und Landschaftsplaner gelangen, da sauberes und erlebbares (Regen-)Wasser ein wichtiger Baustein für die Lebensqualität in unseren Städten ist. Aufgrund der in der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie verankerten integrativen und vorrangig immissionsorientierten Sichtweise sind weitergehende Maßnahmen zur Verringerung der Gewässerbelastung zu erwarten. Dies wird „DIE STADT AM FLUSS“ weiter in greifbare Nähe bringen. Die Wasserrahmenrichtlinie fordert in Artikel 4 „Umweltziele“ eine gute ökologische Qualität der Gewässer. Dies impliziert einen ganzheitlichen, ökologischen Ansatz bei der Bewirtschaftung von Gewässern und eine genaue Kenntnis der Herkunftswege von Belastungen. Es lassen sich die in Abb. 1 dargestellten Handlungsfelder ableiten. Unter der Überschrift „biologische Gewässergüte“ finden sich u.a. die Themen Regenwasserbehandlung und Kläranlage, welche im folgenden Beitrag beleuchtet werden. Das Kanalnetz, die Kläranlage und das Gewässer stehen über die Einleitungsstellen in einem engen Bezug. Die Abkehr von der bisherigen zumeist punktuellen hin zu einer linienförmigen Betrachtungsweise mit der Bezugsgröße Gewässerabschnitt bedarf deshalb eines aufeinander abgestimmten Betriebskonzepts. Mit den heute zumeist statisch wirkenden (ungesteuerten) Entwässerungstechniken lassen sich die zukünftigen Forderungen nicht ohne weiteres widerspruchsfrei erfüllen. Gerade vor dem Hintergrund der ganzheitlichen Betrachtungsweise bietet sich die integrale Abflusssteuerung (iAST) als eine Planungsvariante an. Sie nutzt den sich aus der Diskrepanz zwischen Planungs- und Ist-Zustand bietenden Handlungsspielraum konsequent aus. Die Verbesserungen, die eine integrale Abflusssteuerung für das Gesamtsystem Kanalnetz, Kläranlage und Gewässer schafft, werden auf konventionelle Weise nur durch eine Vergrößerung der Speicherkapazität erzielt. Mit der Einführung einer integralen Abflussteuerung im Modellgebiet Reutlingen werden Wege aufgezeigt, wie bei Regenwetter durch interaktives Eingreifen in das Abflussgeschehen, Einleitungen von Überlaufwasser zum Schutze der Gewässer reduziert oder ganz vermieden werden.Item Open Access Multiscale simulation of phase transformation in metals(Stuttgart : Institut für Baustatik und Baudynamik, Universität Stuttgart, 2019) Willerding, Tobias Emanuel; Bischoff, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)This thesis is about multiscale simulation of phase transformation in metals. Multiscale simulation is the simultaneous use of two or more models in order to have phenomena of different length or time scale in one simulation. Phase transformation between different lattice structures plays an important role in the formation of metals, e.g. iron or titanium. It is, therefore, of interest to simulate phase transformation in a multiscale context. In this thesis, a multiscale method for the simulation of phase transformation in metals is developed. Continuum mechanics, represented by the finite element method, is coupled with atomistics, represented by molecular dynamics. The goal is to simulate phase transformation in metals between different lattice structures such as body-centered cubic, face-centered cubic and hexagonal close-packed structure. As phase transformation requires an internal restructuring of the molecular structure, traditional multiscale methods cannot be used as these require fixed coupling at the interface between coarse scale and fine scale and very often also in the coarse scale by using the Cauchy(-Born) rule. In order to overcome these problems, a combined hierarchic-partitioned-domain method is proposed that consists of two parts. On the finite element level, a hierarchic method based on the FE2-method is used with molecular dynamics simulations as subproblems, one subproblem at each Gauss integration point. The partitioned-domain part of the method consists of dividing the domain into two parts: a molecular dynamics part and a finite element part. A part of the atoms are put into a box with the shape of a parallelepiped and with periodic boundary conditions. This box is linked to the movement of the finite element nodes.Item Open Access Optimierung von Biogasanlagen für Bioabfälle(Stuttgart : FEI e.V. Eigenverlag, 2021) Fritzsche, Anna; Kranert, Martin (Prof. Dr.-Ing.)Bioabfälle stellen die größte getrennt gesammelte Fraktion der Siedlungsabfälle dar. Deren Verwertung dient in erster Linie der hygienisierenden und biologisch stabilisierenden Behandlung und muss gesetzliche Vorgaben zur Abfallbehandlung erfüllen. Bioabfälle haben aber auch ein großes Potenzial zur sowohl stofflichen als auch energetischen Nutzung. In Biogasanlagen für Bioabfälle entstehen hochwertige organische Düngemittel (Kompost und Flüssigdünger) sowie Biogas, welches meist in Blockheizkraftwerken zu elektrischer und thermischer Energie umgewandelt wird. Gesetzliche Änderungen und politische Ziele sorgten in Deutschland in den letzten Jahren für einen Anstieg der Behandlungskapazitäten und der Anzahl an Biogasanlagen für Bioabfälle. Diese werden meist als einstufige Trockenvergärungsanlagen ausgeführt. Es zeigt sich dabei eine Vielzahl verschiedener Konzepte – für die Biogaserzeugung (dis-/kontinuierlich, mesophil/thermophil) sowie für die Verfahrenstechnik der Bioabfallaufbereitung, der Gärrestbehandlung und der Kompostaufbereitung. Gleichzeitig werden Biogasanlagen für Bioabfälle häufig suboptimal betrieben und müssen an den Input angepasst werden. Es fehlen belastbare Daten über einen längeren Zeitraum bzgl. der Eignung der Konzepte für die eingesetzten Substrate sowie der tatsächlichen Leistung der Anlagen. Ziele dieser Arbeit sind daher Parameter, anhand derer der Zustand einer Biogasanlage für Bioabfälle beschrieben werden kann, sowie Bewertungskriterien und Maßnahmen zur Optimierung zu ermitteln und Entscheidungsgrundlagen abzuleiten, welche bei der Planung und Projektierung neuer abfallwirtschaftlicher Biogasanlagen, insbesondere hinsichtlich der technischen Konzeption, herangezogen werden können. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass an Biogasanlagen für Bioabfälle mit Kenntnis wichtiger Betriebsparameter ein Optimierungspotenzial hinsichtlich der Stoffströme und Qualität der Produkte sowie der Energieeffizienz vorhanden ist. Die herausgearbeiteten Entscheidungsgrundlagen können dazu dienen diese Ergebnisse bereits in die Planung neuer Anlagen einzubeziehen. Für bestehende Anlagen können die dargestellten Parameter, insbesondere in Verbindung mit der Gründung eines Netzwerks von Anlagenbetreibern, eine datenbasierte Diskussion fördern sowie einen Vergleichsmaßstab (Benchmarking) bilden und so die Weiterentwicklung von Biogasanlagen für Bioabfälle unterstützen.Item Open Access The benefit of muscle-actuated systems : internal mechanics, optimization and learning(Stuttgart : Institut für Modellierung und Simulation Biomechanischer Systeme, Computational Biophysics and Biorobotics, 2023) Wochner, Isabell; Schmitt, Syn (Prof. Dr.)We are facing the challenge of an over-aging and overweight society. This leads to an increasing number of movement disorders and causes the loss of mobility and independence. To address this pressing issue, we need to develop new rehabilitation techniques and design innovative assistive devices. Achieving this goal requires a deeper understanding of the underlying mechanics that control muscle-actuated motion. However, despite extensive studies, the neural control of muscle-actuated motion remains poorly understood. While experiments are valuable and necessary tools to further our understanding, they are often limited by ethical and practical constraints. Therefore, simulating muscle-actuated motion has become increasingly important for testing hypotheses and bridge this knowledge gap. In silico, we can establish cause-effect relationships that are experimentally difficult or even impossible to measure. By changing morphological aspects of the underlying musculoskeletal structure or the neural control strategy itself, simulations are crucial in the quest for a deeper understanding of muscle-actuated motion. The insights gained from these simulations paves the way to develop new rehabilitation techniques, enhance pre-surgical planning, design better assistive devices and improve the performance of current robots. The primary objective of this dissertation is to study the intricate interplay between musculoskeletal dynamics, neural controller and the environment. To achieve this goal, a simulation framework has been developed as part of this thesis, enabling the modeling and control of muscle-actuated motion using both model-based and learning-based methods. By utilizing this framework, musculoskeletal models of the arm, head-neck complex and a simplified whole-body model are investigated in conjunction with various concepts of motor control. The main research questions of this thesis are therefore: 1. How does the neural control strategy select muscle activation patterns to generate the desired movement, and can we use this knowledge to design better assistive devices? 2. How does the musculoskeletal dynamics facilitate the neural control strategy in accomplishing this task of generating desired movements? To address these research questions, this thesis comprises a total of five journal and conference articles. More specifically, contributions I-III of this thesis focus on addressing the first research question which aims to understand how voluntary and reflexive movements can be predicted. First, we investigate various optimality principles using a musculoskeletal arm model to predict point-to-manifold reaching tasks. By using predictive simulations, we demonstrate how the arm would move towards a goal if, for example, our neural control strategy would minimize energy consumption. The main finding of this contribution shows that it is essential to include muscle dynamics and consider tasks with more openly defined targets to draw accurate conclusions about motor control. Through our analysis, we show that a combination of mechanical work, jerk and neuronal stimulation effort best predicts point-reaching when compared to human experiments. Second, we propose a novel method to optimize the design of exoskeleton power units taking into account the load cycle of predicted human movements. To achieve this goal, we employ a forward dynamic simulation of a generic musculoskeletal arm model, which is first scaled to represent different individuals. Next, we predict individual human motions and employ the predicted human torques to scale the electrical power units employing a novel scalability model. By considering the individual user needs and task demands, our approach achieves a lighter and more efficient design. In conclusion, our framework demonstrates the potential to improve the design of individual assistive devices. The third contribution focuses on predicting reflexive movements in response to sudden perturbations of the head-neck complex. To achieve this, we conducted experiments in which volunteers were placed on a table while supporting their heads with a trapdoor. This trapdoor was then suddenly released leading to a downward movement of the head until the reflexive reaction of the muscles stops the head from falling. We analyzed the results of these experiments, presenting characteristic parameters and highlighting differences between separate age and gender groups. Using this data, we also set up benchmark validations for a musculoskeletal head-neck model, including reflex control strategies. Our main findings are that there are large individual differences in reflexive responses between participants and that the perturbation direction significantly affects the reflexive response. Furthermore, we show that this data can be used as a benchmark test to validate musculoskeletal models and different muscle control strategies. While the first three contributions focus on the research question (1), contributions IV-V focus on (2) whether and how the musculoskeletal dynamics facilitate the learning and control task of various movements. We utilize a recently introduced information-theoretic approach called control effort to quantify the minimally required information to perform specific movements. By applying this concept, we can for example quantify how much biological muscles reduce the neuronal information load compared to technical DC-motors. We present a novel optimization algorithm to find this control effort and apply it to point-reaching and walking tasks. The main finding of this contribution is that the musculoskeletal dynamics reduce the control effort required for these movements compared to torque-driven systems. Finally, we hypothesize that the highly nonlinear muscle dynamics not only facilitate the control task but also provide inherent stability that is beneficial for learning from scratch. To test this, we employed various learning strategies for multiple anthropomorphic tasks, including point-reaching, ball-hitting, hopping, and squatting. The results of this investigation demonstrate that using muscle-like actuators improves the data-efficiency of the learning tasks. Additionally, including the muscle dynamics improves the robustness towards hyperparameters and allows for a better generalization towards unknown and unlearned perturbations. In summary, this thesis enhances existing methods to control and learn muscle-actuated motion, quantifies the control effort needed to perform certain movements and demonstrates that the inherent stability of the muscle dynamics facilitates the learning task. The models, control strategies, and experimental data presented in this work aid researchers in science and industry to improve their predictions in various fields such as neuroscience, ergonomics, rehabilitation, passive safety systems, and robotics. This allows us to reverse-engineer how we as humans control movement, uncovering the complex relationship between musculoskeletal dynamics and neural controller.Item Open Access Einfluss des Kaltumformens und Schweißens auf die Materialzähigkeit von Baustahl(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2019) Kudla, Konrad; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)Blechen oder Flachstählen Profile jeglicher Art durch Kaltumformen hergestellt werden. Das Kaltumformen kann z.B. an Blechen durch Schwenk- oder Gesenkbiegen ausgeführt werden. In der Serienfertigung werden z.B. Trapezbleche oder auch Stangenprofile durch Kaltwalzen profiliert. Das Kaltumformen hat neben der industriellen Serienfertigung auch in der handwerklichen Einzelteilfertigung einen hohen Stellenwert, um Blechteile zu formen. Durch das Kaltumformen wird der Stahl im Bereich des Biegeradius auf der Außenseite gestreckt und auf der Innenseite gestaucht. Durch die plastischen Dehnungen und das damit verbundene zeitgleiche Fließen des Werkstoffes im Bereich des Biegeradius entstehen Gefügeveränderungen im Stahl. Eine der häufigsten Fügemethoden im Stahlbau ist das Lichtbogenschweißen. Beim Schweißen werden die zu verbindenden Bauteile im Bereich der Fügestelle örtlich aufgeschmolzen. Durch einen ebenfalls aufgeschmolzenen Schweißzusatzwerkstoff wird der Bereich zwischen den Bauteilen aufgefüllt. Nach dem Abkühlen der örtlichen Schmelze (Schweißnaht) sind die Bauteile starr miteinander verbunden. Durch das örtliche Aufschmelzen des Stahls und das Anschmelzen der Randbereiche in der Wärmeeinflusszone (WEZ) wird der Stahl im Bereich der Schweißnaht und den angrenzenden Bereichen mit unterschiedlichen Aufheiz-, Halte- und Abkühlzyklen thermisch beansprucht. Die beiden Verfahren, Kaltumformen und Schweißen, treffen aufeinander, wenn kaltumgeformte Bauteile im Bereich der Kaltumformung zusammengefügt werden. Da sich in diesem Bereich aus beiden Verfahren Einflüsse auf das Gefüge des Stahls überlagern, ist davon auszugehen, dass in diesem Bereich die Materialzähigkeit abnimmt. Eine verminderte Materialzähigkeit und die Kerbe aus einer Schweißnaht sind zwei Komponenten, die einen Sprödbruch hervorrufen können. Um das Sprödbruchproblem und das damit einhergehende schlagartige Versagen im Stahlbau zu vermeiden, gibt es neben den Regelungen für die Materialwahl auch für das Schweißen im kaltumgeformten Bereich besondere Vorgaben. In der aktuellen europäischen Norm für die Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten DIN EN 1993-1-8 [13] ist das Schweißen im kaltumgeformten Bereich geregelt. Durch diese Regelung wird das Schweißen im kaltumgeformten Bereich pauschal für alle im Stahlbau verfügbaren Stähle gleich geregelt. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit wird der Stand der Wissenschaft und Technik in Bezug auf die Zähigkeit von Stahl und die Einflüsse auf die Zähigkeit durch Kaltumformen und Schweißen erarbeitet. Im Weiteren werden die aktuellen Regelungen und deren Hintergründe zur Vermeidung der Sprödbruchproblematik im Stahlbau erläutert. Abschließend wird der aktuelle Stand der Technik beim Schweißen im kaltumgeformten Bereich dargestellt. Um weitere Erkenntnisse an unlegierten Baustählen zu gewinnen, wurde ein Versuchskonzept erarbeitet, das die Einflüsse auf die Werkstoffzähigkeit aus der durch Kaltumformen und Schweißen hervorgerufenen Wechselwirkung untersucht. Das Versuchskonzept sieht im ersten Schritt vor, dass die Materialzähigkeit an Kerbschlagbiegeproben untersucht wird, an denen die Einflüsse aus Kaltumformen und Schweißen simuliert wurden. Im zweiten Schritt wurden Bauteilversuche geplant, durch die das reale Materialverhalten bei tiefen Temperaturen abgebildet wird. Für beide Versuchsserien wurden Bleche aus S355J2 ausgewählt. Es wurden Bleche t = 8 mm und t = 16 mm untersucht. Bei der Auswahl der Bleche wurde je Materialstärke eine Blechtafel mit einer hohen Kerbschlagarbeit und eine Tafel mit einer niedrigen Kerbschlagarbeit gewählt. Während und nach der Herstellung der Versuchskörper wurden die fertigungsbedingten Materialveränderungen ermittelt. Während des Schweißens wurden durch Thermoelemente, die neben der Schweißnaht appliziert waren, Temperatur-Zeit-Verläufe ermittelt. Die plastischen Dehnungen an der Außenseite der Versuchskörper wurden nach dem Kaltumformen an einem signierten Raster ermittelt. Zur Charakterisierung der in den Versuchen eingesetzten Stählen wurden umfangreiche Versuche gefahren, um die mechanischen und metallurgischen Eigenschaften zu ermitteln. Die Untersuchungen wurden am Grundmaterial, am kaltumgeformten und geschweißten Blech durchgeführt. Zur Ermittlung der Werkstoffzähigkeit wurden Kerbschlagbiegeversuche an Proben durchgeführt, an denen die Fertigungseinflüsse simuliert wurden. Das Kaltumformen wurde durch Kaltrecken und der Einfluss der Schweißwärme durch Nachfahren eines Wärmezyklus auf einer Gleebelanlage simuliert. Durch diese Verfahren lagen in den Versuchskörpern homogene Dehnungen und homogenes Gefüge vor. Die Kerbschlagbiegeproben wurden aus Proben mit 5,10,15 und ca. 20 % Dehnung entnommen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch das Kaltumformen die Übergangstemperatur verschiebt. Die Verschiebung der Übergangstemperatur durch die Schweißwärme war hingegen sehr gering. In diesem Abschnitt werden auch umfangreiche Ergebnisse aus der Literatur dargestellt. Es wurden Ergebnisse aus Untersuchungen an Feinkornbaustählen und thermomechanisch gewalzten Baustählen aufbereitet und bewertet. Die Betrachtung der Ergebnisse zeigt, dass eine Verallgemeinerung der Verschiebung der Übergangstemperatur die positiven Einflüsse bei hochwertigen Baustählen vernachlässigt und dass bei unlegierten Baustählen die Verschiebung nur unzureichend durch die Ermittlung eines Wertes aus der 𝐾𝐾𝑉𝑉−𝑇𝑇 Kurve bewertet werden kann. Um das reale Verhalten von kaltumgeformten und geschweißten Bauteilen abzubilden, wurden eigene Bauteilversuche bei tiefer Temperatur an Versuchskörpern durchgeführt, bei denen durch Biegeumformen typische Dehnungsgradienten eingeprägt wurden. An den Prüfkörpern wurde im kaltumgeformten Bereich eine 2/3 X-Naht als Vollstoß ausgeführt. Nach dem Schweißen wurde in die Prüfkörper am Nahtübergang eine künstliche Kerbe eingeschliffen. Die Prüfkörper wurden so lange einer Ermüdungsbelastung ausgesetzt, bis am Kerbgrund ein scharfer Ermüdungsanriss eintrat. Im nächsten Schritt wurden die Versuchskörper heruntergekühlt und bei -30 °C mit einer quasi statischen Last bis zum Prüfkörperbruch belastet. Die Ergebnisse bestätigen die Ergebnisse aus den Kerbschlagbiegeversuchen und zeigen, dass bei Zunahme der plastischen Dehnungen durch einen kleineren Biegeradius die Sprödbruchgefahr steigt und die Materialzähigkeit abnimmt. Die Auswertung erfolgte über die Bruchflächen und die Bruchdehnung. Die Bauteilversuche bestätigen die Beobachtungen aus den Kerbschlagbiegeversuchen. Es zeigt sich, dass eine Abhängigkeit vom r/t-Verhältnis vorliegt und dass die durch das Kaltumformen beeinflusste Materialzähigkeit einen entscheidenden Einfluss auf das Bauteilverhalten hat. Im letzten Abschnitt wird die Entwicklung einer Werkstoffprüfung zur Charakterisierung der Werkstoffzähigkeit im kaltumgeformten und geschweißten Bereich dargestellt. Durch diese standardisierte Werkstoffprüfung wird es möglich, die Zähigkeitseigenschaften von Stahl durch einen Satz Kerbschlagbiegeversuche zu ermitteln, bei dem die negativen Einflüsse aus Kaltumformen und Schweißen mit abgebildet werden. Des Weiteren wird ein Vorschlag erarbeitet, wie dieser Versuch in die aktuellen Regelwerke integriert werden könnte. Somit besteht die Möglichkeit, auch beim Schweißen im kaltumgeformten Bereich eine Materialsortenwahl nach DIN EN 1993-1-10 durchzuführen, bei der die positiven Eigenschaften von hochwertigen Stählen berücksichtigt werden können. Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung, in der die Ergebnisse der einzelnen Abschnitte zusammengeführt und bewertet werden. Anschließend wird die Übertragbarkeit in die Praxis erläutert und der weitere Forschungsbedarf aufgezeigt.Item Open Access Coupled free-flow-porous media flow processes including drop formation(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2023) Veyskarami, Maziar; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing.)Behavior of a coupled free-flow-porous medium system is determined by the interface between the two domains. Formation of droplets at the interface governs transport processes in the whole system by enormously affecting the exchange of mass, momentum, and energy between the free flow and the porous medium. A droplet that forms at the interface might grow or shrink due to the flow from the porous medium and evaporation from its surface into the free flow. It also might be detached from the interface by the free flow. An example of such phenomena in nature is formation of sweat droplets on the skin by perspiration and the resulted cooling effect through their evaporation into the surrounding air. Water management in fuel cells, cooling systems, and inkjet printing are just a few technical applications in which droplet formation at the interface between a free flow and a porous medium appears. In this work, we developed a novel model to describe the formation, growth and detachment as well as evaporation of droplets at the interface between a coupled free-flow-porous medium system. Pore-network modeling is used as a tool to capture pore-scale phenomena occurring in porous media. New coupling concepts between the free flow and the porous medium are developed, which include storing mass, momentum and energy in the droplet. The formation and growth of a droplet is described and a new approach is developed to include the impact of the growing droplet on the free-flow field. Description of the forces acting in the system is given and accordingly the droplet detachment is predicted. A clear description of the droplet evaporation is provided and the impact of free-flow and porous medium properties on the droplet evaporation have been analyzed.Item Open Access Improving thermochemical energy storage dynamics forecast with physics-inspired neural network architecture(2020) Praditia, Timothy; Walser, Thilo; Oladyshkin, Sergey; Nowak, WolfgangThermochemical Energy Storage (TCES), specifically the calcium oxide (CaO)/calcium hydroxide (Ca(OH)2) system is a promising energy storage technology with relatively high energy density and low cost. However, the existing models available to predict the system's internal states are computationally expensive. An accurate and real-time capable model is therefore still required to improve its operational control. In this work, we implement a Physics-Informed Neural Network (PINN) to predict the dynamics of the TCES internal state. Our proposed framework addresses three physical aspects to build the PINN: (1) we choose a Nonlinear Autoregressive Network with Exogeneous Inputs (NARX) with deeper recurrence to address the nonlinear latency; (2) we train the network in closed-loop to capture the long-term dynamics; and (3) we incorporate physical regularisation during its training, calculated based on discretized mole and energy balance equations. To train the network, we perform numerical simulations on an ensemble of system parameters to obtain synthetic data. Even though the suggested approach provides results with the error of 3.96 x 10^(-4) which is in the same range as the result without physical regularisation, it is superior compared to conventional Artificial Neural Network (ANN) strategies because it ensures physical plausibility of the predictions, even in a highly dynamic and nonlinear problem. Consequently, the suggested PINN can be further developed for more complicated analysis of the TCES system.