Universität Stuttgart
Permanent URI for this communityhttps://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/1
Browse
207 results
Search Results
Item Open Access High-resolution spatio-temporal measurements of the colmation phenomenon under laboratory conditions(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Mayar, Mohammad Assem; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)The fine sediment infiltration and accumulation into the gravel bed of rivers, the so-called colmation phenomenon, is a pernicious process exacerbated by anthropogenic activities. Owing to the importance and complexity of this phenomenon, it has been widely studied over the last decades. Various devices and methods have been developed to assess this phenomenon, where most of them are destructive and sample-based, resulting in an alteration of the natural conditions. Therefore, non-intrusive techniques, which provide spatial and temporal details with a high-resolution, are required to discretize the mechanisms involved in the colmation process. To address these issues, investigations under laboratory conditions may simplify the complexity of nature and enable individual and exactly defined boundary conditions to be investigated. Therefore, this thesis aims at (i) developing a non-intrusive and undisturbed measurement method for the high-resolution spatio-temporal measurements of the sediment infiltration processes and the development of sediment accumulation in an artificial river bed under laboratory conditions, (ii) applying this method to certain experiments for the assessment of the effects of different boundary conditions on sediment infiltration, and (iii) investigating the colmation phenomenon (also known as clogging) of gravel beds. For this purpose, the gamma-ray attenuation method is used together with an artificial gravel bed arranged from the spheres with various diameters and placed in a laboratory flume. This new method works based on the gamma radiation that passes through the infiltrated sediments, water, and bed spheres, in which the gamma-ray attenuation is linked to the variations of the infiltrated sediments’ quantity. The main simplification of this approach is that gravel beds are represented by the combinations of different-sized spheres. This gives the opportunity to fully distinguish infiltrating sediments from the bed material, reduce the complexity of the natural environment, and allows for repetitive measurements of the same position with different boundary conditions. From the results of this study, first, the gamma-ray attenuation measurement method was optimized to resolve the inconsistencies in the measurements. Subsequently, the concept of the non-intrusive and undisturbed measurement is proved through box experiments. Additional reproducibility experiments in the laboratory flume, for a similar bed structure, showed only small deviations between two experiments with the same setup. Consequently, the established technique was used in a series of experiments to evaluate the effects of different supply rates, total supply masses, and sediment particle size boundary conditions on the sediment infiltration and colmation processes. Vertical profiles of the infiltrated sediment were quantified through high spatial resolution measurements. Furthermore, to evaluate the infiltrating sediment accumulation development, and the temporal variations of the infiltrated sediments, the vertical profile measurements were first repeated after a specific time-period to track interval-averaged variations in all positions of the vertical axis. Next, a specific position of the vertical axis was measured continuously during the entire experiment in a high temporal resolution. The measured vertical profiles illustrate the vertical distribution, colmation, and unimpeded percolation of the infiltrated sediments. The dynamic one-point measurement precisely identifies the three phases (the start of the pore-filling, the required time to fill the pore, and the final amount of infiltrated sediments including natural fluctuation during the ongoing experiments) of the sediment infiltration or the possible clogging. As a limitation, the gamma-ray attenuation system’s current configuration only works in artificial gravel beds because of the given density difference between infiltrated sediments and the artificial bed structure. Intense radiations that pass through the natural bed's thickness are capable of detecting a significant amount of infiltrated sediments. However, small amounts of infiltrated sediments will create only a minimal shift in attenuation, which might be confused with the statistical error. In addition, the legal restriction against using radioactive material in the natural environment is another reason for not applying it in the field. Furthermore, the gamma-ray attenuation method cannot resolve the sediment distribution in the measurement horizon and provides an integrative result for each measurement position. In addition, if a mixture of silt, clay, and sand is supplied to the experiment, the gamma-ray attenuation system will produce a bulk result of all the infiltrated materials. To conclude, despite the limitations mentioned above, the gamma-ray attenuation method offers a unique opportunity for the non-intrusive and undisturbed measurements of the sediment infiltration or the special case of colmation, with a high spatio-temporal resolution. This method has the potential to quantify the investigated processes on a millimetric spatial scale, if the measurement time is not a constraint, or vice versa, in a high temporal resolution (seconds) for a specific position, if spatial scale is not important. Moreover, the gamma-ray attenuation approach can simultaneously measure the longitudinal distribution of the sedimentological processes, if multiple instruments or a single device with several radiation-emitting-holes is in operation. Last, but not least, rather than the spheres, artificial gravel beds could be made of any substance with a composition significantly different from the infiltrating sediments, and the boundary conditions of the experiments can be improved in order to attain conditions close to nature. Finally, the gamma-ray attenuation method can be integrated with advanced flow measurement instruments such as Particle Image Velocimetry (PIV) and other high-resolution endoscopic devices to track the behavior of fine sediment infiltration and its clogging process in the porous gravel beds as it occurs in nature.Item Open Access Numerical and experimental study of concrete structures exposed to impact and fire(2018) Ruta, Daniela; Ožbolt, Joško (Prof. Dr.-Ing. habil.)During their service life concrete and reinforced concrete structures may be exposed to extreme loading conditions such as fire, explosions, impact, earthquakes and terroristic attacks. In particular situations, as in case of chemical industries where the probabilities of explosions are relatively high, combination of extreme loadings represents a major risk. To assure safety conditions in terms of cost and lives losses for the involved structure as well as for the surrounding buildings, it is important to take into account the effect of multi-hazard phenomena. The aim of this work is to study the dynamic concrete behaviour after thermal exposure analyzing the change of the material state and structural response, by means of experimental tests and numerical analysis. In the literature, few studies can be found on the behaviour of concrete and RC structures subjected to coupled thermal and dynamic loads. The results of the study are also useful to extend the experimental and numerical database available in the literature. Experimental and numerical investigations on fire exposed plain concrete (compact tension specimen) and full scale reinforced concrete structures (slabs and frames) under high loading rates are presented and discussed.Item Open Access Phase-field modeling of microstructure and fracture evolution in magneto-electro-mechanics(Stuttgart : Institute of Applied Mechanics, 2020) Sridhar, Ashish; Keip, Marc-André (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Techno-ökonomische Auslegung von Stromspeichern für Fabriken(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Zimmermann, Fabian; Sauer, Alexander (Prof. Dr.-Ing.)Für Industrieunternehmen gewinnt der Einsatz von Stromspeichern zunehmend an Bedeutung, da die Kosten für eine sichere und qualitativ hochwertige Energieversorgung kontinuierlich steigen. Insbesondere durch die volatile Erzeugung erneuerbarer Energien und daraus resultierenden schwankenden Strompreisen ergibt sich ein wirtschaftliches Potenzial für die Integration von Stromspeichern. Die vorliegende Arbeit beantwortet aus diesem Grund die Frage, wie Stromspeicher für Fabriken techno-ökonomisch ausgelegt werden können. Ziel ist es, einen Stromspeicher sowohl für die Einsatzoption Netzentgeltreduktion durch Spitzenlastreduktion und atypische Netznutzung als auch für multifunktionale Einsatzoptionen auszulegen und über die Lebensdauer ökonomisch zu bewerten. Durch die multifunktionalen Einsatzoptionen werden mehrere Einsatzoptionen mit einem Stromspeicher bedient, um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. In dieser Arbeit werden die Einsatzoptionen Netzentgeltreduktion, Eigenverbrauchsoptimierung und Arbitrage-Handel in unterschiedlichen Möglichkeiten kombiniert. Hierzu werden die Stromspeichertechnologien Blei-Batterie, Natrium-Batterie, Lithium-Batterie und Redox-Flow-Batterie untersucht. Der Fokus der Arbeit liegt auf dem elektrischen Energieversorgungssystem der Fabrik inklusive erneuerbarer Energien. Die Ergebnisse zeigen jeweils eine Konfiguration für die Blei-Batterie, die Natrium-Batterie, die Lithium-Batterie und die Redox-Flow-Batterie sowie einen Fahrplan des jeweiligen Stromspeichers. Im Rahmen von zwei untersuchten Fallbeispielen aus der Praxis konnte für beide jeweils ein wirtschaftlicher Stromspeicher ausgelegt werden. Es zeigte sich, dass die Investition in einen Stromspeicher zur Netzentgeltreduktion für Unternehmen wirtschaftlich sein und die Energiekosten langfristig und dauerhaft reduziert werden können.Item Open Access Last-Verformungsverhalten von Mauerwerk im ebenen Spannungszustand(2019) Weber, Marius; Hofmann, Jan (Prof. Dr.)Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit besteht darin, ein Materialmodell für quasi-statisch monoton beanspruchte Mauerwerksscheiben im ebenen Spannungszustand zu entwickeln und in die nichtlineare Finite-Elemente- (NLFE-) Methode zu implementieren. Der erste Teil der Arbeit umfasst eine Darstellung des Kenntnisstands von eben beanspruchten Mauerwerksscheiben. Es wird das grundlegende Tragverhalten dargestellt, die experimentellen Untersuchungsmethoden aufgezeigt und die numerische Modellbildung erörtert. Bestehende NLFE-Modelle aus der Literatur werden vorgestellt und kritisch hinterfragt. Es wird die in dieser Arbeit verwendete numerische Simulationsstrategie beschrieben und auf die zentralen Aspekte der mechanischen Formulierung von allgemein beanspruchten Flächenelementen eingegangen. Im Hauptteil der Arbeit wird das entwickelte Materialmodell für Mauerwerksscheiben vorgestellt und dessen numerische Umsetzung im Rahmen der NLFE-Methode erläutert. Die Verifikation des NLFE-Modells erfolgt anhand der Nachrechnung von publizierten Bauteilversuchen. Zudem wird das entwickelte Materialmodell für Mauerwerksscheiben mit einem bestehenden Materialmodell für Stahlbetonbauteile verknüpft und in die NLFE-Methode implementiert. Das Materialmodell für die Stahlbetonbauteile wird erörtert sowie Versuche an Mischtragwerken aus Stahlbetonbauteilen und Mauerwerksscheiben nachgerechnet. Die Zusammenfassung, die Schlussfolgerungen und der Ausblick runden die Arbeit ab.Item Open Access Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten und gelöteten Lamellen, Steifen und Anbauteilen(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2022) Drebenstedt, Karl; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)Die Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Konstruktionen beeinflusst maßgeblich die Lebensdauer von zyklisch beanspruchten Stahlkonstruktionen. Durch Kerbwirkung und daraus resultierenden Spannungskonzentrationen entstehen im Bereich der Schweißnähte Ermüdungsrisse, die zum Versagen einer Konstruktion führen können und folglich in der Bemessung berücksichtigt werden müssen. Die Lebensdauer, die als Anzahl der Schwingspiele bis zum Versagen dargestellt werden kann, ist abhängig von der zyklischen Beanspruchung und der ihr gegenüberstehenden detailspezifischen Ermüdungsfestigkeit. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die empirisch gestützte Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Anbauteilen, die auf eine zyklisch beanspruchte Stahlkonstruktion aufgeschweißt oder aufgelötet werden, selbst aber keiner direkten Ermüdungsbeanspruchung ausgesetzt sind. Trotz ihrer im Sinne der Lastabtragung häufig untergeordneten Bedeutung werden diese Schweißdetails für die Ermüdungsbemessung regelmäßig bemessungsmaßgebend und bestimmen damit auch die Dimensionierung der Haupttragstruktur. Konkret werden die Ermüdungsfestigkeiten von Lamellen, Längs- und Quersteifen, Schweißbuchsen, Kopfbolzen, Schweißtellern und von ähnlichen Details untersucht. Zu den genannten Konstruktionsdetails wurden in einer sehr umfangreichen Datenbank über 8.000 Versuchsergebnisse aus veröffentlichten Studien zur Ermüdungsfestigkeit zusammengetragen. Das Datenbanksystem gewährleistet das gezielte Bearbeiten und Abfragen unterschiedlicher Informationen zu den Ermüdungsversuchen. Dies sind neben den Versuchsergebnissen und der Anzahl der erreichten Schwingspiele unter einer bestimmten zyklischen Beanspruchung Parameter wie technische Materialeigenschaften und geometrische Spezifikationen. Zusätzlich zu den in der Datenbank gesammelten Versuchsergebnissen wurden eigene Ermüdungsversuche an Konstruktionsdetails durchgeführt. Konkret untersucht wurde unter anderem die traditionelle deutsche Variante des Konstruktionsdetails Gurtlamellenende. Die vorzugsweise im Brückenbau verbreitete Form des Gurtlamellenendes mit verstärkter Stirnnaht und kerbfrei bearbeiteten Nahtübergängen zeigt deutlich höhere Ermüdungsfestigkeiten als die einfache Variante mit umlaufender Kehlnaht im Schweißzustand. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen liegt auf der Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Anbauteilen, die mit dem Kupferlot CuAl7 in einem Lichtbogenlötverfahren auf zyklisch beanspruchte Stahlkonstruktionen aufgelötet werden. In vielen Ermüdungsversuchen wurden das Verhalten und die Ermüdungsfestigkeit dieses alternativen Verfahrens zum Schweißen untersucht. Es kann gezeigt werden, dass die Ermüdungsfestigkeit von lichtbogengelöteten Anbauteilen eine deutlich höhere Ermüdungsfestigkeit bei vergleichbarer Versagenscharakteristik und vergleichbarer statischer Beanspruchbarkeit aufweist. Sowohl die in der Datenbank dokumentierten Versuche als auch die durchgeführten eigenen experimentellen Untersuchungen weisen infolge von unterschiedlichen Einflüssen auf die Ermüdungsversuche eine erhebliche Streuung auf. Für die Bewertung von Einflüssen auf die Lebensdauer und für die Ermittlung einer charakteristischen Ermüdungsfestigkeit, die einen statistisch abgesicherten Bemessungswert darstellt, muss diese Streuung berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Verfahren zur statistischen Bewertung und Auswertung von Ermüdungsversuchen vorgestellt, die auf gemeinsamen statistischen Ansätzen beruhen und konform zu normativen Regelungen und Anforderungen im Bauwesen sind. Es kann gezeigt werden, dass die vorgestellte statistische Auswertemethode geeignet ist, zuverlässig statistisch abgesicherte Ermüdungsfestigkeiten für einzelne Serien oder für Metaanalysen mit mehreren 1.000 Versuchsergebnissen abzuleiten. Die eigenen experimentellen Untersuchungen und die Vielzahl der in der Datenbank aufgearbeiteten Versuchsergebnisse ermöglichen in Kombination mit der einheitlichen statistischen Auswertemethode Metastudien. Unterschiede können sich sowohl auf technische Aspekte beziehen wie Fertigungseinflüsse, Schweißtechnik, mechanische Materialeigenschaften und Versuchsumsetzung, als auch auf Randbedingungen wie beispielsweise die verwendete Prüf- und Messtechnik. Die Bewertung von Ermüdungsfestigkeiten für bestimmte Konstruktionsdetails auf Grundlage der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Versuchsdaten ermöglicht damit die Berücksichtigung eines Spektrums von potenziellen Einflussfaktoren auf die charakteristische Ermüdungsfestigkeit. Die in den Versuchen ermittelten Ermüdungsfestigkeiten werden verglichen mit Ergebnissen aus numerischen Untersuchungen mit dem Kerbspannungsmodell. Dafür wurden einige Konstruktionsdetails mit dem Kerbspannungsmodell dreidimensional nachgebildet und validiert. Die Modelle eignen sich für Parameterstudien zu strukturmechanischen Einflussgrößen und geben geometrische Einflüsse tendenziell gut wieder. Die Untersuchungen zeigen auch, dass geometrische Einflüsse auf die Ermüdungsfestigkeit bei Verwendung des Kerbspannungsmodells überschätzt werden können. Als ursächlich dafür werden Streuungen aus Fertigungseinflüssen vermutet, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Kerbwirkung haben können. Es wird anhand von vergleichenden Streuspannen für Konstruktionsdetails und Gruppen von Konstruktionsdetails zudem gezeigt, dass das Kerbspannungskonzept im Vergleich zum Nennspannungskonzept im Sinne der Bemessung nicht das genauere Verfahren zur Ermüdungsbemessung von Anbauteilen darstellt. Auf Grundlage der Untersuchungen und Erkenntnisse werden am Ende dieser Arbeit konkrete Bemessungsvorschläge für die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit mit dem Nennspannungskonzept für geschweißte und gelötete Anbauteile wie Lamellen, Längs- und Quersteifen, Schweißbuchsen, Kopfbolzen und Schweißteller gegeben.Item Open Access An approach for automated detection and classification of pavement cracks(2017) Al-Mistarehi, Bara'; Schwieger, Volker (Prof. Dr.-Ing. habil.)Item Open Access Bio-inspired compliant mechanisms for architectural design : transferring bending and folding principles of plant leaves to flexible kinetic structures(2015) Schleicher, Simon; Knippers, Jan (Prof. Dr.-Ing.)This thesis lies at the intersection of architectural design, engineering, and biology. Inspired by flexible and robust structures found in nature, the research explores creative ideas that challenge our present understanding of mechanical constructions and offers an alternative to the prevailing paradigm of rigid-body mechanics. By exploring how the motion principles in flexible plant movements can be understood, abstracted, and transferred into novel design and fabrication processes; this thesis proposes innovative concepts that integrate hitherto neglected structural behaviors, such as bending and buckling. These behaviors are considered potential design drivers in the development of new kinetic structures. The first section offers a comparison between Kinetic Structures in Design and Kinetic Structures in Biology. While at first glance these two areas may seem entirely unrelated, they share much in common. A particularly interesting connection is provided by compliant mechanisms where technical devices obtain their motion by the flexibility of their members and functionalize large elastic deformations. With these characteristics they are not that dissimilar to the motion principles found in plant leaves. The second section on Methodology is devoted to the transfer of knowledge between technology and biology. This section introduces the emerging science of biomimetics and generally discusses its working methods while also outlining its practical use for this research. In the third section of this thesis, a transdisciplinary framework is employed for a series of Case Studies. Here, seven exemplary plant movements are closely investigated and their underlying motion principles are recreated by means of modern computational simulation techniques. Based on these insights various bio-inspired compliant mechanisms are developed and transferred into adaptive facades shading systems. In the following section on Implementations, this technology is utilized for providing sun protection to doublecurved building facades and showcased on three conceptual projects. The thesis concludes with a reflection on the Research Contributions and Future Outlook of this work and thereby invites the next generation of researchers and designers to build up on this work, keeping these newly created bonds between the disciplines alive.Item Open Access Tragverhalten und Bemessung von verstärkten Ankerschienen unter Querbelastung am Bauteilrand(2024) Petrasch, Michael Christoph; Hofmann, Jan (Prof. Dr-Ing.)Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein Verstärkungsmodul und ein dazugehöriges Bemessungsmodell zu entwickeln. Dafür wurden unterschiedliche Verstärkungsmöglichkeiten sowohl numerisch als auch experimentell untersucht. Auf Basis dieser Untersuchungen wurde ein Konzept für die Verstärkung entwickelt und bemessen. Das Konzept sieht einen Eingriff in die Ankerschiene vor, welcher von der Betonoberkante ausgeht. Hierdurch kann das Modul einfach als nachträgliche Installation eingesetzt werden. Alternativ kann die Verstärkung auch als geplante Zulage vor der Betonage durchgeführt werden. Bei der Bemessung wurden die Versagensbelastungen in die folgenden Komponenten aufgeteilt: • Grundtragfähigkeit der Ankerschiene im unbewehrten bzw. bewehrten Beton • Tragfähigkeit nach einer Verstärkung mittels Verstärkungsmodul Die Gesamttragfähigkeit ergibt sich aus der Summe dieser Einzeltragfähigkeiten bestimmt. Der Ansatz des Bemessungsmodells der Verstärkungselemente beruht auf der Annahme eines rein mechanischen Modells eines Balkens auf zwei Stützen, der auf seine Länge hin, eingefasst von den Anbindungspunkten des Verstärkungsmoduls, gebogen wird.Item Open Access Concrete failure of headed stud fasteners exposed to fire and loaded in shear : experimental and numerical study(2019) Tian, Kaipei; Ožbolt, Joško (Prof. Dr.-Ing. habil.)