Universität Stuttgart
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Item Open Access Auswirkungen der Bewehrungskorrosion auf den Verbund zwischen Stahl und Beton(2012) Fischer, Christian; Ožbolt, Joško (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die carbonatisierungs- und chloridinduzierte Bewehrungskorrosion beeinflusst das Tragverhalten von Stahlbetonbauwerken und verkürzt infolgedessen deren Lebensdauer. Dies kann im Wesentlichen durch folgende drei Punkte geschehen: (i) durch den Verlust des Stahlquerschnittes, (ii) durch den Verlust des Betonquer-schnittes aufgrund von Rissbildung und Abplatzungen sowie (iii) durch den Verlust der Verbundwirkung zwischen Stahl und Beton. Die vorliegende Arbeit beschränkt sich auf die Untersuchungen zum Einfluss der chloridinduzierten Bewehrungskorrosion auf das Verbundverhalten zwischen Stahl und Beton. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, welche Komponenten, die den Verbund gewährleisten, in welcher Art und Weise durch die Bewehrungskorrosion beeinflusst werden? Zur Lösung dieser Fragestellung wurden in der Vergangenheit vorrangig experimentelle Untersuchungen an unterschiedlichen Probekörpergeometrien durchgeführt. Dazu zählen zentrische und exzentrische Ausziehkörper sowie Versuche an Biegebalken. Es wurden sowohl Untersuchungen mit als auch ohne Querbewehrung, die in dieser Arbeit einheitlich als Bügel bzw. Bügelbewehrung bezeichnet wird, durchgeführt. Aufgrund der langen Zeiträume sowohl für die Depassivierung der Betondeckung als auch für den Fortschritt der Bewehrungskorrosion, wurden nahezu alle bisherigen Untersuchungen diesbezüglich beschleunigt. In vorangegangenen Untersuchungen wurde jedoch festgestellt, dass der Grad der Beschleunigung einen Einfluss auf den Zeitpunkt der Erstrissbildung und auf die Verbundfestigkeitsänderung hat. Sowohl diese Tatsache, als auch die große Vielzahl an unterschiedlichen Probekörpern hat zu einer großen Streuung der Verbundfestigkeitswerte in Bezug auf die Korrosion der Bewehrung geführt. Aus diesem Grund ist es bisher schwierig, die geometrischen und korrosionsbeeinflussenden Parameter bestimmten Auswirkungen auf das Verbundverhalten zuzuordnen. Als Beitrag zur Entflechtung dieser Problematik wurden experimentelle Untersuchungen an Balkenend-Probekörpern durchgeführt, welche als Basis für die grundlegenden Mechanismen des Verbundes unter korrosivem Angriff dienen. Die Korrosion der Bewehrung wurde potentiostatisch beschleunigt, jedoch erfolgte dies im Vergleich zu den bisherigen Untersuchungen auf die schonendste Weise mit lediglich fünffach überhöhter maximal in der Natur auftretender Korrosionsrate. Zu den Untersuchungsschwerpunkten zählten die Art und die Verteilung der Korrosionsprodukte, der Zusammenhang zwischen Korrosionsabtrag und messbarer Rissbreite in der Betondeckung und die Auswirkungen der Bewehrungskorrosion auf die Stabendverschiebung und die Verbundfestigkeit. Die Untersuchungen erfolgten getrennt nach Probekörpern mit und ohne Bügelbewehrung, wobei die Probekörper mit Bügelbewehrung nochmals in zwei Gruppen unterteilt wurden. Zum einen waren die Bügel elektrisch mit den Längsstäben verbunden, sodass auch die Bügel beschleunigt korrodierten. Zum anderen wurden die Bügel elektrisch von den Längsstäben entkoppelt, wodurch lediglich die Längsstäbe beschleunigt korrodierten. Auf diese Weise konnte eine qualitative Aussage zum Einfluss geschwächter Bügel auf das Verbundverhalten getroffen werden. Anschließend wurden die ermittelten Ergebnisse im Kontext von Ergebnissen anderer Wissenschaftler diskutiert. Daraus konnten u. a. neue Erkenntnisse zur Abhängigkeit der Verbundfestigkeit von der Beschleunigung der Bewehrungskorrosion gewonnen werden. Weiterhin konnten qualitative Aussagen zum Einfluss von Geometrieparametern wie Stabdurchmesser und Betondeckung auf die Verbundfestigkeitsänderung getroffen werden. Genauere Aussagen diesbezüglich wurden mithilfe numerischer Untersuchungen an FE-Modellen ermöglicht. Im Rahmen der numerischen Untersuchungen, die weitere, vor allem geometrische Parametervariationen abgedeckt haben, wurde der Einfluss von unterschiedlichen Stabdurchmessern mit jeweils verschiedenen Betondeckungen auf die Verbundfestigkeit zu unterschiedlichen Korrosionsstadien untersucht. Außerdem konnte mittels der numerischen Untersuchungen eine quantitative Aussage zur Auslastung der Bügelbewehrung getroffen werden. Mit Hilfe der so gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Modell erstellt, mit dessen Hilfe eine Abschätzung der Restverbundtragfähigkeit möglich ist. Das Modell setzt sich aus der Berechnung der sog. Referenzverbundfestigkeit ohne Korrosionseinwirkung, einer Beschreibung der Abnahme der Umschließungswirkung des Betons und der Wirkung einer ggf. vorhandenen Bügelbewehrung zusammen, welche ebenfalls durch die Korrosionswirkung geschwächt wird. Dieses Modell grenzt sich einerseits gegen rein empirische Modelle ab, die aus der Regression von Versuchsdaten entstanden sind. Gegenüber den sehr komplexen analytischen Modellen besticht das vorgestellte Modell durch seine Simplizität und anwenderfreundliche Form.Item Open Access Potentiale des Finite-Elemente-Programms Ansys bei der Simulation von flexiblen Mehrkörpersystemen(2008) Fischer, ChristianEs werden die Möglichkeiten zur Simulation von Mehrkörpersystemen in Ansys untersucht und mit Simpack verglichen. Es zeigt sich dass Ansys nur bedingt dafür geeignet ist und vor allem sehr hohe Rechenzeiten erfordert.Item Open Access Miniaturisiertes Schaltventil mit Medientrennung : Abschlussbericht ; FV-Nr.: 341 ZN(2012) Fritz, Karl-Peter; Eiber, Albrecht; Fischer, Christian; Steffens, Tobias; Bülau, AndréIm IGF-Vorhaben 341 ZN "Miniaturisiertes Schaltventil mit Medientrennung" wurde von HSG-IMAT und dem ITM der Universität Stuttgart ein neuartiges Konzept für ein Schaltventil eingehend untersucht, bei dem die zum Umschalten der Ventilkugel benötigte Energie mit einem Stoßantrieb aufgebracht wird. Durch die Abbildung des Stoßantriebs des Ventils mittels Simulation einerseits und durch die Durchführung zahlreicher Experimente an Testaufbauten und Demonstratoren andererseits wurde ein sehr gutes Verständnis für den Ventilaufbau und die Einflussgrößen auf das Schaltverhalten des Ventils gewonnen.Item Open Access The application of throughflow optimisation to the design of radial and mixed flow turbines(2010) Cox, Graham D.; Fischer, Christian; Casey, Michael V.Radial and mixed flow turbines are important components of turbochargers in automotive engines. Their aerodynamic design is generally compromised by severe mechanical constraints, to deal with high temperature and unsteady operation, but also by the requirement of low inertia for rapid turbocharger response from low engine speed. Conventionally, the designer deals with these constraints in the preliminary design, using a high degree of empiricism, followed by extensive CFD analysis and geometry optimisation. This paper describes a new approach to the preliminary design using a quasi-3D throughflow method coupled to an optimiser, which allows a more rapid consideration of the design issues before moving on to 3D CFD analysis. The throughflow-based optimisation system was able to increase efficiency by over 3% at the same inertia or to reduce inertia by 20-30% at the same efficiency, compared to a baseline design.Item Open Access Investigation and design of an impact actuated micro shift valve(2013) Fischer, Christian; Fritz, Karl-Peter; Eberhard, Peter; Kück, HeinzNew concepts for an impact actuated micro shift valve are presented which are useful e.g. as im plant for the hydrocephalus disease. Such an implant must fulfil requirements, such as using biocompatible materials, a separation of the actuator from the fluid, MRT safety and low energy consumption in order to allow a battery powered system. The concepts are based on impacts that transmit an impulse into the interior of the valve through the casing, switching the valve. In order to predict the energy transmitted into the valve, an elastic multibody model is created, verified with full finite element simulations and experiments on scaled-up models. Using this model, the most important effects and parameters are discussed. Also, fluid effects are included into the elastic multibody model for a qualitative assessment of its influence on the efficiency. The simulations are compared to experiments performed with a scaled model for two different cases. Two designs of a shift valve based on impact actuation are built as prototypes and tested.Item Open Access Simulation of a micro shift valve with impact actuation(2011) Eberhard, Peter; Fischer, ChristianA new concept of an impact actuated micro shift valve is presented. The impacts are transmitted to the interior of the valve through the casing. In order to predict the energy transmitted into the valve, the most important effects are discussed and two elastic multibody models using the Hertzian contact law are introduced and compared to a full finite element simulation. A simpler model with one degree of freedom for an elastic plate as transmission element proves to be too crude. But a more sophisticated model with axisymmetric finite elements for the plate shows good agreement. The simulations are compared to experiments performed with a scaled model for two different cases. The experiments show that so far neglected effects like plastic deformation occur and must be considered in the simulation if accurate predictions are required.Item Open Access Modellierung, Simulation und experimentelle Untersuchung miniaturisierter Schaltventile mit Stoßantrieb(2015) Fischer, Christian; Eberhard, Peter (Prof. Dr.-Ing.)In dieser Arbeit wird eine systematische Methodik zur grundlegenden Untersuchung von Stößen mit und ohne Fluid und zur Simulation stoßbetriebener Schaltventile vorgestellt. Der Kerngedanke eines stoßbetriebenen Schaltventils besteht darin, mit einem Aktor eine hohe Kraft in kurzer Zeit zu erzeugen, die eine dünne Gehäusewand bzw. eine fest eingespannte Platte verformt und eine Kugel im Ventil bzw. auf der anderen Plattenseite durch einen Stoß beschleunigt. Diese Kugel wechselt dann im Ventil ihre Position. Dabei ist der Wirkungsgrad der Energieübertragung, welcher die kinetische Energie der inneren Kugel nach dem Stoß bestimmt, besonders wichtig, um robustes Umschalten zu ermöglichen. Es wird in einem mehrstufigen Prozess die Simulation des Stoßvorgangs ermöglicht. Zunächst wird anhand eines vereinfachten, vergrößerten Modells durch Experimente der Wirkungsgrad der Stoßübertragung unterschiedlicher Materialkombinationen und Geometrien bestimmt. Mit diesen Ergebnissen werden nichtlineare Finite-Elemente-Modelle desselben Modells unter Verwendung nichtlinearer Materialmodelle verglichen und validiert. In einem dritten Schritt wird ein elastisches Mehrkörpermodell erstellt und mit Hilfe der Simulationsergebnisse der Finite-Elemente-Simulation validiert. Dieses Modell dient dann der Simulation der Stoßvorgänge und auf Grund der extrem geringen Rechenzeiten der Durchführung von Parameterstudien und der Optimierung des Wirkungsgrades. Dadurch können viele Erkenntnisse gewonnen werden, die der Entwicklung neuer Ventilvarianten dienen. Beispielsweise wird sich herausstellen, dass die Periodendauer der ersten Eigenfrequenz der Platte mindestens halb so groß wie die Stoßdauer sein sollte, dass die Elastizitätsmodule der Kugeln möglichst hoch sein sollten und der E-Modul der Platte möglichst gering. Außerdem sollte die Platte möglichst dünn und die Oberfläche der Stoßkörper möglichst wenig gekrümmt sein. Für die Untersuchung des Fluideinflusses auf den Stoß wurde das Finite-Elemente-Modell der Platte im elastischen Mehrkörpermodell durch ein Modell ersetzt, welches die Wechselwirkung der Platte mit einem umgebenden Fluid beschreibt. Damit können dann die Experimente, die mit Fluid durchgeführt wurden, verglichen werden. Dabei ist die Auswertung der Ergebnisse mit Fluid nicht direkt möglich, denn es müssen einige Effekte kompensiert werden, die der Brechungsindex des Fluids direkt auf die Messung hat. Es zeigt sich dann aber, dass die Ergebnisse gut überein stimmen. Des Weiteren zeigt sich, dass der Stoß nicht von der Viskosität des Fluids, sondern lediglich von dessen Dichte abhängt. Der Einfluss der Viskosität spielt jedoch eine Rolle, wenn zu Beginn des Stoßes ein kleiner Spalt zwischen der Platte und der Kugel ist und unmittelbar nach dem Stoß, wenn sich die Kugel von der Platte entfernt und Fluid nachströmen muss. Dazu wurde ein Simulationsmodell zur Berechnung des Squeeze-Film-Effekts entwickelt und in das elastische Mehrkörpermodell integriert. Für die Bewegung der Kugel während des Umschaltvorgangs im Ventil wurden CFD-Simulationen mit der ALE-Erweiterung zur Beschreibung der Netzverformungen unter mehreren Methoden als beste befunden und verwendet. Damit stellt man fest, dass der Einfluss von Wasser auf die Kugelbewegung recht gering ist und das Umschalten kaum behindert. Öl hingegen bremst die Kugel stark ab, so dass robustes Umschalten nicht mehr sichergestellt werden kann. Durch Messungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera kann außerdem das Verhalten eines Prototypen beobachtet und es können Vermutungen aus der Simulation bestätigt werden. Darauf aufbauend wurde ein verbessertes Konzept dieses Prototyps vorgeschlagen.Item Open Access Experimental investigations on impact transmission through a plate(2013) Fischer, Christian; Eberhard, PeterThe concept of an impact actuated shift valve is presented. This valve concept can be actuated by different kinds of actuators, such as piezo stack actuators. A simplified model for the investigation of the impact process is created. The model consists of a plate, two spheres and a fluid-filled tank. Experiments are presented with and without fluids and different plates. The results are compared to simulations.Item Open Access Experimentelle Untersuchungen zur Schaufeldämpfung an einem Axialgebläse(2009) Fischer, ChristianBei der Auslegung von Strömungsmaschinen spielt nicht nur das Strömungsfeld eine zentrale Rolle, sondern auch die mechanische Belastung insbesondere der Schaufeln. Dazu soll prinzipiell soll das Vorgehen zur Bestimmung der Dämpfung erarbeitet und an einem Axialgebläse am ITSM (Institut für Strömungsmaschinen und Maschinenlaboratorium) angewendet werden. Dazu musste zunächst der Prüfstand umgebaut werden, so dass Signale vom stehenden ins rotierende System übertragen werden können. Außerdem mussten die Messaufnehmer, Verstärkerschaltungen und der verwendete Piezo-Aktor angebracht werden. Zur Auswertung wurden kleine Skripte geschrieben, um aus den Messdaten die Dämpfung zu ermitteln. Für die Bestimmung der Dämpfungsparameter wurden drei Methoden verwendet. Die einfache und häufig verwendete Wurzel-2-Methode, eine Methode basierend auf der Short Time Fourier Transformation und eine Methode welche durch nichtlineare Regression die Dämpfungsparameter bestimmt. Durch Messungen im Betrieb bei unterschiedlichen Drehzahlen konnte gezeigt werden, dass bei der ersten Eigenform die Dämpfung mit der Drehzahl ansteigt. Bei den anderen betrachteten Frequenzen ist ein ähnliches Verhalten anzunehmen, der Einfluss ist jedoch sehr gering.