Universität Stuttgart
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Item Open Access Modeling the long-term behavior of structural timber for typical serviceclass-II-conditions in South-West Germany(2010) Schänzlin, Jörg; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)Creep deformation influences the serviceability limit state as well as the ultimate limit state of timber structures. In order to consider this time-dependent behavior, creep coefficients and rheological models have been developed by various researchers. Comparing the rheological models, quite different temporal deformations are evaluated for a duration of load of 50 ears. In order to find the model, which is most suitable to the situation in the region of Tübingen, South-West Germany, the existing deformations of several beams in roof structures in opened, protected but not heated buildings are measured. By loading the structure the elastic global stiffness of the particular element is determined. So creep coefficients can be evaluated, which should have been used by the engineer in order to get the existing deflection fter 50 years. Within the region of Tübingen, on average a creep coefficient of 2.23 was found based on these measurements. However, the standard deviation of 0.97 is quite large. For the numerical evaluation of the time-dependent behavior Toratti’s model is modified, so that it matches the measured deformations. This modified model is verified by an additional set of measurements in the region of Breisgau-Hochschwarzwald, where the influence of the snow on the creep coefficient has to be taken into account. However, the application of the modified model takes too much time due to the numerical solutions of the single time steps. By means of a case study, functions are fitted to the results of the models in order to develop “simple” functions for the determination of the creep coefficient with respect to the main influences. The creep deformation influences the ultimate limit state especially in composite structures or elements subjected to compression. For this reason, the influence of the increased creep strain is approximated for columns, in order to reach the same safety level as proposed in the current regulations in DIN 1052. Additionally, the design procedure for timber-concrete-composite structures is modified in order to consider the increased creep coefficients.Item Open Access Weak or strong : on coupled problems in continuum mechanics(2010) Markert, Bernd; Ehlers, Wolfgang (Prof. Dr.-Ing.)The present work aims at giving a concise introduction to the vast field of coupled problems, particularly to those of importance in engineering and physics. Therefore, the common terminology and an appropriate classification of coupled equation systems is presented accompanied by some mathematical and computational issues. Attention is focused on volumetrically coupled multi-field formulations arising from the continuum mechanical treatment of multi-physics problems, but also geometrically coupled problems are addressed. Based on actual problems in the areas of poroelastodynamics, continuum biomechanics, and fluid-saturated porous media in general both the theoretical modeling by means of coupled continuum equations as well as the efficient numerical solution in the context of the finite element method (FEM) are presented and discussed in a problem-oriented fashion.Item Open Access Kraft-Wärme-Kopplung im Wärmemarkt Deutschlands und Europas : eine Energiesystem- und Technikanalyse(2014) Blesl, Markus; Voß, Alfred (Prof. Dr.-Ing.)Im Wärmemarkt stehen seit Jahren unterschiedlichste Wärmeversorgungstechnologien auf Basis fossiler und erneuerbarer Energieträger, sowie Strom und Fernwärme untereinander als auch mit Einsparoptionen im Wettbewerb. Ein Großteil des Endenergieverbrauchs in Deutschland und der EU27 wird heute und zukünftig für die Deckung der Wärmenachfrage aufgewendet. Der Wärmemarkt steht damit im Fokus energiepolitischer und –wirtschaftlicher Fragestellungen. Ziel der Ausführungen ist es, mögliche Einflussfaktoren auf den Wärmemarkt in Deutschland und Europa zu analysieren. Die Auswirkungen hinsichtlich der Struktur der eingesetzten Energieträger und Technologien bis zum Jahr 2050 werden untersucht. Ein Schwerpunkt wird hierbei auf die Untersuchung der Rolle der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Fernwärme gelegt. Die Bewertung der KWK und Fernwärme und deren Vergleich zur getrennten Erzeugung hängen von der gewählten Versorgungsaufgabe ab. Entsprechend werden unterschiedliche Rangfolgen gekoppelter und ungekoppelter Wärmeversorgungstechnologien bei einer Analyse mit Hilfe von CO2-Vermeidungskosten, der ganzheitlichen Bilanzierung und einer para-metrisierten Versorgungsaufgabe ermittelt. Für die Beurteilung der energetischen, umweltseitigen und kostenseitigen Implikationen un-terschiedlicher Versorgungssysteme im Wärmemarkt wird eine detaillierte länderspezifische Untersuchung mittels einer Energiesystemanalyse durchgeführt. Hierfür wird das paneuropäi-sche Energiesystemmodell TIMES PanEU entwickelt, in welchem sowohl länderspezifische und sektoral differenzierte Versorgungstechnologien des Wärmemarktes als auch die beste-henden Versorgungsstrukturen modelliert sind. Die Entwicklung der Wärmenachfrage auf Nutzenergieebene wird basierend auf Simulationsergebnissen vorgegeben. So reduziert sich beispielsweise der spezifische Wärmebedarf des Gebäudebestandes in Deutschland bis zum Jahr 2050, trotz regulatorischer Vorgaben z. B. hinsichtlich des Gebäudestandards sowie de-ren Fortschreibung, aufgrund der aktuellen energetischen Sanierungszyklen und -quoten le-diglich auf Neubaustandard des Jahres 2007. Die Ergebnisse der Szenarienanalysen mit dem Energiesystemmodell TIMES PanEU zeigen, dass fossile Energieträger in wesentlich größerem Maße als Elektrowärmeanwendungen und der Einsatz von erneuerbaren Energien im Wärmemarkt von politischen Vorgaben (z.B. einem Treibhausgasminderungsziel) beeinflusst werden. Die Rolle der Fernwärme wird in erheblicher Weise dadurch bestimmt, ob diese quasi CO2-frei erzeugt werden kann. Optionen hierfür bestehen in Form von KWK-Anlagen auf Basis fossiler Energieträger mit CO2-Abscheidung und Speicherung, auf Basis von Geothermie oder Biomasse sowie durch Wärmepumpen und Solarthermie. Das technische und wirtschaftliche Potenzial dieser Erzeugungsoptionen ist ein limitierender Faktor für den Ausbau der Fern- und Nahwärmeversorgung in Deutschland.Item Open Access The role of interfacial areas in two-phase flow in porous media : bridging scales and coupling models(2010) Niessner, Jennifer; Helmig, Rainer (Prof. Dr.-Ing. habil.)This habilitation deals with a thermodynamically consistent modeling of two-phase flow in porous media which is extremely relevant for the understanding, the prediction, and optimization of the processes in many environmental, technical, and biological systems. Among these are the storage of carbon dioxide in the subsurface, methane migration from abandoned coal mines, the migration of radioactive gases from nuclear waste disposal sites (environmental systems), the processes in fuel cells and heat exchangers (technical systems) or the interaction between blood vessels and interstitial space (biological systems) which is very important for cancer therapy. The presented thermodynamically consistent model of two-phase flow in porous media is the first to numerically account for the extremely important role of phase-interfacial areas. This is put into practice through use of a rational thermodynamics approach by Hassanizadeh and Gray [1990] which not only includes interfaces as parameter in the equations, but additionally as entities allowing the formulation of conservation equations for interfaces. To be exact, conservation equations of mass, momentum, energy, and entropy are formulated on the pore scale for phases and interfaces and volume-averaged to the macro scale. The entropy productions of the entropy conservation equations are used to formulate the second law of thermodynamics. A speciality of the approach is the fact that thus, constitutive relationships do not need to be empirically formulated, but can be obtained by exploiting the residual entropy inequality. The aim of this work is to make the thermodynamically consistent and physically-based model accessible to numerical modeling allowing to represent effects which could otherwise not (or only using completely empirical approaches) be described. Among these are capillary hysteresis as well as the kinetics of mass and energy transfer between phases as these transfer processes take place across interfaces and thus, are highly dependent on them. Based on indicators and dimensionless quantities, the integration of the interfacial-area-based model into a multi-scale multi-physics framework is shown. This allows for the solution of the physically-based and thermodynamically consistent model whenever this is necessary and the solution of the empirical, but less costly, classical model wherever and whenever the physical situation allows. With such an approach, computing times and the amount of data needed can be drastically reduced.Item Open Access Verformungsinduzierte Selbstorganisation steifer Makromoleküle in thermotropen flüssigkristallinen Polymerschmelzen(2013) Geiger, Kalman; Fritz, Hans-Gerhard (Prof. Dr.-Ing.)Thermotrope flüssigkristalline Polymere werden bei ihrer thermoplastischen Verarbeitung im Spritzguss oder in der Extrusion den makroskopischen Deformationen Scherung und/oder Dehnung unterworfen. Makroskopische Deformationen bewirken die Entwicklung der für die flüssigkristalline Ordnung der Schmelze spezifischen Orientierungszustände steifer Stäbchenmoleküle und damit eine vom Verarbeitungsprozess empfindlich abhängige Anisotropie des thermoplastisch urgeformten LCP-Formteils. Das bei der Verarbeitung von LCP-Schmelzen ungelöste Problem besteht darin, dass der Ablauf der Orientierungs-vorgänge mit den makroskopischen Deformationen nichtaffin erfolgt und dabei das Fließverhalten der LCP-Schmelze von dem jeweils aktuellen lokalen Orientierungszustand der steifen Stäbchenmoleküle determiniert wird. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Verknüpfung zwischen den makroskopischen Deformationen in der Scher- und/oder Dehnströmung und der durch sie induzierten Orientierungszustände in der anisotropen LCP-Schmelze zu finden. Mit Hilfe geeignet ausgewählter, in dem verarbeitungsrelevanten Schergeschwindigkeits- und Schubspannungs-bereich arbeitenden Rheometersysteme wird das komplexe, von den scher- und dehninduzierten Orientierungszuständen der Stäbchenmoleküle abhängige Fließverhalten der LCP-Schmelzen untersucht. Die für die thermotropen Hauptketten-LCPs spezifischen Orientierungsvorgänge, Defekte und Texturen werden im Ruhezustand und unter Schereinfluss mittels polarisationsoptischer Durchlichtverfahren analysiert. Unter Zugrunde-legung der für LC-Polymere relevanten Frank’schen Elastizitätstheorie und unter Berücksichtigung der topologischen Eigenschaften von Defekten und Texturen werden einfache Modelle für die Beschreibung der scherinduzierten Ausbildung von Orientierungs-zuständen und Defekten hergeleitet und die bei der rheologischen Charakterisierung der LCP-Schmelze beobachteten Phänomene mit diesem Modell beschrieben.