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Die Bewertung bestehender Bauteile unterscheidet sich grundsätzlich von der Bemessung neu zu erstellender Bauteile, da im Gegensatz zur Neubausituation bemessungsrelevante Parameter am Bestandstragwerk ermittelt werden können. Trotzdem müssen baustatische Nachweise in beiden Fällen auf Basis der aktuellen technischen Baubestimmungen geführt werden, deren Sicherheits- und Nachweiskonzept zur Erstellung von Neubauten konzipiert wurde und berücksichtigt, dass die tatsächlichen Bauteilkennwerte zum Zeitpunkt der Bemessung mit Unsicherheiten behaftet sind.
Bestehende Tragwerke können und müssen in vielen Fällen die darin enthaltenen Anforderungen nicht erfüllen, da im Vergleich zur Neubausituation eine Vielzahl von Tragwerksinformationen vorliegen, die eine Absenkung der im Zuverlässigkeitskonzept enthaltenen Unsicherheitsfaktoren begründen.
Aus diesem Grund wird innerhalb der vorliegenden Arbeit ein zur Bewertung bestehender Wasserbauwerke angepasstes, semiprobabilistisches Nachweiskonzept erarbeitet, das auf den wahrscheinlichkeitstheoretischen Festlegungen des Eurocode beruht. Im Vergleich zum aktuellen Nachweiskonzept zeichnet es sich durch die Berücksichtigung von im Rahmen einer qualifizierten Bestandsaufnahme am Tragwerk festgestellten Bauteilkennwerten und Einwirkungen sowie angepassten Zuverlässigkeitselementen aus.
Innerhalb einer probabilistischen Querschnittsanalyse werden weiterhin die zur Zuverlässigkeitsbewertung bestehender Wasserbauwerke aus Beton maßgebenden Basisvariablen identifiziert und es wird nachgewiesen, dass auch die Zuverlässigkeitselemente des modifizierten Nachweiskonzeptes dem Format nach den wahrscheinlichkeitstheoretischen Festlegungen des Eurocodes entsprechen.
Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Konstruktionsweise zur Errichtung von unbewehrten Gewichtsstützwänden alter Schleusen zu einem Zuverlässigkeitsniveau führt, wie es aktuell auch innerhalb des Eurocodes gefordert wird.
In der aktuellen technologischen Entwicklung spielen verteilte eingebettete Echtzeitsysteme eine immer zentralere Rolle und werden zunehmend zum Träger von Innovationen. Durch den hiermit verbundenen steigenden Funktionsumfang der verteilten Echtzeitsysteme und deren zunehmenden Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungsgebieten stellt die Entwicklung solcher Systeme eine immer größere Herausforderung dar. Hierbei handelt es sich einerseits um Herausforderungen bezogen auf die Kommunikation hinsichtlich Echtzeitfähigkeit und effizienter Bandbreitennutzung, andererseits werden geeignete Methoden benötigt, um den Entwicklungsprozess solcher komplexen Systeme durch Tests und Evaluationen zu unterstützen und zu begleiten. Die hier vorgestellte Arbeit adressiert diese beiden Aspekte und ist entsprechend in zwei Teile untergliedert.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Kommunikationslösungen, um den gestiegenen Kommunikationsanforderungen begegnen zu können. So erfordert die Nutzung verteilter Echtzeitsysteme im Kontext sicherheitsrelevanter Aufgaben den Einsatz zeitgetriggerter Kommunikationssysteme, die in der Lage sind, deterministische Garantien bezüglich der Echtzeitfähigkeit zu gewähren. Diese klassischen auf exklusiven Reservierungen basierenden Ansätze sind jedoch gerade bei (seltenen) sporadischen Nachrichten sehr ineffizient in Bezug auf die Nutzung der Bandbreite.
Das in dieser Arbeit verwendete Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling (modusbasierte Kommunikation) ist ein Verfahren zur Verbesserung der Bandbreitennutzung zeitgetriggerter Kommunikation, bei gleichzeitiger Gewährleistung der Echtzeitfähigkeit. Um dies zu ermöglichen, erlaubt Mode-Based Scheduling einen kontrollierten, slotbasierten Wettbewerb, welcher durch eine schnelle Modussignalisierung (Fast Mode-Signaling) aufgelöst wird. Im Zuge dieser Arbeit werden verschiedene robuste, zuverlässige und vor allem deterministische Realisierungen von Mode-Based Scheduling with Fast Mode-Signaling auf Basis existierender drahtgebundener Kommunikationsprotokolle (TTCAN und FlexRay) vorgestellt sowie Konzepte präsentiert, welche eine einfache Integration in weitere Kommunikationstechnologien (wie drahtlose Ad-Hoc-Netze) ermöglichen.
Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich nicht nur auf Kommunikationsaspekte, sondern stellt einen Ansatz vor, den Entwicklungsprozess verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme durch kontinuierliche Tests und Evaluationen in allen Entwicklungsphasen zu unterstützen und zu begleiten. Das im Kontext des Innovationszentrums für Applied Systems Modeling mitentwickelte und erweiterte FERAL (ein Framework für die Kopplung spezialisierter Simulatoren) bietet eine ideale Ausgangsbasis für das Virtual Prototyping komplexer verteilter eingebetteter Echtzeitsysteme und ermöglicht Tests und Evaluationen der Systeme in einer realistisch simulierten Umgebung. Die entwickelten Simulatoren für aktuelle Kommunikationstechnologien ermöglichen hierbei realistische Simulationen der Interaktionen innerhalb des verteilten Systems. Durch die Unterstützung von Simulationssystemen mit Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsstufen kann FERAL in allen Entwicklungsphasen eingesetzt werden. Anhand einer Fallstudie wird gezeigt, wie FERAL verwendet werden kann, um ein Simulationssystem zusammen mit den zu realisierenden Komponenten schrittweise zu verfeinern. Auf diese Weise steht während jeder Entwicklungsphase ein ausführbares Simulationssystem für Tests zur Verfügung. Die entwickelten Konzepte und Simulatoren für FERAL ermöglichen es, Designalternativen zu evaluieren und die Wahl einer Kommunikationstechnologie durch die Ergebnisse von Simulationen zu stützen.
Im Stahlbetonbau werden die Eigenschaften von Beton und Bewehrungsstahl so vereint, dass ein Werkstoff entsteht, welcher wesentlich tragfähiger ist als die einzelnen Komponenten. In hoch bewehrten Konstruktionen kann es sinnvoll sein, große Bewehrungsstabdurchmesser (≥ 32mm) einzusetzen. Ein Bewehrungsstab Ø40mm (12,56cm²) kann im Vergleich der Querschnittsflächen die Kombinationen 2Ø28mm, 4Ø20mm, 8Ø14mm, 11Ø12mm, 16Ø10mm oder sogar 25Ø8mm ersetzen. Hierdurch können vielfältige Vorteile aber auch, insbesondere bei der Rissbreitenbeschränkung, Nachteile entstehen.
In der vorliegenden Arbeit wurde das grundsätzliche Rissverhalten von großen Stabdurchmessern untersucht. In experimentellen Untersuchungen an insgesamt 60 Versuchen mit über 30.000 Rissbreitenmessungen wurde das Verhalten an Zugstäben sowie an Zugplatten mit und ohne Oberflächenbewehrung betrachtet. Es wurden verschiedene Einflüsse auf die Rissbreiten, unter anderem der Bewehrungsstabdurchmesser, die Betondruckfestigkeit sowie die Belastungsart berücksichtigt. Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der nach DIN EN 1992-1-1 2011 und DIN EN 1992-1-1/NA 2013 geforderten Oberflächenbewehrung sowie deren Reduzierung. Auf Grundlage der hohen Anzahl an Messwerten sind belastbare Ergebnisse möglich. Es wurden Bemessungsvorschläge ausgearbeitet, welche abschließend in zwei Modellen zur Rissbreitenberechnung einfließen.
Bei Baumaßnahmen kommt es oft zu Auseinandersetzungen zwischen Bauherren und Planern, bei denen die zulässige Breite von Rissen in Stahlbetonbauteilen im Vordergrund steht. Die Rissgeometrie, der Rissbreitenverlauf von der Betonoberfläche zum Bewehrungsstab, wurde ebenfalls untersucht. Es wurden Risse unter Beanspruchung „eingefroren“ und die Rissbreite in der Betondeckung mit Hilfe eines optischen Messsystems erfasst. Mit Hilfe dieser Rissbreitenwerte wurde ein Ingenieurmodell aufgestellt, welches eine Umrechnung zwischen dem Rechenwert der Rissbreite und der Rissbreite an der Betonoberfläche erlaubt.
Zur Auslegung von innovativen Betonkollektorelementen für solarthermische Parabolrinnenkraftwerke
(2016)
Kurzfassung
Parabolrinnen stellen die wirtschaftlichste Form der solarthermischen Kraftwerke mit
Solarstrahlenkonzentration dar. Die Kollektorelemente sind der entscheidende Faktor
für die Wirtschaftlichkeit des gesamten Parabolrinnenkraftwerks. Stand der Technik
ist es, die Kollektoren als räumliche Stahlfachwerke mit punktförmig gestützten Spiegeln
auszuführen. Zu diesem Konstruktionsprinzip sind Alternativen möglich.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Machbarkeit einer wirtschaftlichen
Konstruktionsvariante für die Ausführung der Parabolrinnen unter Verwendung des
Werkstoffs Beton untersucht.
Die dabei erörterten Fragestellungen umfassen ein breites Spektrum. Ein Schwerpunkt
liegt auf der Konzeptionierung einer geeigneten Betonrezeptur und den damit
verbundenen betontechnologischen Herausforderungen. Diese waren stets unter
dem Gesichtspunkt einer schnellen Festigkeitsentwicklung zu betrachten. Des Weiteren
konnte ein Großdemonstrator konzeptionell und baulich realisiert werden, durch
welchen die Bauweise eines Parabolrinnenkollektorelements aus hochfestem Beton
vor Augen geführt wird. Diesem sind zwei Innovationen immanent: Zum einen die
Verwendung des Werkstoffs Beton, zum anderen sein neuartiges Auflagerungskonzept.
Der fertiggestellte Großdemonstrator wurde in einer Genauigkeitsanalyse mittels
optischer Messverfahren hinsichtlich seines Interceptfaktors, eine Kenngröße,
von welcher der Systemwirkungsgrad abhängt, beurteilt. Ein weiterer betrachteter
Aspekt ist die Maßhaltigkeit und Formstabilität von Beton, da durch Abweichungen
von ihrer Sollgeometrie der Interceptfaktor einer Parabolrinne reduziert wird. Anhand
von numerischen Untersuchungen wurden die unter realitätsnahen Bedingungen an
einem geeigneten Standort auftretenden Verformungen für den Großdemonstrator
analysiert und in Form einer rechnerischen Wirksamkeitsbeurteilung interpretiert.
Abstract
Parabolic troughs are the most economic type of solarthermal power plants working
by concentrating solar power. The collector elements are the most influencing factor
concerning the cost effectiveness of the whole power plant. State of the art is to construct
the collectors as spatial steel truss systems with point-wise supported mirrors.
Alternatives to this construction principle exist.
In the thesis at hand the feasibility of an economic way of constructing of an economic
execution of the parabolic troughs while using concrete as construction material
was analyzed.
The spectrum of the discussed questions is large. One focus was put on the conception
of a suitable concrete and the connected challenges concerning the concrete
technology. These were always to be considered under the aspect of a fast development
of the strength. Furthermore, a full-size demonstrator was planned and built,
which shows the construction method of a parabolic trough collector element using
high-strength concrete. Two innovations are immanent: On the one hand, the use of
the construction material concrete, on the other hand its novel supporting concept.
The completed full-size demonstrator was evaluated regarding its intercept factor (a
parameter by which the efficiency factor of the system is influenced) by using a precision
analysis using optical measurement methods. Another examined aspect is the
dimensional accuracy and stability of concrete because by deviations from the target
geometry the intercept factor of a parabolic trough is reduced. By means of numerical
methods the deflections, which result under realistic conditions at a suitable location,
were analyzed and in due form of a mathematical effectiveness assessment interpreted.
In der 2. Hälfte des 20. Jahrhunderts fand in der Bundesrepublik Deutschland ein weiträumiger Suburbanisierungsprozess statt. Junge Familien wanderten u. a. in den 1970er und 1980er Jahren in der Familiengründungsphase in das Umland der Städte und präferierten die Wohnform des Einfamilienhauses in einem familienfreundlichen Wohnumfeld. Infolgedessen entstanden weitgehend altershomogene Siedlungen. Diese Bevölkerungsgruppe erreicht nun das Alter 60plus mit der Folge, dass Umlandgebiete von Städten aufgrund der genannten altersselektiven Stadt-Umland-Wanderungen von der demographischen Alterung in überdurchschnittlichem Maße betroffen sind.
Heute ergibt sich ein Problemkomplex aus einer fehlenden Kongruenz zwischen gealterter Bevölkerung einerseits und räumlicher Umwelt andererseits, der sowohl die Kommunen als Wohnstandort als auch die betroffenen Haushalte vor neuartige Herausforderungen stellt.
Demnach kommt es im Zuge der Erhöhung des Anteils älterer Menschen in der Bevölkerung in suburbanen Räumen zu einer Verstärkung und Modifikation der Nachfrage nach altenspezifischen, dezentralen Versorgungsstrukturen in bestimmten Bereichen der Daseinsvorsorge (wie der medizinischen Versorgung, der Versorgung mit Gütern des täglichen Bedarfs und des öffentlichen Personennahverkehrs (öPNV)) sowie im Bereich altengerechter Wohnraumangebote. Neben diesen quantitativen Aspekten weist die Bevölkerungsgruppe 60plus aufgrund von gesellschaftlichen Veränderungsprozessen, wie dem Wertewandel, im Vergleich zur Vorkriegsgeneration neuartige Bedürfnisse und Anforderungen an ihren Wohnstandort auf.
Gleichzeitig sind sowohl altenspezifische Versorgungsstrukturnetze in suburbanen Räumen aufgrund einer flächenintensiven und monofunktionalen Siedlungsentwicklung mit räumlich konzentrierten Einrichtungen der Daseinsvorsorge, einer starken Abhängigkeit vom motorisierten Individualverkehr (MIV) bei abnehmender altersbedingter individueller Mobilität und damit einhergehenden ungünstigen Erreichbarkeiten als auch altengerechte Wohnraumangebote oftmals nur eingeschränkt vorhanden.
Die geschilderten raumbezogenen Divergenzen zwischen sich wandelnden quantitativen und qualitativen Nutzungsmustern hinsichtlich Versorgungsstrukturen, Mobilität und Wohnraum einerseits und siedlungsstrukturellen Rahmenbedingungen andererseits führen dazu, dass Wohnstandortentscheidungen früherer Lebensphasen dahingehend überprüft werden, ob eine altersgerechte Lebensführung in den suburbanen Siedlungsgebieten möglich ist.
Vor dem Hintergrund der dargelegten raumstrukturellen Problemlagen in suburbanen Kommunen im Zuge des Prozesses der demographischen Alterung liegt das zentrale Anliegen der vorliegenden Arbeit darin, Wohnstandortentscheidungen suburbaner Haushalte der Bevölkerungsgruppe 60plus anhand einer beispielhaften Betrachtung in ausgewählten suburbanen Kommunen im Landkreis Mainz-Bingen zu untersuchen.
Folgende Forschungsziele werden im Rahmen der Arbeit verfolgt:
In einem ersten Schritt sollen die Standortgegebenheiten in Bezug auf die Ausstattung mit Versorgungsstrukturen, die die Untersuchungskommunen älteren Menschen der Generation 60plus bieten, zukünftig im höheren Alter ein selbstständiges Leben führen zu können, analysiert werden.
Des Weiteren werden das derzeitige aktionsräumliche Versorgungsverhalten der Untersuchungsgruppe sowie daraus entstehende potentielle Versorgungsdefizite im höheren Alter untersucht.
In einem weiteren Analyseschritt liegt der Fokus auf der subjektiven Wohnstandortbewertung aus Bürgerperspektive. Im Speziellen wird dargestellt, inwiefern die Bevölkerungsgruppe 60plus ihren Wohnstandort in einzelnen Bereichen der Versorgungsstrukturen beurteilt und klassifiziert.
Darüber hinaus ist die prospektive Wohnmobilität (Umzugsbereitschaft) der Generation 60plus, insbesondere in Abhängigkeit von den gegebenen Versorgungsstrukturen, Gegenstand der Untersuchung. Es wird erforscht, ob eine erhöhte Wohnmobilität innerhalb dieser Altengeneration, beispielweise mit Wanderungen in innerstädtische Quartiere mit seniorengerechten Versorgungsstrukturen und Wohnungsangeboten, nachzuweisen ist.
Für von dem demographischen Alterungsprozess betroffene suburbane Siedlungsräume sind zumeist noch keine, auf eine ganzheitliche Strategie ausgerichtete kommunale Entwicklungskonzepte entworfen worden, welche öffentlichen und privatwirtschaftlichen Akteuren Optionen aufzeigen, wie eine bedarfs- und seniorengerechte Planung in den Bereichen Nahversorgung, medizinische Versorgung, Mobilität und Wohnen in Zukunft gestaltet werden kann. Die Konzeption geeigneter Entwicklungsstrategien soll die Qualität suburbaner Wohnstandorte für ältere Menschen erhöhen, eine selbstständige und selbstbestimmte Lebensführung im Alter und einem möglichst langen Verbleib im angestammten Wohnquartier und der Kommune ermöglichen und potentiell auftretende Abwanderungstendenzen der Bevölkerungsgruppe 60plus entgegenwirken.
Die aus den Zielsetzungen abgeleiteten Forschungsfragen werden einerseits mittels einer sekundärstatistischen und andererseits durch eine empirische Untersuchung in 16 Kommunen im Landkreis Mainz-Bingen im Umland der rheinland-pfälzischen Landeshauptstadt Mainz beant-wortet. Die Untersuchungseinheit im Rahmen der empirischen Arbeiten bilden Haushalte der Jahrgänge 1945-1953, so dass im Erhebungsjahr 2014 dies die Gruppe der 60- bis 69-Jährigen einschließt. Die empirische Untersuchung in den 16 Kommunen wurde anhand einer teilstandardisierten postalischen Befragung vorgenommen. Insgesamt sind im Rahmen der Erhebung 3.942 Fragebögen an Haushalte versendet worden (Vollerhebung). Die Rücklaufquote beträgt mit insgesamt 2.002 ausgefüllten Fragebögen 51 %.
Aufbauend auf den empirischen Ergebnissen der sekundärstatistischen und empirischen Untersuchung der Auswirkungen von suburbanen Raumstrukturen auf Wohnstandortentscheidungen der Bevölkerungsgruppe 60plus und der Beantwortung der Forschungsfragen werden zunächst zentrale Forschungserkenntnisse zusammengefasst und Schlussfolgerungen für den ausgewählten Untersuchungsraum gezogen. Das Ziel liegt in einer induktiven Herausarbeitung von allgemeinen Handlungsbedarfen für die Planungspraxis, die generell in suburbanen Siedlungs-gebieten vor dem Hintergrund der Auswirkungen der demographischen Alterung virulent sind und in der Konsequenz zu einer Erhöhung der Wohnmobilität älterer Bevölkerungsgruppen führen können.
Anschließend werden, auf der Ableitung von allgemeinen Handlungsbedarfen für die Raumplanung aufbauend, übergeordnete Strategien zur Gestaltung und Anpassung eines seniorengerechten Versorgungs- und Wohnraumangebotes in suburbanen Siedlungsgebieten in Deutschland aufgezeigt. Das Ziel liegt in der Ermöglichung einer selbstständigen und selbstbestimmten Lebensführung im Alter und einem möglichst langen Verbleib im angestammten Wohnquartier und der Kommune, in der Erhöhung der Qualität suburbaner Wohnstandorte für ältere Menschen und in dem Entgegenwirken potentiell auftretenden Abwanderungstendenzen der Bevölkerungsgruppe 60plus.
Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) sind in der Luftfahrt etabliert, wohingegen andere
Branchen diese aufgrund der hohen Kosten nur zögerlich einsetzen. Die hohen Betriebskosten
von Flugzeugen, die sich vorrangig durch Leichtbau reduzieren lassen,
erlauben kostenintensivere Lösungen als die Kostenstrukturen in anderen Branchen.
Die Mehrkosten sind neben dem Leichtbau der entscheidende Faktor für den Einsatz
von FKV-Strukturen außerhalb der Luftfahrtbranche. Während in der Luftfahrtbranche
üblicherweise Niete zur Krafteinleitung eingesetzt werden und diese nur eine
Demontage eines Bauteils durch Aufbohren zulassen, genügen Niete den Ansprüchen
anderer Branchen nicht, da ein hoher Demontageaufwand durch das Aufbohren
hohe Kosten mit sich zieht. Aus diesem Grund erfordert es preisgünstige und qualitative
Lösungen, die eine lösbare Verbindung ermöglichen. In den meisten Branchen
werden daher, im Gegensatz zur Luftfahrt, traditionell reibschlüssige Schraubenverbindungen
für metallische Bauteile verwendet. Für reibschlüssige Schraubenverbindungen,
die zur Krafteinleitung in FKV-Strukturen genutzt werden, sind dem Stand
der Forschung nach kaum Erkenntnisse vorhanden.
Daher ist es Gegenstand dieser Arbeit aufzuzeigen, wie durch eine Erhöhung des
Reibwerts bei reibschlüssigen Krafteinleitungen in FKV-Bauteilen eine Verbesserung
der statischen und zyklischen Verbindungsfestigkeit erreicht werden kann. Um den
zuverlässigen Einsatz von reibschlüssigen Schraubenverbindungen zu ermöglichen,
werden außerdem die maximal zulässige Flächenpressung und der Vorspannkraftverlust
an FKV-Proben ermittelt. Dabei bilden experimentelle Ergebnisse eine Basis,
anhand derer aufgezeigt wird, inwieweit analytische Modelle genutzt werden können,um die reibschlüssige Krafteinleitung in FKV abzubilden.
Zunächst wird der Haftreibwert zwischen Stahl und FKV experimentell untersucht,
um Konzepte zur Steigerung des Reibwerts zu quantifizieren. Durch die experimentelle
Ermittlung einer maximal zulässigen Flächenpressung für die verwendeten FKVMaterialien
werden Schädigungen infolge zu hoher Vorspannkräfte vermieden. Dazu
werden FKV- Proben mit einem Stempel belastet und mit Hilfe der Schallemissionsmethode
Schädigungen detektiert, zu dem Zweck eine Belastungsgrenze zu definieren. Versuche zur Bestimmung des Vorspannkraftverlusts an FKV-Proben zeigen,
dass die Vorspannkraft durch Setzen und Kriechen zwar reduziert wird, dies aber in
vertretbarem Maße. Darüber hinaus lässt sich in den Versuchen beobachten, dass
das Setzen deutlich von der Oberflächenbeschaffenheit bestimmt wird. Um die Einflüsse
des Matrixwerkstoffs, des Reibwerts, der Passung und der Vorspannkraft auf
die Kraftübertragung in der Schraubverbindung zu prüfen, werden außerdem
doppellaschige Zugscherversuche durchgeführt.
An geklemmten FKV-Bauteilen im Fahrradbau lassen sich Defizite bei der Auslegung
dieser Bauteile und ihrer Anbindungstechnologie feststellen. Da der Verbindung zwischen
Vorbau und Gabelschaft besondere sicherheitsrelevante Bedeutung zukommt,
wird eine marktübliche Gabelschaft-Vorbau-Klemmung im Rahmen dieser Arbeit experimentell
und numerisch auf die Belastungen durch die Montage sowie im Betrieb
untersucht. Es kann dargelegt werden, dass ein komplexer Belastungszustand in der
genannten Klemmverbindung vorliegt, der numerisch abgebildet werden kann. Auf
Basis des validierten Finite-Element-Modells kann gezeigt werden, dass die Steigerung
des Reibwerts ein deutliches Potential aufweist um die Werkstoffanstrengung
zu reduzieren. Zur experimentellen Absicherung dieser Beobachtung, werden quasistatische
und zyklische Untersuchungen an Vorbau-Gabelschaft-Baugruppen durchgeführt,
bei denen der Reibwert durch die Applikation von Schmierfett und
Carbonmontagepaste variiert wird. Durch die Verwendung von Carbonmontagepaste
bzw. bei einem höheren Reibwert steigt sowohl die quasi-statische Festigkeit als
auch die Lebensdauer im Vergleich zum Einsatz von Schmierfett deutlich an.
Fiber reinforced plastics (FRP) are well established materials in the aviation industry,
whereas in other industries these materials are not yet this commonly used due to
the comparatively high costs. The high operating costs of aircrafts can be reduced
primarily through lightweight design, which allows the choice of more expensive solutions
than in other industries. The additional costs are beside the weight savings the
deciding factor for the use of FRP structures beyond the aviation sector. Since normally
rivets are used in the aviation industry to join components, the dismantling of
these riveted structures needs drilling. Hence rivets are insufficient for the demands
of other sectors due to the high disassembly costs caused by the high disassembly
effort. For this reason affordable solutions that permit an easy disassembly procedure
are essential for a wider application of FRP structures. Therefore – in most sectors
– preloaded bolted joints are used for the assembly of metallic components, in
contrast to aviation. For preloaded bolted joints in combination with FRP structures
almost no information is available by the current state of scientific knowledge
Therefore in this work it is investigated how an improvement of the static and cyclic
connection strength can be achieved by increasing the coefficient of friction at preloaded
bolted joints on FRP components. To enable a reliable application of preloaded
bolted joints the maximum allowable surface pressure and the loss of the preload
force of FRP specimens are determined. Therefore experimental results provide the
basis to study if analytical computation can be used to describe bolted joints on FRP
structures.
The coefficient of friction between steel and FRP is experimentally investigated in
order to quantify concepts that aim to increase the coefficient of friction. An experimental
determination of the maximum permissible surface pressure of the used FRP
materials avoids damage by excessive bolt preload. Therefore FRP specimens are
tested and a simultaneous detection of damage is performed by using the acoustic
emission method.
An experimentalinvestigation of the loss of bolt preload shows that the preload is
reduced by embedding and material relaxation but in an acceptable manner. In addition it can be observed that the embedding of the contact surfaces is significantly dependent
on the surface condition of the specimens. To analyze the influence of the
matrix material, the coefficient of friction, the clearance and the bolt preload to a bolted
joint, double lap tensile shear tests are performed.
Clamped FRP components used on bicycles show shortcomings in the design of these
components and their connection technology. Since the connection between stem
and steerer has a significant impact on safety, a standard stem/steerer connection is
investigated both experimentally and numerically considering the stresses during the
assembling as well as during operation. It can be demonstrated that this connection
has a complex load condition and a finite element analysis can describe this connection
sufficiently. Based on the validated finite element model it can be shown that an
increasing coefficient of friction has a significant potential for the reduction of the material
effort of the FRP steerer.
To validate these theoretical observations, quasi-static and cyclic tests on
stem/steerer assemblies are carried out. Thereby the coefficient of friction is varied
by the application of grease and carbon assembly paste. By the use of carbon assembly
paste (high coefficient of friction) both the quasi-static strength as well as the
operating life increases in comparison to the use of grease (low coefficient of friction).
Die vorliegende Arbeit fasst Erkenntnisse zum Einfluss polarer Alken-Substituenten auf Selektivitäten intramolekularer Alkoxylradikal-Additionen zusammen. Ergänzend zu den eigenen mechanistisch-synthetischen Studien flossen in die Bewertung der Reaktionsverläufe thermodynamische Daten und molekularorbital-theoretische Erkenntnisse ein, die in Kooperation mit Jens Hartung aus Dichtefunktional-Rechnungen abgeleitet wurden.
Die existierende Lehrmeinung beschreibt Sauerstoffradikale in Additionen und Substitutionen als Elektrophile, deren Selektivitäten durch sterische Effekte gesteuert werden. Auf Grundlage dieser Einteilung lassen sich atmosphärische und physiologische Sauerstoffradikal-Reaktionen und das komplementäre Reaktionsverhalten zu ionischen Cyclisierungen von Alkenolen deuten.
Vorläufermoleküle, die Sauerstoffradikale in unverzweigten Kettenreaktionen unter pH-neutralen nicht oxidativen Bedingungen freisetzen, erlaubten in der vorliegenden Arbeit strukturell komplexere Sauerstoffradikale mit hoher Spezifität zu erzeugen und aus den isolierten Produkten ein differenzierteres Bild zur Radikalselektivität abzuleiten. In diesem Bild besitzen Sauerstoffradikale Grenzreaktivität. Gegenüber Akzeptor-substituierten Alkenen treten Sauerstoffradikale als Nucleophile und gegenüber Donor-substituierten Alkenen als Elektrophile auf. Elektrophilie bildet darüber hinaus die Grundlage für einen neuen 2,3-cis-dirigierenden Effekt Allyl-ständiger Akzeptor-Gruppen, in denen der polare Einfluss über den sterischen dominiert.
In einem Projekt zur Synthese von Isomuscarinen, die sich durch Positionierung einer endocyclischen Hydroxy-Gruppe von den Glutamat-abgeleiteten Muscarin-Alkaloiden unterscheiden, fiel eine unerwartete 2,3-cis-Selektivität der 5-Hexen-2-oxylradikal-Cyclisierung auf. Aus sterischen Gründen wäre das 2,3-trans-konfigurierte Produkt favorisiert. 2,3-cis-Selektivität, die sich sowohl bei thermisch als auch photochemisch durchgeführten homolytischen Bromcyclisierungen zum Aufbau von Isomuscarin-Gerüsten zeigte, lässt sich in einem der diastereomeren Radikale durch den konformellen Effekt einer Methylgruppe zu 2,3-trans übersteuern. Die Befunde legen nahe, dass die 2,3-cis-Selektivität aus der kinetischen Reaktionskontrolle der Cyclisierungsreaktion resultiert. Kristallographische Untersuchungen der vier racemischen Isomuscarine und umfangreiche NMR-Studien aus denen sogar 1J(14N,13C) offenkund wurden, stützten die stereochemische Analyse zur Radikalselektivität.
Um die Ursache 2,3-cis-selektiver Radikalcyclisierungen einzugrenzen, wurde in einem zweiten Projekt das Untersuchungssystem auf das Allyl-ständig Hydroxy-substituierte 4-Pentenoxylradikal reduziert. Letzteres liefert in Gegenwart von Bromtrichlormethan das 2,3-cis-Cyclisierungsprodukt in einer Selektivität von 74:26. Da das 2,3-cis- und das 2,3-trans-Stereoisomer des (3-Hydroxytetrahydrofuran-2-yl)methyl-Radikals unter den Reaktions-bedingungen nicht ringöffnen, liegt der 2,3-cis-Selektiviät ein kinetischer Einfluss der Allyl-ständigen Hydroxy-Gruppe zugrunde. Auch Acyloxy-Gruppen in allylischer Position ermöglichen 2,3-cis-selektive 4-Pentenoxylradikal-Cyclisierungen, jedoch mit abweichender Selektivität. Den polaren Effekt überlagert demzufolge der sterische des eingesetzten Substituenten.
Das Zusammenspiel zwischen polarem und sterischem Effekt eines Allyl-ständigen Substituenten gelang es in einem dritten Projekt zu separieren. In diesem Projekt variierte der Allyl-ständige Substituent von Hydroxy, Methoxy, Trifluoracetoxy, Chlor, Benzamido, Benzolsulfonamido, N-Phthalimido zu Benzoylsulfanyl. Entlang dieser Reihe fiel der Anteil 2,3-cis-bromcyclisierter Produkte bei thermisch induzierter Umsetzung der synthetisierten Allyl-substituierten 4-Pentenylthiohydroxamate mit Bromtrichlormethan. In einer Korrelationsanalyse folgt der cis-Anteil an 5-exo-trig-Cyclisierungsprodukt der Stabilisierung der HOMO-Energie, wobei 2-substituierte But-3-ene als Modell-Verbindungen zur Korrelation eingesetzt wurden. Mit zunehmendem sterischen Substituenteneinfluss, ausgedrückt anhand des entsprechenden Winstein-Holness-Parameters, steigt der Anteil 2,3-trans-konfigurierter Cyclisierungsprodukte. 2,3-cis-Selektivität resultiert in dem Modell aus einer Verlangsamung der 2,3-trans-Reaktion durch den stabilisierenden Einfluss eines sterisch möglichst kleinen stark elektronenziehenden Substituenten. Mit zunehmender Stabilisierung des Alkenteils sinkt die Geschwindigkeit der Radikaladdition. Mit zunehmender Raumerfüllung des Allyl-Substituenten wird jedoch das Konformer aus dem die 2,3-cis-Reaktion erreicht werden kann zu energiereich, um nennenswert eine Rolle zu spielen.
Direkt an der Doppelbindung gebundene Substituenten haben einen noch deutlicheren Einfluss auf die Radikalselektivitäten, da sie die Energien von π-Typ-Orbitalen direkt beeinflussen. Alkoxylradikale addieren dabei rascher an eine terminal Cyano-substituierte Doppelbindung als an eine unsubstituierte. Kontrollreaktionen mit einer Radikaluhr zeigten, dass alle Intermediate auf Radikale zurückzuführen sind. Anwenden ließ sich die unerwartete nucleophile Reaktivität in der Synthese einer neuen Tetrahydrofuran-abgeleiteten Aminosäure.
Im Rahmen dieser Arbeit wird die Tiefenfiltration wässriger Suspensionen untersucht. Der Fokus der Untersuchungen liegt auf der Betrachtung der Druckdifferenz über dem Filtermedium und dem Abscheidegrad. Als Filtermittel werden dabei Vliese betrachtet. Die Zielsetzung der Arbeit besteht darin, einen Beitrag zum besseren Verständnis der Tiefenfiltration zu liefern. Die Erkenntnisse sollen helfen, Tiefenfilter besser auszulegen und Filtermedien gezielter zu entwickeln.
Zunächst werden die grundlegenden Vorgänge der Tiefenfiltration untersucht. Dabei werden die Durchströmung poröser Schichten sowie die der Partikelabscheidung zugrunde liegenden Transport- und Haftmechanismen analysiert. Anschließend werden bestehende Ansätze zur Berechnung des Druckverlustes und der Partikelabscheidung von Tiefenfiltern aufgezeigt.
Um das Filtrationsverhalten von Vliesen experimentell zu untersuchen, wurde ein Prüfstand aufgebaut. An diesem können der Differenzdruck über den Vliesen und die Partikelabscheidung gemessen werden. Die Filtrationsversuche wurden bei konstantem Volumenstrom und konstanter Zusammensetzung der Suspension durchgeführt. Die eingesetzten Partikeln waren mineralischen Ursprungs. Das untersuchte Partikelspektrum lag im Bereich von 1-100 µm. Neben der Filtration wurde auch untersucht, in welchem Umfang mit Partikeln beladene Vliese diese wieder abgeben. Die Ergebnisse der Filtrations- und Ablöseversuche werden vorgestellt und diskutiert.
Auf Grundlage bestehender Berechnungsansätze und der durch die experimentellen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Modell erstellt. Dieses ermöglicht die Berechnung der Partikelabscheidung und der Druckdifferenz auf Basis der Strukturdaten des Vlieses. Die Berechnung kann sowohl für den Beginn der Filtration als auch für den Verlauf der Filtration durchgeführt werden. Bei der Simulation des Verlaufs der Filtration erfolgt dabei eine gekoppelte Berechnung von Partikelabscheidung und Druckverlust. Für die Bestimmung der Partikelabscheidung wurde der Berechnungsansatz der Einzelfaserabscheidung zugrunde gelegt und erweitert. Die erzielten Simulationsergebnisse werden vorgestellt und diskutiert.
Im letzten Teil der Arbeit werden Ergebnisse vorgestellt und diskutiert, die mittels numerischer 3-D-Strömungssimulation erzielt wurden. Dabei wurde die Software DNSlab verwendet. Um die Partikelabscheidung simulieren zu können, wurde ein Abscheidemechanismus entwickelt. Dieser ermittelt die Partikelhaftung auf der Basis einer Kräftebilanz. Als relevante Kräfte wurden Strömungskräfte, Reibungskräfte und van-der-Waals-Kräfte identifiziert.
Bei der Herstellung von Faser-Kunststoff-Verbunden durch Harzinjektionsverfahren
wird ein textiler Vorformling, die Preform, mit einem Harzsystem imprägniert und
anschließend ausgehärtet. Die Erzeugung der Preform, auch Preforming genannt,
beinhaltet dabei eine Vielzahl an Arbeitsschritten, welche maßgeblich die Kosten des
herzustellenden Bauteils bestimmen. Die Automatisierung des Preformings birgt
daher ein enorm hohes Potential zur Kostenreduzierung. Im Rahmen dieser Arbeit
wurde deshalb ein neues Preforming System entwickelt, welches die kontinuierliche
Herstellung von Profil-Preforms aus textilen Halbzeugen ermöglicht. Erstmalig wurde
dabei zur kontinuierlichen Fixierung die Nähtechnik verwendet, welche ein energieund
zeiteffizientes Preforming zulässt. Allerdings hat sich bei der Herstellung von
Profil-Preforms mit unterschiedlichen textilen Halbzeugen gezeigt, dass die maximal
erreichbare Prozessgeschwindigkeit ohne relative Textilschädigung variiert. Ursache
hierfür ist das Textilverhalten während der Formgebung. Durch die Wahl geeigneter
Material- und Prozessparameter besteht allerdings ein hohes Potential, einen
Preforming Prozess zu optimieren. Daher war es das Ziel dieser Arbeit, Richtlinien
für Material- und Prozessparameter zu entwickeln, die sowohl eine robuste als auch
effiziente Preformherstellung ermöglichen.
Als kritische Textileigenschaften wurden das Kompaktierungs-, das Reibungs- und
das Biegeverhalten identifiziert. Diese wurden in separaten Parameterstudien
hinsichtlich der Auswirkungen von Materialparametern (z. B. Bindungsart) und
Prozessparametern (z. B. Prozessgeschwindigkeit) untersucht. Die Ergebnisse
konnten anschließend in Richtlinien zusammengefasst werden, welche für eine
prozessorientierte Materialauswahl oder für Prozessmodifikationen beim Preforming
genutzt werden können. Bei der Übertragung auf einen Preforming Prozess muss
jedoch berücksichtigt werden, dass sich Effekte verursacht durch Kompaktierung,
Reibung und Biegung in Abhängigkeit des Faservolumengehaltes der Preforms
überlagern können. Daher wurden anhand einer weiteren Studie dominierende
Textileigenschaften in Abhängigkeit des Ziel-FVG der Profil-Preforms beim
entwickelten Preforming Prozess identifiziert. Abschließend wurden die entwickelten
Richtlinien verifiziert, indem sowohl eine prozessorientierte Materialauswahl als auch
prozessseitig eine Vorkompaktierungseinheit validiert wurden.
Brasilien ist flächenmäßig das fünftgrößte Land der Welt, mit einer in den letzten Jahrzenten dynamisch wachsenden Bevölkerung von heute mehr als 200 Millionen Einwohnern. Infolge steigender Komfortansprüche ist ein gleichzeitig wachsender Energieverbrauch festzustellen. Bei den aus dem westlichen Ausland übernommenen Architekturen, Konstruktionen und Materialien sind integrierte Klimaanlagen baulicher Standard. Innerhalb staatlicher Wirtschaftsprogramme werden die Bauausführungen für den sozialen Wohnungsbau offiziell standardisiert. Je nach Flächenbedarf und Einkommensverhältnissen bieten die Wohnungsbaugesellschaften den Bewohnern preiswerte und finanzierungsgünstige Standard-Wohneinheiten und -Häuser an, die sogenannte Casa Popular. Dünne Wände führen zur Kostenreduktion, aber auch zur thermisch-ineffizienten Gebäudehülle. Dieses aus pragmatischem Regierungsprogramm abgeleitete Musterhausdenken und die klimazonenunabhängige Struktur und Konstruktion führen aus den verschiedensten Gründen zu ungenügenden Behaglichkeitswerten.
Ein ebenso weit verbreiteter Wohnhaustyp aus der Kolonialzeit, die Casa Térrea (Lehmbau aus dem 17. Jhd.), bot über Jahrhunderte hindurch und bietet bis heute den Familien aus vergleichbaren Verhältnissen adäquaten Wohnraum an. Obwohl der Haustyp in allen acht Klimazonen strukturell und konstruktiv nahezu identisch in ganz Brasilien vorzufinden ist, gelten für diese Häuser im Vergleich zur heutigen Casa Popular bessere Behaglichkeitswerte.
Mit Hilfe der energetisch-dynamischen Simulation wird der Haustyp Casa Popular (zeitgenössischer, standardisierter Haustyp) hinsichtlich der energetischen Effizienz und Behaglichkeit für Standorte für vier von insgesamt acht ausgewählten Klimazonen Brasiliens simuliert und ausgewertet. Untersucht wird, inwieweit der zeitgemäße Wohnungsbau Brasiliens durch architektonisch-konstruktive Maßnahmen thermisch und energetisch effizienter umgesetzt werden kann. Zielsetzung ist es, ein Maximum der Behaglichkeit allein durch passive, energieverbrauchssenkende und wirtschaftliche Maßnahmen zu erreichen.