Refine
Year of publication
- 2014 (146) (remove)
Document Type
- Doctoral Thesis (78)
- Preprint (28)
- Periodical Part (17)
- Article (15)
- Working Paper (4)
- Other (2)
- Report (1)
- Study Thesis (1)
Has Fulltext
- yes (146)
Keywords
- Denkmäler (8)
- Monitoring (8)
- Raumplanung (8)
- Brücken (5)
- Bestandserhaltung (4)
- Zerstörungsfreie Prüfung (4)
- Multiobjective optimization (3)
- Querkraft (3)
- Zustandserfassung (3)
- Activity recognition (2)
Faculty / Organisational entity
- Kaiserslautern - Fachbereich Mathematik (43)
- Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik (16)
- Kaiserslautern - Fachbereich Informatik (15)
- Kaiserslautern - Fachbereich Raum- und Umweltplanung (13)
- Kaiserslautern - Fachbereich Sozialwissenschaften (13)
- Kaiserslautern - Fachbereich Chemie (12)
- Kaiserslautern - Fachbereich Bauingenieurwesen (10)
- Universität (8)
- Kaiserslautern - Fachbereich Wirtschaftswissenschaften (5)
- Kaiserslautern - Fachbereich Biologie (3)
- Kaiserslautern - Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik (3)
- Kaiserslautern - Fachbereich ARUBI (2)
- Fraunhofer (ITWM) (1)
- Kaiserslautern - Fachbereich Physik (1)
- Universitätsbibliothek (1)
Infobrief FBK 43/14
(2014)
Infobrief FBK 44/14
(2014)
Infobrief FBK 45/14
(2014)
Robuste Optimierung wird zur Entscheidungsunterstützung eines komplexen Beschaffungs- und Transportmodells genutzt, um die Risikoeinstellung der Entscheidenden abzubilden und gleichzeitig ein robustes Ergebnis zu erzielen. Die Modellierung des Problems ist umfassend dargestellt und Ergebnisse der nicht-deterministischen Planung bei verschiedenen Parametern und Risikoeinstellungen gegenübergestellt. Die Datenunsicherheit wird an einem Praxisfall erläutert und Methoden und -empfehlungen zum Umgang mit dieser dargestellt.
The demand of sustainability is continuously increasing. Therefore, thermoplastic
composites became a focus of research due to their good weight to performance
ratio. Nevertheless, the limiting factor of their usage for some processes is the loss of
consolidation during re-melting (deconsolidation), which reduces the part quality.
Several studies dealing with deconsolidation are available. These studies investigate
a single material and process, which limit their usefulness in terms of general
interpretations as well as their comparability to other studies. There are two main
approaches. The first approach identifies the internal void pressure as the main
cause of deconsolidation and the second approach identifies the fiber reinforcement
network as the main cause. Due to of their controversial results and limited variety of
materials and processes, there is a big need of a more comprehensive investigation
on several materials and processes.
This study investigates the deconsolidation behavior of 17 different materials and
material configurations considering commodity, engineering, and performance
polymers as well as a carbon and two glass fiber fabrics. Based on the first law of
thermodynamics, a deconsolidation model is proposed and verified by experiments.
Universal applicable input parameters are proposed for the prediction of
deconsolidation to minimize the required input measurements. The study revealed
that the fiber reinforcement network is the main cause of deconsolidation, especially
for fiber volume fractions higher than 48 %. The internal void pressure can promote
deconsolidation, when the specimen was recently manufactured. In other cases the
internal void pressure as well as the surface tension prevents deconsolidation.
During deconsolidation the polymer is displaced by the volume increase of the void.
The polymer flow damps the progress of deconsolidation because of the internal
friction of the polymer. The crystallinity and the thermal expansion lead to a
reversible thickness increase during deconsolidation. Moisture can highly accelerate
deconsolidation and can increase the thickness by several times because of the
vaporization of water. The model is also capable to predict reconsolidation under the
defined boundary condition of pressure, time, and specimen size. For high pressure
matrix squeeze out occur, which falsifies the accuracy of the model.The proposed model was applied to thermoforming, induction welding, and
thermoplastic tape placement. It is demonstrated that the load rate during
thermoforming is the critical factor of achieving complete reconsolidation. The
required load rate can be determined by the model and is dependent on the cooling
rate, the forming length, the extent of deconsolidation, the processing temperature,
and the final pressure. During induction welding deconsolidation can tremendously
occur because of the left moisture in the polymer at the molten state. The moisture
cannot fully diffuse out of the specimen during the faster heating. Therefore,
additional pressure is needed for complete reconsolidation than it would be for a dry
specimen. Deconsolidation is an issue for thermoplastic tape placement, too. It limits
the placement velocity because of insufficient cooling after compaction. If the
specimen after compaction is locally in a molten state, it deconsolidates and causes
residual stresses in the bond line, which decreases the interlaminar shear strength. It
can be concluded that the study gains new knowledge and helps to optimize these
processes by means of the developed model without a high number of required
measurements.
Aufgrund seiner guten spezifischen Festigkeit und Steifigkeit ist der
endlosfaserverstärkte Thermoplast ein hervorragender Leichtbauwerkstoff. Allerdings
kann es während des Wiederaufschmelzens durch Dekonsolidierung zu einem
Verlust der guten mechanischen Eigenschaften kommen, daher ist Dekonsolidierung
unerwünscht. In vielen Studien wurde die Dekonsolidierung mit unterschiedlichen
Ergebnissen untersucht. Dabei wurde meist ein Material und ein Prozess betrachtet.
Eine allgemeine Interpretation und die Vergleichbarkeit unter den Studien sind
dadurch nur begrenzt möglich. Aus der Literatur sind zwei Ansätze bekannt. Dem
ersten Ansatz liegt der Druckunterschied zwischen Poreninnendruck und
Umgebungsdruck als Hauptursache der Dekonsolidierung zu Grunde. Beim zweiten
Ansatz wird die Faserverstärkung als Hauptursache identifiziert. Aufgrund der
kontroversen Ergebnisse und der begrenzten Anzahl der Materialien und
Verarbeitungsverfahren, besteht die Notwendigkeit einer umfassenden Untersuchung
über mehrere Materialien und Prozesse. Diese Studie umfasst drei Polymere
(Polypropylen, Polycarbonat und Polyphenylensulfid), drei Gewebe (Köper, Atlas und
Unidirektional) und zwei Prozesse (Autoklav und Heißpressen) bei verschiedenen
Faservolumengehalten.
Es wurde der Einfluss des Porengehaltes auf die interlaminare Scherfestigkeit
untersucht. Aus der Literatur ist bekannt, dass die interlaminare Scherfestigkeit mit
der Zunahme des Porengehaltes linear sinkt. Dies konnte für die Dekonsolidierung
bestätigt werden. Die Reduktion der interlaminaren Scherfestigkeit für
thermoplastische Matrizes ist kleiner als für duroplastische Matrizes und liegt im
Bereich zwischen 0,5 % bis 1,5 % pro Prozent Porengehalt. Außerdem ist die
Abnahme signifikant vom Matrixpolymer abhängig.
Im Falle der thermisch induzierten Dekonsolidierung nimmt der Porengehalt
proportional zu der Dicke der Probe zu und ist ein Maß für die Dekonsolidierung. Die
Pore expandiert aufgrund der thermischen Gasexpansion und kann durch äußere
Kräfte zur Expansion gezwungen werden, was zu einem Unterdruck in der Pore
führt. Die Faserverstärkung ist die Hauptursache der Dickenzunahme
beziehungsweise der Dekonsolidierung. Die gespeicherte Energie, aufgebaut während der Kompaktierung, wird während der Dekonsolidierung abgegeben. Der
Dekompaktierungsdruck reicht von 0,02 MPa bis 0,15 MPa für die untersuchten
Gewebe und Faservolumengehalte. Die Oberflächenspannung behindert die
Porenexpansion, weil die Oberfläche vergrößert werden muss, die zusätzliche
Energie benötigt. Beim Kontakt von benachbarten Poren verursacht die
Oberflächenspannung ein Verschmelzen der Poren. Durch das bessere Volumen-
Oberfläche-Verhältnis wird Energie abgebaut. Der Polymerfluss bremst die
Entwicklung der Dickenzunahme aufgrund der erforderlichen Energie (innere
Reibung) der viskosen Strömung. Je höher die Temperatur ist, desto niedriger ist die
Viskosität des Polymers, wodurch weniger Energie für ein weiteres Porenwachstum
benötigt wird. Durch den reversiblen Einfluss der Kristallinität und der
Wärmeausdehnung des Verbundes wird während der Erwärmung die Dicke erhöht
und während der Abkühlung wieder verringert. Feuchtigkeit kann einen enormen
Einfluss auf die Dekonsolidierung haben. Ist noch Feuchtigkeit über der
Schmelztemperatur im Verbund vorhanden, verdampft diese und kann die Dicke um
ein Vielfaches der ursprünglichen Dicke vergrößern.
Das Dekonsolidierungsmodell ist in der Lage die Rekonsolidierung vorherzusagen.
Allerdings muss der Rekonsolidierungsdruck unter einem Grenzwert liegen
(0,15 MPa für 50x50 mm² und 1,5 MPa für 500x500 mm² große Proben), da es sonst
bei der Probe zu einem Polymerfluss aus der Probe von mehr als 2 % kommt. Die
Rekonsolidierung ist eine inverse Dekonsolidierung und weist die gleichen
Mechanismen in der entgegengesetzten Richtung auf.
Das entwickelte Modell basiert auf dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik und
kann die Dicke während der Dekonsolidierung und der Rekonsolidierung
vorhersagen. Dabei wurden eine homogene Porenverteilung und eine einheitliche,
kugelförmige Porengröße angenommen. Außerdem wurde die Massenerhaltung
angenommen. Um den Aufwand für die Bestimmung der Eingangsgrößen zu
reduzieren, wurden allgemein gültige Eingabeparameter bestimmt, die für eine
Vielzahl von Konfigurationen gelten. Das simulierte Materialverhalten mit den
allgemein gültigen Eingangsparametern erzielte unter den definierten
Einschränkungen eine gute Übereinstimmung mit dem tatsächlichen
Materialverhalten. Nur bei Konfigurationen mit einer Viskositätsdifferenz von mehr als 30 % zwischen der Schmelztemperatur und der Prozesstemperatur sind die
allgemein gültigen Eingangsparameter nicht anwendbar. Um die Relevanz für die
Industrie aufzuzeigen, wurden die Effekte der Dekonsolidierung für drei weitere
Verfahren simuliert. Es wurde gezeigt, dass die Kraftzunahmegeschwindigkeit
während des Thermoformens ein Schlüsselfaktor für eine vollständige
Rekonsolidierung ist. Wenn die Kraft zu langsam appliziert wird oder die finale Kraft
zu gering ist, ist die Probe bereits erstarrt, bevor eine vollständige Konsolidierung
erreicht werden kann. Auch beim Induktionsschweißen kann Dekonsolidierung
auftreten. Besonders die Feuchtigkeit kann zu einer starken Zunahme der
Dekonsolidierung führen, verursacht durch die sehr schnellen Heizraten von mehr als
100 K/min. Die Feuchtigkeit kann während der kurzen Aufheizphase nicht vollständig
aus dem Polymer ausdiffundieren, sodass die Feuchtigkeit beim Erreichen der
Schmelztemperatur in der Probe verdampft. Beim Tapelegen wird die
Ablegegeschwindigkeit durch die Dekonsolidierung begrenzt. Nach einer scheinbar
vollständigen Konsolidierung unter der Walze kann die Probe lokal dekonsolidieren,
wenn das Polymer unter der Oberfläche noch geschmolzen ist. Die daraus
resultierenden Poren reduzieren die interlaminare Scherfestigkeit drastisch um 5,8 %
pro Prozent Porengehalt für den untersuchten Fall. Ursache ist die Kristallisation in
der Verbindungszone. Dadurch werden Eigenspannungen erzeugt, die in der
gleichen Größenordnung wie die tatsächliche Scherfestigkeit sind.
Einfluss verschiedener Angussszenarien auf den Harzinjektionsprozess und dessen simulative Abbildung
(2014)
Die Herstellung von hochleistungs Kunststoff Verbunden für Strukturbauteile erfolgt
in der Automobilindustrie mittels Resin Transfer Molding (RTM), wobei die Kosten für
die Bauteile sehr hoch sind. Die Kosten müssen durch Prozessoptimierungen deutlich
reduziert werden, um eine breite Anwendung von faserverstärkten Kunststoff
Verbunde zu ermöglichen. Prozesssimulationen spielen hierbei eine entscheidende
Rolle, da zeitaufwendige und kostspielige Praxisversuche ersetzt werden können.
Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit die Potentiale der simulativen Abbbildung
des RTM-Prozesses untersucht. Basis der Simulationen bildete eine umfangreiche
Materialparameterstudie bei der die Permeabilität, von für die Automobilindustrie relevanten
Textilhalbzeugen im ungescherten und gescherten Zustand, untersucht
wurde. Somit konnte der Einfluss von Drapierung bei der Fließsimulation evaluiert
werden. Zudem wurde eine neue Methode zur Ermittlung der zeit-, vernetzungs- und
temperaturabhängigen Viskositätsverläufe von hochreaktiven Harzsystemen entwickelt
und angewendet. Die Fließsimulationsmethode wurde zunächst erfolgreich an
einem ebenen Plattenwerkzeug validiert, um zu zeigen, dass die ermittelten Materialparameter
korrekt bestimmt wurden.
Zur Validierung der Simulation wurde ein komplexes Technologieträgerwerkzeug
(TTW) entwickelt. Die Auslegung der Temperierung wurde mittels Temperiersimulationen
unterstützt. Untersuchungen an markanten Kantenbereichen, wie sie bei Automobilbauteilen
häufig auftreten, haben gezeigt, dass bei Kantenradien < 5 mm ein
Voreilen des Harzsystem zu beachten ist. Zudem konnte mittels verschiedener Angussleisten,
der Einfluss verschiedener Angussszenarien untersucht werden.
Mit Hilfe von Sensoren im TTW wurden die Prozessdaten protokolliert und anschließend
mit den Simulationen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die simulative
Abbildung des Füllprozesses bei einem komplexen RTM-Werkzeug, trotz einer Vielzahl
an Prozesseinflüssen, möglich ist. Die Abweichungen zwischen der Simulation
und dem Versuch lagen teilweise unter 15 %. Die Belastbarkeit der ermittelten Permeabilitäts-
und Viskositätswerte wurde dadurch nochmals bestätigt. Zudem zeigte
sich, dass die Angussleistenlänge einen signifikanten Einfluss auf die Prozesszeit
hat, wohingegen der Angussleistenquerschnitt eine untergeordnete Rolle spielt.
Bei der Herstellung hochbelasteter Strukturbauteile aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) wird verbreitet auf textile Halbzeuge wie Gewebe oder vernähte Biaxial-Gelege zurückgegrif-fen. Diese Halbzeuge zeigen im Verbund mit Kunststoffen periodische out-of-plane Roving-welligkeiten. Die Größe der Welligkeiten hängt unter anderem von den Fertigungsparametern der trockenen Halbzeuge ab. Durch das Verständnis der effektiven Kausalitäten zwischen Rovingwelligkeiten und mechanischem Verhalten soll eine bessere rechnerische Abschätzung der Materialkennwerte erzielt werden.
In dieser Arbeit wurde unter anderem der Einfluss der Welligkeitsparameter Amplitude und Wellenlänge auf die faserparallelen Kennwerte an unidirektional verstärkten Proben unter-sucht. Dafür wurden gezielt unterschiedliche Amplituden und Wellenlängen mit Hilfe von unidirektionalen Geweben in die Probekörper eingebracht. Der Einfluss der Rovingwelligkei-ten auf die Steifigkeiten war kleiner als auf die Festigkeiten. Bei Letzten war zu beobachten, dass die Druckfestigkeiten mehr von den Ondulationen beeinflusst wurden als die Zugfestig-keiten. Außerdem wurden die Welligkeiten und die mechanischen Kennwerte von textilen FKV-Geweben und -Gelegen bestimmt. Bei der Auswahl der untersuchten Halbzeuge war ein wichtiges Kriterium, dass diese auch in der Praxis Anwendung finden.
Im nächsten Schritt wurde ein vereinfachtes Finite-Elemente-Welligkeitsmodell entwickelt, welches es ermöglicht, die faserparallelen Kennwerte ohne zeit- und kostenintensive Materi-alversuche zu bestimmen. Speziell für Gewebe-Materialien mit großen Rovingwelligkeiten ist dieses Modell in der Lage, deutlich bessere Abschätzungen als vorhandene Methoden zu ge-ben. Weiterhin wurde auf dieser Basis ein Regressionsmodell für unidirektional verstärkte Materialien abgeleitet, welches auch dem Konstrukteur ohne Erfahrungen im Umgang mit Finiten-Elemente-Programmen die Anwendung des Welligkeitsmodells ermöglicht.
Der Vorteil des entwickelten Welligkeitsmodells wurde in einem dreistufigen Validierungs-programm nachgewiesen. Dieses beinhaltet den Übergang auf multidirektionale Laminate sowie komplexere Bauteilgeometrien. Die verbesserte Prognose mit Hilfe des Welligkeitsmo-dells zeigte sich vor allem bei Materialien mit großen Rovingwelligkeiten und bei Bauteilen die aufgrund eines Faserbruchs durch eine Druckbelastung versagten.
In recent years the field of polymer tribology experienced a tremendous development
leading to an increased demand for highly sophisticated in-situ measurement methods.
Therefore, advanced measurement techniques were developed and established
in this study. Innovative approaches based on dynamic thermocouple, resistive electrical
conductivity, and confocal distance measurement methods were developed in
order to in-situ characterize both the temperature at sliding interfaces and real contact
area, and furthermore the thickness of transfer films. Although dynamic thermocouple
and real contact area measurement techniques were already used in similar
applications for metallic sliding pairs, comprehensive modifications were necessary to
meet the specific demands and characteristics of polymers and composites since
they have significantly different thermal conductivities and contact kinematics. By using
tribologically optimized PEEK compounds as reference a new measurement and
calculation model for the dynamic thermocouple method was set up. This method
allows the determination of hot spot temperatures for PEEK compounds, and it was
found that they can reach up to 1000 °C in case of short carbon fibers present in the
polymer. With regard to the non-isotropic characteristics of the polymer compound,
the contact situation between short carbon fibers and steel counterbody could be
successfully monitored by applying a resistive measurement method for the real contact
area determination. Temperature compensation approaches were investigated
for the transfer film layer thickness determination, resulting in in-situ measurements
with a resolution of ~0.1 μm. In addition to a successful implementation of the measurement
systems, failure mechanism processes were clarified for the PEEK compound
used. For the first time in polymer tribology the behavior of the most interesting
system parameters could be monitored simultaneously under increasing load
conditions. It showed an increasing friction coefficient, wear rate, transfer film layer
thickness, and specimen overall temperature when frictional energy exceeded the
thermal transport capabilities of the specimen. In contrast, the real contact area between
short carbon fibers and steel decreased due to the separation effect caused by
the transfer film layer. Since the sliding contact was more and more matrix dominated,
the hot spot temperatures on the fibers dropped, too. The results of this failure
mechanism investigation already demonstrate the opportunities which the new
measurement techniques provide for a deeper understanding of tribological processes,
enabling improvements in material composition and application design.
Zur Herstellung von Kolbenbeschichtungen wird oft Polyamidimid (PAI)-Harz eingesetzt.
Dieses Harz benötigt die Verwendung eines Lösungsmittels, welches das Auftragen der
PAI-basierten Beschichtungen ermöglicht und nach der Applikation wieder entzogen
wird. Als Standard zur Herstellung von Polyamidimid-Harzen wird das Lösungsmittel
N-Methyl-2-Pyrrolidone (NMP) verwendet. NMP hat sich im Laufe der Jahre als das am
besten geeigneten Lösungsmittel für diese Anwendung bewährt.
Im Jahr 2010 wurde NMP als toxisch eingestuft. Auch die mittlerweile verwendeten
alternativen Lösungsmittel, N-Ethyl-2-Pyrrolidon (NEP) und gamma-Butyrolacton (GBL),
bringen Schwierigkeiten mit sich: NEP wird aufgrund der Ähnlichkeit seiner chemischen
Struktur zu NMP aller Voraussicht nach in naher Zukunft auch als toxisch eingestuft, und
GBL, als Vorstufe eines Narkotikums, stellt eine Herausforderung mit Hinblick auf
Arbeitsschutz und –sicherheit dar.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines PAI-basierten
Beschichtungssystems, welches ein umweltfreundliches Lösungsmittel verwendet und
die Anforderungen zur Herstellung von Kolbenschaftbeschichtungen hinreichend gut
erfüllt. Desweiteren muss die neu entwickelte PAI-Beschichtung gute mechanische
Eigenschaften, gute Haftfestigkeit zum Kolbengrundmaterial und optimales
tribologisches Verhalten mit Augenmerk auf eine niedrige spezifische Verschleißrate
aufweisen. Diese Eigenschaften müssen nach Aushärtung bei einer Temperatur nicht
höher als 215 °C erfüllbar sein, welche in einem realen Beschichtungsprozess einen
problemlosen Ablauf sicherstellen würde.
Damit die erworbenen mechanischen und tribologischen Endeigenschaften der
hergestellten PAI-basierten Gleitlackbeschichtungen richtig verstanden und interpretiert
werden, wurden die Grundlagen der chemischen Struktur der PAI-Harze möglichst
detailliert untersucht. Diese geben einen tiefen Einblick in die vorliegenden Struktur-
Eigenschafts-Beziehungen und erklären das mechanische und tribologische Verhalten
der PAI-Harze. Eine grundlegende Untersuchung der chemischen Struktur ausgewählter PAI-Harze
ergab neue Erkenntnisse bezüglich deren Aushärtekinetik und gewährleistete die
Aufklärung der chemischen Prozesse, die während der PAI-Aushärtung ablaufen. In
diesem Zusammenhang wurde der Umsatz, die Reaktionsgeschwindigkeit und die
Vernetzungsdichte als Funktion verschiedener Aushärtetemperaturen ermittelt.
Es wurden PAI-Beschichtungssysteme basiert auf verschiedenen Lösungsmittel, wie
z.B. 1,3-Dimethyl-3,4,5,6-tetrahydro-2(1H)-pyrimidinon (DMPU), 1,3-Dimethyl-2-
imidazolidinon (DMEU) und 1-Methylimidazol (MI), tribologisch und mechanisch
analysiert und den NMP-, NEP- und GBL-basierten Systemen gegenüber gestellt.
Aufgrund der zahlreichen Versuche konnte festgestellt werden, dass das Lösungsmittel
1-Methylimidazol die gestellten tribologischen Anforderungen, sogar schon bei der für
eine Kolbenschaftbeschichtung maximal zulässigen Aushärtetemperatur (215 °C), am
besten erfüllt.
Die Untersuchungen der chemischen Struktur und der Aushärtekinetik ergaben die
Ursache für diese guten finalen Eigenschaften des PAI-MI-Harzsystems. Dabei wurde
festgestellt, dass 1-Methylimidazol die Imidisierungsreaktion von PAI katalysiert, so dass
die Aushärtereaktion bei niedriger Aushärtetemperatur vollständiger und mit höherer
Reaktionsrate im Vergleich zu konventionellen PAI-Harzen verläuft. Aufgrund der
Bildung von Wasserstoffbrücken-Bindungen zeigte das PAI-MI-Harz bei einer
Aushärtung mit Endtemperatur 215 °C eine doppelt so hohe Steifigkeit im Vergleich zu
konventionellen Harzsystemen.
Weiterhin ergab die tribologische Versuchsreihe, dass die Zugabe von
aminofunktionalisierten TiO2-Submikropartikeln, kombiniert mit gemahlenen kurzen
Kohlenstofffasern, die tribologischen Eigenschaften von PAI-basierten Beschichtungssystemen
in Motortests signifikant verbesserte. Die Aminofunktionalisierung der TiO2-
Submikropartikel verbesserte deren Anbindung an die aminhaltige PAI-Matrix. Die
gemahlenen kurzen Kohlenstofffasern gewährleisteten eine Minimierung der
Schwierigkeiten beim Siebdruckprozess.
Lokal lastgerecht verstärkte Multimaterialsysteme auf Basis von Polypropylen-Polypropylen-Hybriden
(2014)
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Prozess entwickelt, zur Realisierung lokal, lastgerecht
verstärkter Thermoplast-Hybridbauteile im Einsatzgebiet struktureller Anwendungen
im Automobilbereich. Hierzu wurde effektiv ein formgebender Schritt für
gewebeverstärkte Halbzeuge mit dem in-situ Tapelegeverfahren zur Aufbringung unidirektional
endlos faserverstärkter Bändchenmaterialien kombiniert.
Die durch die symbiotische Ausnutzung der Vorzüge der beiden Verfahren in Kombination
mit Sandwichbauweise realisierten Bauteile, zeichnen sich einerseits durch
eine Reduktion des Gesamtgewichts aus und weisen andererseits ein weit höheres
mechanisches Eigenschaftsprofil auf, als mit rein singulären Prozessschritten möglich
ist.
Im Rahmen des ganzheitlichen Prozessansatz wurden, ausgehend von einer experimentellen
und theoretischen Ermittlung, optimale Prozessparameter für das in-situ
Tapelegeverfahren in Bezug auf die interlaminare Risszähigkeit zwischen den Materialpartnern,
die Grenzschichtgüte beeinflussende Vorgänge ermittelt und diskutiert.
Es konnte gezeigt werden, dass durch die gewählte Prozesskombination deutlich erhöhte
Energiefreisetzungsraten realisiert werden können, verglichen mit Proben,
welche im Autoklav hergestellt wurden. Im Rahmen umfangreicher mechanischen
Charakterisierungsreihen konnte direkter Einfluss der unidirektionalen Verstärkungslagen
auf das mechanische Eigenschaftsprofil der Multimaterialsysteme nachgewiesen
werden. Darüberhinaus wurde das Hybridsystem erfolgreich in einer FESimulation
abgebildet und validiert. Durch eine prozessbasierte, ökonomische Betrachtung
konnte der Prozessansatz gegenüber Konkurrenzverfahren abgegrenzt
und als kosteneffektiv bewertet werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen einen, sowohl unter mechanischen als auch
ökonomischen Gesichtspunkten, sinnvollen und geeigneten Prozess zur Realisierung
lokal verstärkter struktureller Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit inhomogener
Lastverteilung auf.
Gegenwärtig stellen die hohen Stückkosten das wesentliche Hemmnis für die Marktdurchdringung
endlosfaserverstärkter Bauteile dar. Das umfassende Ziel dieser
Arbeit war daher die Senkung der Prozesskosten durch die Steigerung der Prozessgeschwindigkeit.
Ansatzpunkt bildete der zeitintensive Imprägnierungsvorgang, welcher
durch die Verwendung einer in orthogonaler und planarer Richtung ablaufenden
2D-Imprägnierung optimiert wurde.
In der Analysephase wurden grundlegende Untersuchungen mit einer semi-kontinuierlich
arbeitenden Intervallheißpresse durchgeführt. Dabei zeigten sich komplexe
Wechselwirkungen zwischen inhomogenen Temperatureinstellungen, vorliegender
Druckverteilung, planarem Fließverhalten des Polymers und der resultierenden Imprägnierungsqualität.
Als vorteilhafte Prozessbedingung wurden Polymerfließvorgänge
in Richtung der offenen seitlichen und vorderen Werkzeugkante identifiziert,
welche durch die bei höheren Randtemperaturen vorliegende Druckverteilung begünstigt
werden. Mit einem eigens dafür entwickelten Presswerkzeug ist die prinzipielle
Vorteilhaftigkeit einer Kombination aus orthogonalem und planarem Polymerfließen
auf die Imprägnierungsgeschwindigkeit nachgewiesen worden. Die durchgeführte
Parameterstudie verdeutlicht das Potential durch die Verkürzung der Imprägnierungsdauer
um 33 %. Bei der Analyse der Druckprofile ist für den Übergangsbereich
von der Heiz- zur Kühlzone ein signifikanter Druckabfall festgestellt worden. Um
die dadurch bedingte Dekonsolidierung während der Solidifikation zu verhindern,
wurde ein an das Schwindungsverhalten des Laminats angepasstes Werkzeugdesign
für den Übergangsbereich entwickelt. Dadurch konnte die Reduktion des applizierten
Prozessdrucks verhindert und die Verschlechterung der Organoblechqualität
während der Abkühlung ausgeschlossen werden. Für die Modellierung des
Imprägnierungsvorgangs wurde das B-Faktor-Modell von Mayer durch die Integration
der vom Verarbeitungsdruck abhängigen Sättigungspermeabilität erweitert. Dadurch
wird die Abbildung von Prozessen mit nicht konstantem Prozessdruck ermöglicht.
Die Ergebnisse der Arbeit bilden die Grundlage für die effektive Prozessgestaltung
durch ein materialspezifisches Anlagendesign und die Wahl vorteilhafter Prozessparameter
von der Einzel- bis zur Serienproduktion.
This work presents a framework for the computation of complex geometries containing intersections of multiple patches with Reissner-Mindlin shell elements. The main objective is to provide an isogeometric finite element implementation which neither requires drilling rotation stabilization, nor user interaction to quantify the number of rotational degrees of freedom for every node. For this purpose, the following set of methods is presented. Control points with corresponding physical location are assigned to one common node for the finite element solution. A nodal basis system in every control point is defined, which ensures an exact interpolation of the director vector throughout the whole domain. A distinction criterion for the automatic quantification of rotational degrees of freedom for every node is presented. An isogeometric Reissner-Mindlin shell formulation is enhanced to handle geometries with kinks and allowing for arbitrary intersections of patches. The parametrization of adjacent patches along the interface has to be conforming. The shell formulation is derived from the continuum theory and uses a rotational update scheme for the current director vector. The nonlinear kinematic allows the computation of large deformations and large rotations. Two concepts for the description of rotations are presented. The first one uses an interpolation which is commonly used in standard Lagrange-based shell element formulations. The second scheme uses a more elaborate concept proposed by the authors in prior work, which increases the accuracy for arbitrary curved geometries. Numerical examples show the high accuracy and robustness of both concepts. The applicability of the proposed framework is demonstrated.
Obwohl das Zufußgehen die natürliche Fortbewegungsform des Menschen darstellt, spielte diese Mobilitätsform ab der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts eine zunehmend schwindende Rolle in der politischen Wahrnehmung und der Stadt- und Verkehrsplanung. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts wird im Zuge eines Paradigmenwechsel der Fußverkehr wieder von der Politik, der Planungspraxis aber auch von der Immobilienwirtschaft als ein wichtiger Baustein für eine nachhaltige Stadt- und Quartiersentwicklung angesehen. Hierbei wird der Nahmobilität, d.h. der fußläufigen Erreichbarkeit alltagsrelevanter Aktivitätsziele, eine wichtige Rolle beigemessen. Aus verkehrswissenschaftlicher Sicht bleibt bislang die Frage unbeantwortet, inwiefern das theoretische Konstrukt „Nahmobilität“ objektiv ermittelt werden kann. Aus immobilienwirtschaftlicher Sicht ist der Einfluss der Nahmobilität auf die Immobilienpreise von Wohnungen und Häusern in verschiedenen siedlungsstrukturellen Raumtypen von Interesse. Für die theoretische Konzeption eines Nahmobilitätsindikators werden nationale und international empirische Studien zum Fußgängerverhalten sowie Bewohner-, Makler- und Expertenbefragungen ausgewertet. Die praktische Umsetzung des Nahmobilitätsindikators erfolgt mithilfe eines Geographischen Informationssystems für die Städte Frankfurt, Köln und Wiesbaden. Damit können Bereiche mit einem hohen oder niedrigen Nahmobilitätspotential differenziert werden. Ergänzend wird eine Sozialraumanalyse zur Ableitung von vier siedlungsstrukturellen Raumtypen durchgeführt. Aus der Kombination von drei Nahmobilitätsniveau und vier Raumtypen können zwölf Gebietstypen abgeleitet werden, um den Einfluss der Nahmobilität auf Immobilienpreise differenziert analysieren zu können. Nach Herleitung des Angebotspreisfestsetzungsprozesses wird die ökonometrische Analyse mit dem Spatial Durbin Modell (SDM) und dem Ordinary Least Squares Modell (OLS-Modell) auf Stadtteil- und Stadtviertelebene durchgeführt. Die als ebenfalls relevant erachtete geografisch gewichtete Regression (GWR) wird aufgrund räumlicher Autokorrelation der Variablen nicht durchgeführt. Das SDM-Modell hat bei Wohnungen zum Ergebnis, dass Haushalte allgemein Standorte mit einem mittleren Nahmobilitätsniveau vorziehen, da an Standorten mit hohen Nahmobilitätswerten negative externe Effekte (z.B. Lärm) auftreten können. In urbanen Räumen werden niedrige Nahmobilitätswerte als Malus in suburbanen Räumen dagegen als Bonus angesehen. Beide Ergebnisse werden auf Basis von Bewohnerbefragungen plausibilisiert. Bei Häusern führen die ökonometrischen Analysen auf Stadtteil- und Stadtviertelebene zu gegensätzlichen Ergebnissen. Dies wird auf das Problem der veränderbaren Gebietseinheit zurückgeführt. Da auf Stadtviertelebene Gebietsabgrenzungen präziser möglich sind, werden diese als glaubwürdiger angesehen. Damit verbunden ist kein Einfluss der Nahmobilität auf Hauspreise festzustellen. Die Residuen des OLS-Modells weisen erwartungsgemäß eine räumliche Autokorrelation auf, weshalb die Schätzer nur bedingt interpretierbar sind.
A single facility problem in the plane is considered, where an optimal location has to be
identified for each of finitely many time-steps with respect to time-dependent weights and
demand points. It is shown that the median objective can be reduced to a special case of the
static multifacility median problem such that results from the latter can be used to tackle the
dynamic location problem. When using block norms as distance measure between facilities,
a Finite Dominating Set (FDS) is derived. For the special case with only two time-steps, the
resulting algorithm is analyzed with respect to its worst-case complexity. Due to the relation
between dynamic location problems for T time periods and T-facility problems, this algorithm
can also be applied to the static 2-facility location problem.
In automotive testrigs we apply load time series to components such that the outcome is as close as possible to some reference data. The testing procedure should in general be less expensive and at the same time take less time for testing. In my thesis, I propose a testrig damage optimization problem (WSDP). This approach improves upon the testrig stress optimization problem (TSOP) used as a state of the art by industry experts.
In both (TSOP) and (WSDP), we optimize the load time series for a given testrig configuration. As the name suggests, in (TSOP) the reference data is the stress time series. The detailed behaviour of the stresses as functions of time are sometimes not the most important topic. Instead the damage potential of the stress signals are considered. Since damage is not part of the objectives in the (TSOP) the total damage computed from the optimized load time series is not optimal with respect to the reference damage. Additionally, the load time series obtained is as long as the reference stress time series and the total damage computation needs cycle counting algorithms and Goodmann corrections. The use of cycle counting algorithms makes the computation of damage from load time series non-differentiable.
To overcome the issues discussed in the previous paragraph this thesis uses block loads for the load time series. Using of block loads makes the damage differentiable with respect to the load time series. Additionally, in some special cases it is shown that damage is convex when block loads are used and no cycle counting algorithms are required. Using load time series with block loads enables us to use damage in the objective function of the (WSDP).
During every iteration of the (WSDP), we have to find the maximum total damage over all plane angles. The first attempt at solving the (WSDP) uses discretization of the interval for plane angle to find the maximum total damage at each iteration. This is shown to give unreliable results and makes maximum total damage function non-differentiable with respect to the plane angle. To overcome this, damage function for a given surface stress tensor due to a block load is remodelled by Gaussian functions. The parameters for the new model are derived.
When we model the damage by Gaussian function, the total damage is computed as a sum of Gaussian functions. The plane with the maximum damage is similar to the modes of the Gaussian Mixture Models (GMM), the difference being that the Gaussian functions used in GMM are probability density functions which is not the case in the damage approximation presented in this work. We derive conditions for a single maximum for Gaussian functions, similar to the ones given for the unimodality of GMM by Aprausheva et al. in [1].
By using the conditions for a single maximum we give a clustering algorithm that merges the Gaussian functions in the sum as clusters. Each cluster obtained through clustering is such that it has a single maximum in the absence of other Gaussian functions of the sum. The approximate point of the maximum of each cluster is used as the starting point for a fixed point equation on the original damage function to get the actual maximum total damage at each iteration.
We implement the method for the (TSOP) and the two methods (with discretization and with clustering) for (WSDP) on two example problems. The results obtained from the (WSDP) using discretization is shown to be better than the results obtained from the (TSOP). Furthermore we show that, (WSDP) using clustering approach to finding the maximum total damage, takes less number of iterations and is more reliable than using discretization.
We consider the problem of finding efficient locations of surveillance cameras, where we distinguish
between two different problems. In the first, the whole area must be monitored and the number of cameras
should be as small as possible. In the second, the goal is to maximize the monitored area for a fixed number of
cameras. In both of these problems, restrictions on the ability of the cameras, like limited depth of view or range
of vision are taken into account. We present solution approaches for these problems and report on results of
their implementations applied to an authentic problem. We also consider a bicriteria problem with two objectives:
maximizing the monitored area and minimizing the number of cameras, and solve it for our study case.
We consider the problem of finding efficient locations of surveillance cameras, where we distinguish
between two different problems. In the first, the whole area must be monitored and the number of cameras
should be as small as possible. In the second, the goal is to maximize the monitored area for a fixed number of
cameras. In both of these problems, restrictions on the ability of the cameras, like limited depth of view or range
of vision are taken into account. We present solution approaches for these problems and report on results of
their implementations applied to an authentic problem. We also consider a bicriteria problem with two objectives:
maximizing the monitored area and minimizing the number of cameras, and solve it for our study case.
Embedded systems, ranging from very simple systems up to complex controllers, may
nowadays have quite challenging real-time requirements. Many embedded systems are reactive
systems that have to respond to environmental events and have to guarantee certain real-time
constrain. Their execution is usually divided into reaction steps, where in each step, the
system reads inputs from the environment and reacts to these by computing corresponding
outputs.
The synchronous Model of Computation (MoC) has proven to be well-suited for the
development of reactive real-time embedded systems whose paradigm directly reflects the
reactive nature of the systems it describes. Another advantage is the availability of formal
verification by model checking as a result of the deterministic execution based on a formal
semantics. Nevertheless, the increasing complexity of embedded systems requires to compensate
the natural disadvantages of model checking that suffers from the well-known state-space
explosion problem. It is therefore natural to try to integrate other verification methods with
the already established techniques. Hence, improvements to encounter these problems are
required, e.g., appropriate decomposition techniques, which encounter the disadvantages
of the model checking approach naturally. But defining decomposition techniques for synchronous
language is a difficult task, as a result of the inherent parallelism emerging from
the synchronous broadcast communication.
Inspired by the progress in the field of desynchronization of synchronous systems by
representing them in other MoCs, this work will investigate the possibility of adapting and use
methods and tools designed for other MoC for the verification of systems represented in the
synchronous MoC. Therefore, this work introduces the interactive verification of synchronous
systems based on the basic foundation of formal verification for sequential programs – the
Hoare calculus. Due to the different models of computation several problems have to be
solved. In particular due to the large amount of concurrency, several parts of the program
are active at the same point of time. In contrast to sequential programs, a decomposition
in the Hoare-logic style that is in some sense a symbolic execution from one control flow
location to another one requires the consideration of several flows here. Therefore, different
approaches for the interactive verification of synchronous systems are presented.
Additionally, the representation of synchronous systems by other MoCs and the influence
of the representation on the verification task by differently embedding synchronous system
in a single verification tool are elaborated.
The feasibility is shown by integration of the presented approach with the established
model checking methods by implementing the AIFProver on top of the Averest system.
Test rig optimization
(2014)
Designing good test rigs for fatigue life tests is a common task in the auto-
motive industry. The problem to find an optimal test rig configuration and
actuator load signals can be formulated as a mathematical program. We in-
troduce a new optimization model that includes multi-criteria, discrete and
continuous aspects. At the same time we manage to avoid the necessity to
deal with the rainflow-counting (RFC) method. RFC is an algorithm, which
extracts load cycles from an irregular time signal. As a mathematical func-
tion it is non-convex and non-differentiable and, hence, makes optimization
of the test rig intractable.
The block structure of the load signals is assumed from the beginning.
It highly reduces complexity of the problem without decreasing the feasible
set. Also, we optimize with respect to the actuators’ positions, which makes
it possible to take torques into account and thus extend the feasible set. As
a result, the new model gives significantly better results, compared with the
other approaches in the test rig optimization.
Under certain conditions, the non-convex test rig problem is a union of
convex problems on cones. Numerical methods for optimization usually need
constraints and a starting point. We describe an algorithm that detects each
cone and its interior point in a polynomial time.
The test rig problem belongs to the class of bilevel programs. For every
instance of the state vector, the sum of functions has to be maximized. We
propose a new branch and bound technique that uses local maxima of every
summand.
Congress Report 2014.11-12
(2014)
In this thesis, we combine Groebner basis with SAT Solver in different manners.
Both SAT solvers and Groebner basis techniques have their own strength and weakness.
Combining them could fix their weakness.
The first combination is using Groebner techniques to learn additional binary clauses for SAT solver from a selection of clauses. This combination is first proposed by Zengler and Kuechlin.
However, in our experiments, about 80 percent Groebner basis computations give no new binary clauses.
By selecting smaller and more compact input for Groebner basis computations, we can significantly
reduce the number of inefficient Groebner basis computations, learn much more binary clauses. In addition,
the new strategy can reduce the solving time of a SAT Solver in general, especially for large and hard problems.
The second combination is using all-solution SAT solver and interpolation to compute Boolean Groebner bases of Boolean elimination ideals of a given ideal. Computing Boolean Groebner basis of the given ideal is an inefficient method in case we want to eliminate most of the variables from a big system of Boolean polynomials.
Therefore, we propose a more efficient approach to handle such cases.
In this approach, the given ideal is translated to the CNF formula. Then an all-solution SAT Solver is used to find the projection of all solutions of the given ideal. Finally, an algorithm, e.g. Buchberger-Moeller Algorithm, is used to associate the reduced Groebner basis to the projection.
We also optimize the Buchberger-Moeller Algorithm for lexicographical ordering and compare it with Brickenstein's interpolation algorithm.
Finally, we combine Groebner basis and abstraction techniques to the verification of some digital designs that contain complicated data paths.
For a given design, we construct an abstract model.
Then, we reformulate it as a system of polynomials in the ring \({\mathbb Z}_{2^k}[x_1,\dots,x_n]\).
The variables are ordered in a way such that the system has already been a Groebner basis w.r.t lexicographical monomial ordering.
Finally, the normal form is employed to prove the desired properties.
To evaluate our approach, we verify the global property of a multiplier and a FIR filter using the computer algebra system Singular. The result shows that our approach is much faster than the commercial verification tool from Onespin on these benchmarks.
Congress Report 2014.08-10
(2014)
‘Dioxin-like’ (DL) compounds occur ubiquitously in the environment. Toxic responses associated with specific dibenzo-p-dioxins (PCDDs), dibenzofurans (PCDFs), and polychlorinated biphenyls (PCBs) include dermal toxicity, immunotoxicity, liver toxicity, carcinogenicity, as well as adverse effects on reproduction, development, and endocrine functions. Most, if not all of these effects are believed to be due to interaction of these compounds with the aryl hydrocarbon receptor (AhR).
With tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) as representatively most potent congener, a toxic equivalency factor (TEF) concept was employed, in which respective congeners were assigned to a certain TEF-value reflecting the compound’s toxicity relative to TCDD’s.
The EU-project ‘SYSTEQ’ aimed to develop, validate, and implement human systemic TEFs as indicators of toxicity for DL-congeners. Hence, the identification of novel quantifiable biomarkers of exposure was a major objective of the SYSTEQ project.
In order to approach to this objective, a mouse whole genome microarray analysis was applied using a set of seven individual congeners, termed the ‘core congeners’. These core congeners (TCDD, 1-PeCDD, 4-PeCDF, PCB 126, PCB 118, PCB 156, and the non dioxin-like PCB 153), which contribute to approximately 90% of toxic equivalents (TEQs) in the human food chain, were further tested in vivo as well as in vitro. The mouse whole genome microarray revealed a conserved list of differentially regulated genes and pathways associated with ‘dioxin-like’ effects.
A definite data-set of in vitro studies was supposed to function as a fundament for a probable establishment of novel TEFs. Thus, CYP1A induction measured by EROD activity, which represents a sensitive and yet best known marker for dioxin-like effects, was used to estimate potency and efficacy of selected congeners. For this study, primary rat hepatocytes and the rat hepatoma cell line H4IIE were used as well as the core congeners and an additional group of compounds of comparable relevance for the environment: 1,6-HxCDD, 1,4,6-HpCDD, TCDF, 1,4-HxCDF, 1,4,6-HpCDF, PCB 77, and PCB 105.
Besides, a human whole genome microarray experiment was applied in order to gain knowledge with respect to TCDD’s impact towards cells of the immune system. Hence, human primary blood mononuclear cells (PBMCs) were isolated from individuals and exposed to TCDD or to TCDD in combination with a stimulus (lipopolysaccharide (LPS), or phytohemagglutinin (PHA)). A few members of the AhR-gene batterie were found to be regulated, and minor data with respect to potential TCDD-mediated immunomodulatory effects were given. Still, obtained data in this regard was limited due to great inter-individual differences.
We consider a network flow problem, where the outgoing flow is reduced by a certain percentage in each node. Given a maximum amount of flow that can leave the source node, the aim is to find a solution that maximizes the amount of flow which arrives at the sink.
Starting from this basic model, we include two new, additional aspects: On the one hand, we are able to reduce the loss at some of the nodes; on the other hand, the exact loss values are not known, but may come from a discrete uncertainty set of exponential size.
Applications for problems of this type can be found in evacuation planning, where one would like to improve the safety of nodes such that the number of evacuees reaching safety is maximized.
We formulate the resulting robust flow problem with losses and improvability as a mixed-integer program for finitely many scenarios, and present an iterative scenario-generation procedure that avoids the inclusion of all scenarios from the beginning. In a computational study using both randomly generated instance and realistic data based on the city of Nice, France, we compare our solution algorithms.
In the presented work, I evaluate if and how Virtual Reality (VR) technologies can be used to support researchers working in the geosciences by providing immersive, collaborative visualization systems as well as virtual tools for data analysis. Technical challenges encountered in the development of theses systems are identified and solutions for these are provided.
To enable geologists to explore large digital terrain models (DTMs) in an immersive, explorative fashion within a VR environment, a suitable terrain rendering algorithm is required. For realistic perception of planetary curvature at large viewer altitudes, spherical rendering of the surface is necessary. Furthermore, rendering must sustain interactive frame rates of about 30 frames per second to avoid sensory confusion of the user. At the same time, the data structures used for visualization should also be suitable for efficiently computing spatial properties such as height profiles or volumes in order to implement virtual analysis tools. To address these requirements, I have developed a novel terrain rendering algorithm based on tiled quadtree hierarchies using the HEALPix parametrization of a sphere. For evaluation purposes, the system is applied to a 500 GiB dataset representing the surface of Mars.
Considering the current development of inexpensive remote surveillance equipment such as quadcopters, it seems inevitable that these devices will play a major role in future disaster management applications. Virtual reality installations in disaster management headquarters which provide an immersive visualization of near-live, three-dimensional situational data could then be a valuable asset for rapid, collaborative decision making. Most terrain visualization algorithms, however, require a computationally expensive pre-processing step to construct a terrain database.
To address this problem, I present an on-the-fly pre-processing system for cartographic data. The system consists of a frontend for rendering and interaction as well as a distributed processing backend executing on a small cluster which produces tiled data in the format required by the frontend on demand. The backend employs a CUDA based algorithm on graphics cards to perform efficient conversion from cartographic standard projections to the HEALPix-based grid used by the frontend.
Measurement of spatial properties is an important step in quantifying geological phenomena. When performing these tasks in a VR environment, a suitable input device and abstraction for the interaction (a “virtual tool”) must be provided. This tool should enable the user to precisely select the location of the measurement even under a perspective projection. Furthermore, the measurement process should be accurate to the resolution of the data available and should not have a large impact on the frame rate in order to not violate interactivity requirements.
I have implemented virtual tools based on the HEALPix data structure for measurement of height profiles as well as volumes. For interaction, a ray-based picking metaphor was employed, using a virtual selection ray extending from the user’s hand holding a VR interaction device. To provide maximum accuracy, the algorithms access the quad-tree terrain database at the highest available resolution level while at the same time maintaining interactivity in rendering.
Geological faults are cracks in the earth’s crust along which a differential movement of rock volumes can be observed. Quantifying the direction and magnitude of such translations is an essential requirement in understanding earth’s geological history. For this purpose, geologists traditionally use maps in top-down projection which are cut (e.g. using image editing software) along the suspected fault trace. The two resulting pieces of the map are then translated in parallel against each other until surface features which have been cut by the fault motion come back into alignment. The amount of translation applied is then used as a hypothesis for the magnitude of the fault action. In the scope of this work it is shown, however, that performing this study in a top-down perspective can lead to the acceptance of faulty reconstructions, since the three-dimensional structure of topography is not considered.
To address this problem, I present a novel terrain deformation algorithm which allows the user to trace a fault line directly within a 3D terrain visualization system and interactively deform the terrain model while inspecting the resulting reconstruction from arbitrary perspectives. I demonstrate that the application of 3D visualization allows for a more informed interpretation of fault reconstruction hypotheses. The algorithm is implemented on graphics cards and performs real-time geometric deformation of the terrain model, guaranteeing interactivity with respect to all parameters.
Paleoceanography is the study of the prehistoric evolution of the ocean. One of the key data sources used in this research are coring experiments which provide point samples of layered sediment depositions at the ocean floor. The samples obtained in these experiments document the time-varying sediment concentrations within the ocean water at the point of measurement. The task of recovering the ocean flow patterns based on these deposition records is a challenging inverse numerical problem, however.
To support domain scientists working on this problem, I have developed a VR visualization tool to aid in the verification of model parameters by providing simultaneous visualization of experimental data from coring as well as the resulting predicted flow field obtained from numerical simulation. Earth is visualized as a globe in the VR environment with coring data being presented using a billboard rendering technique while the
time-variant flow field is indicated using Line-Integral-Convolution (LIC). To study individual sediment transport pathways and their correlation with the depositional record, interactive particle injection and real-time advection is supported.
We consider two major topics in this thesis: spatial domain partitioning which serves as a framework to simulate creep flows in representative volume elements.
First, we introduce a novel multi-dimensional space partitioning method. A new type of tree combines the advantages of the Octree and the KD-tree without having their disadvantages. We present a new data structure allowing local refinement, parallelization and proper restriction of transition ratios between nodes. Our technique has no dimensional restrictions at all. The tree's data structure is defined by a topological algebra based on the symbols \( A = \{ L, I, R \} \) that encode the partitioning steps. The set of successors is restricted such that each node has the partition of unity property to partition domains without overlap. With our method it is possible to construct a wide choice of spline spaces to compress or reconstruct scientific data such as pressure and velocity fields and multidimensional images. We present a generator function to build a tree that represents a voxel geometry. The space partitioning system is used as a framework to allow numerical computations. This work is triggered by the problem of representing, in a numerically appropriate way, huge three-dimensional voxel geometries that could have up to billions of voxels. These large datasets occure in situations where it is needed to deal with large representative volume elements (REV).
Second, we introduce a novel approach of variable arrangement for pressure and velocity to solve the Stokes equations. The basic idea of our method is to arrange variables in a way such that each cell is able to satisfy a given physical law independently from its neighbor cells. This is done by splitting velocity values to a left and right converging component. For each cell we can set up a small linear system that describes the momentum and mass conservation equations. This formulation allows to use the Gauß-Seidel algorithm to solve the global linear system. Our tree structure is used for spatial partitioning of the geometry and provides a proper initial guess. In addition, we introduce a method that uses the actual velocity field to refine the tree and improve the numerical accuracy where it is needed. We developed a novel approach rather than using existing approaches such as the SIMPLE algorithm, Lattice-Boltzmann methods or Exlicit jump methods since they are suited for regular grid structures. Other standard CFD approaches extract surfaces and creates tetrahedral meshes to solve on unstructured grids thus can not be applied to our datastructure. The discretization converges to the analytical solution with respect to grid refinement. We conclude a high strength in computational time and memory for high porosity geometries and a high strength in memory requirement for low porosity geometries.
Due to the increasing number of natural or man-made disasters, the application of operations research methods in evacuation planning has seen a rising interest in the research community. From the beginning, evacuation planning has been highly focused on car-based evacuation. Recently, also the evacuation of transit depended evacuees with the help of buses has been considered.
In this case study, we apply two such models and solution algorithms to evacuate a core part of the metropolitan capital city Kathmandu of Nepal as a hypothetical endangered region, where a large part of population is transit dependent. We discuss the computational results for evacuation time under a broad range of possible scenarios, and derive planning suggestions for practitioners.
Multilevel Constructions
(2014)
The thesis consists of the two chapters.
The first chapter is addressed to make a deep investigation of the MLMC method. In particular we take an optimisation view at the estimate. Rather than fixing the number of discretisation points \(n_i\) to be a geometric sequence, we are trying to find an optimal set up for \(n_i\) such that for a fixed error the estimate can be computed within a minimal time.
In the second chapter we propose to enhance the MLMC estimate with the weak extrapolation technique. This technique helps to improve order of a weak convergence of a scheme and as a result reduce CC of an estimate. In particular we study high order weak extrapolation approach, which is know not be inefficient in the standard settings. However, a combination of the MLMC and the weak extrapolation yields an improvement of the MLMC.
The classic approach in robust optimization is to optimize the solution with respect to the worst case scenario. This pessimistic approach yields solutions that perform best if the worst scenario happens, but also usually perform bad on average. A solution that optimizes the average performance on the other hand lacks in worst-case performance guarantee.
In practice it is important to find a good compromise between these two solutions. We propose to deal with this problem by considering it from a bicriteria perspective. The Pareto curve of the bicriteria problem visualizes exactly how costly it is to ensure robustness and helps to choose the solution with the best balance between expected and guaranteed performance.
Building upon a theoretical observation on the structure of Pareto solutions for problems with polyhedral feasible sets, we present a column generation approach that requires no direct solution of the computationally expensive worst-case problem. In computational experiments we demonstrate the effectivity of both the proposed algorithm, and the bicriteria perspective in general.
Optical character recognition (OCR) of machine printed text is ubiquitously considered as a solved problem. However, error free OCR of degraded (broken and merged) and noisy text is still challenging for modern OCR systems. OCR of degraded text with high accuracy is very important due to many applications in business, industry and large scale document digitization projects. This thesis presents a new OCR method for degraded
text recognition by introducing a combined ANN/HMM OCR approach. The approach
provides significantly better performance in comparison with state-of-the-art HMM based OCR methods and existing open source OCR systems. In addition, the thesis introduces novel applications of ANNs and HMMs for document image preprocessing and recognition of low resolution text. Furthermore, the thesis provides psychophysical experiments to determine the effect of letter permutation in visual word recognition of Latin and Cursive
script languages.
HMMs and ANNs are widely employed pattern recognition paradigms and have been
used in numerous pattern classification problems. This work presents a simple and novel method for combining the HMMs and ANNs in application to segmentation free OCR of degraded text. HMMs and ANNs are powerful pattern recognition strategies and their combination is interesting to improve current state-of-the-art research in OCR. Mostly, previous attempts in combining the HMMs and ANNs were focused on applying ANNs
as approximation of the probability density function or as a neural vector quantizer for HMMs. These methods either require combined NN/HMM training criteria [ECBG-MZM11] or they use complex neural network architecture like time delay or space displacement neural networks [BLNB95]. However, in this work neural networks are used as discriminative feature extractor, in combination with novel text line scanning mechanism, to extract discriminative features from unsegmented text lines. The features are
processed by HMMs to provide segmentation free text line recognition. The ANN/HMM modules are trained separately on a common dataset by using standard machine learning procedures. The proposed ANN/HMM OCR system also realizes to some extent several cognitive reading based strategies during the OCR. On a dataset of 1,060 degraded text lines extracted from the widely used UNLV-ISRI benchmark database [TNBC99], the presented system achieves a 30% reduction in error rate as compared to Google’s Tesseract OCR system [Smi13] and 43% reduction in error as compared to OCRopus OCR system [Bre08], which are the best open source OCR systems available today.
In addition, this thesis introduces new applications of HMMs and ANNs in OCR and document images preprocessing. First, an HMMs-based segmentation free OCR approach is presented for recognition of low resolution text. OCR of low resolution text is quite important due to presence of low resolution text in screen-shots, web images and video captions. OCR of low resolution text is challenging because of antialiased rendering and use of very small font size. The characters in low resolution text are usually joined to each other and they may appear differently at different locations on computer screen. This
work presents the use of HMMs in optical recognition of low resolution isolated characters and text lines. The evaluation of the proposed method shows that HMMs-based OCR techniques works quite well and reaches the performance of specialized approaches for OCR of low resolution text.
Then, this thesis presents novel applications of ANNs for automatic script recognition and orientation detection. Script recognition determines the written script on the page for the application of an appropriate character recognition algorithm. Orientation detection detects and corrects the deviation of the document’s orientation angle from the horizontal direction. Both, script recognition and orientation detection, are important preprocessing steps in developing robust OCR systems. In this work, instead of extracting handcrafted features, convolutional neural networks are used to extract relevant discriminative features for each classification task. The proposed method resulted in more than 95% script recognition accuracy on various multi-script documents at connected component level
and 100% page orientation detection accuracy for Urdu documents.
Human reading is a nearly analogous cognitive process to OCR that involves decoding of printed symbols into meanings. Studying the cognitive reading behavior may help in building a robust machine reading strategy. This thesis presents a behavioral study that deals on how cognitive system works in visual recognition of words and permuted non-words. The objective of this study is to determine the impact of overall word shape
in visual word recognition process. The permutation is considered as a source of shape degradation and visual appearance of actual words can be distorted by changing the constituent letter positions inside the words. The study proposes a hypothesis that reading of words and permuted non-words are two distinct mental level processes, and people use
different strategies in handling permuted non-words as compared to normal words. The hypothesis is tested by conducting psychophysical experiments in visual recognition of words from orthographically different languages i.e. Urdu, German and English. Experimental data is analyzed using analysis of variance (ANOVA) and distribution free rank tests to determine significance differences in response time latencies for two classes of data. The results support the presented hypothesis and the findings are consistent with
the dual route theories of reading.
Geometric Programming is a useful tool with a wide range of applications in engineering. As in real-world problems input data is likely to be affected by uncertainty, Hsiung, Kim, and Boyd introduced robust geometric programming to include the uncertainty in the optimization process. They also developed a tractable approximation method to tackle this problem. Further, they pose the question whether there exists a tractable reformulation of their robust geometric programming model instead of only an approximation method. We give a negative answer to this question by showing that robust geometric programming is co-NP hard in its natural posynomial form.
This dissertation focuses on the evaluation of technical and environmental sustainability of water distribution systems based on scenario analysis. The decision support system is created to assist in the decision making-process and to visualize the results of the sustainability assessment for current and future populations and scenarios. First, a methodology is developed to assess the technical and environmental sustainability for the current and future water distribution system scenarios. Then, scenarios are produced to evaluate alternative solutions for the current water distribution system as well as future populations and water demand variations. Finally, a decision support system is proposed using a combination of several visualization approaches to increase the data readability and robustness for the sustainability evaluations of the water distribution system.
The technical sustainability of a water distribution system is measured using the sustainability index methodology which is based on the reliability, resiliency and vulnerability performance criteria. Hydraulic efficiency and water quality requirements are represented using the nodal pressure and water age parameters, respectively. The U.S. Environmental Protection Agency EPANET software is used to simulate hydraulic (i.e. nodal pressure) and water quality (i.e. water age) analysis in a case study. In addition, the environmental sustainability of a water network is evaluated using the “total fresh water use” and “total energy intensity” indicators. For each scenario, multi-criteria decision analysis is used to combine technical and environmental sustainability criteria for the study area.
The technical and environmental sustainability assessment methodology is first applied to the baseline scenario (i.e. the current water distribution system). Critical locations where hydraulic efficiency and water quality problems occur in the current system are identified. There are two major scenario options that are considered to increase the sustainability at these critical locations. These scenarios focus on creating alternative systems in order to test and verify the technical and environmental sustainability methodology rather than obtaining the best solution for the current and future water distribution systems. The first scenario is a traditional approach in order to increase the hydraulic efficiency and water quality. This scenario includes using additional network components such as booster pumps, valves etc. The second scenario is based on using reclaimed water supply to meet the non-potable water demand and fire flow. The fire flow simulation is specifically included in the sustainability assessment since regulations have significant impact on the urban water infrastructure design. Eliminating the fire flow need from potable water distribution systems would assist in saving fresh water resources as well as to reduce detention times.
The decision support system is created to visualize the results of each scenario and to effectively compare these results with each other. The EPANET software is a powerful tool used to conduct hydraulic and water quality analysis but for the decision support system purposes the visualization capabilities are limited. Therefore, in this dissertation, the hydraulic and water quality simulations are completed using EPANET software and the results for each scenario are visualized by combining several visualization techniques in order to provide a better data readability. The first technique introduced here is using small multiple maps instead of the animation technique to visualize the nodal pressure and water age parameters. This technique eliminates the change blindness and provides easy comparison of time steps. In addition, a procedure is proposed to aggregate the nodes along the edges in order to simplify the water network. A circle view technique is used to visualize two values of a single parameter (i.e. the nodal pressure or water age). The third approach is based on fitting the water network into a grid representation which assists in eliminating the irregular geographic distribution of the nodes and improves the visibility of each circle view. Finally, a prototype for an interactive decision support tool is proposed for the current population and water demand scenarios. Interactive tools enable analyzing of the aggregated nodes and provide information about the results of each of the current water distribution scenarios.
The sink location problem is a combination of network flow and location problems: From a given set of nodes in a flow network a minimum cost subset \(W\) has to be selected such that given supplies can be transported to the nodes in \(W\). In contrast to its counterpart, the source location problem which has already been studied in the literature, sinks have, in general, a limited capacity. Sink location has a decisive application in evacuation planning, where the supplies correspond to the number of evacuees and the sinks to emergency shelters.
We classify sink location problems according to capacities on shelter nodes, simultaneous or non-simultaneous flows, and single or multiple assignments of evacuee groups to shelters. Resulting combinations are interpreted in the evacuation context and analyzed with respect to their worst-case complexity status.
There are several approaches to tackle these problems: Generic solution methods for uncapacitated problems are based on source location and modifications of the network. In the capacitated case, for which source location cannot be applied, we suggest alternative approaches which work in the original network. It turns out that latter class algorithms are superior to the former ones. This is established in numerical tests including random data as well as real world data from the city of Kaiserslautern, Germany.
Das zinsoptimierte Schuldenmanagement hat zum Ziel, eine möglichst effiziente Abwägung zwischen den erwarteten Finanzierungskosten einerseits und den Risiken für den Staatshaushalt andererseits zu finden. Um sich diesem Spannungsfeld zu nähern, schlagen wir erstmals die Brücke zwischen den Problemstellungen des Schuldenmanagements und den Methoden der zeitkontinuierlichen, dynamischen Portfoliooptimierung.
Das Schlüsselelement ist dabei eine neue Metrik zur Messung der Finanzierungskosten, die Perpetualkosten. Diese spiegeln die durchschnittlichen zukünftigen Finanzierungskosten wider und beinhalten sowohl die bereits bekannten Zinszahlungen als auch die noch unbekannten Kosten für notwendige Anschlussfinanzierungen. Daher repräsentiert die Volatilität der Perpetualkosten auch das Risiko einer bestimmten Strategie; je langfristiger eine Finanzierung ist, desto kleiner ist die Schwankungsbreite der Perpetualkosten.
Die Perpetualkosten ergeben sich als Produkt aus dem Barwert eines Schuldenportfolios und aus der vom Portfolio unabhängigen Perpetualrate. Für die Modellierung des Barwertes greifen wir auf das aus der dynamischen Portfoliooptimierung bekannte Konzept eines selbstfinanzierenden Bondportfolios zurück, das hier auf einem mehrdimensionalen affin-linearen Zinsmodell basiert. Das Wachstum des Schuldenportfolios wird dabei durch die Einbeziehung des Primärüberschusses des Staates gebremst bzw. verhindert, indem wir diesen als externen Zufluss in das selbstfinanzierende Modell aufnehmen.
Wegen der Vielfältigkeit möglicher Finanzierungsinstrumente wählen wir nicht deren Wertanteile als Kontrollvariable, sondern kontrollieren die Sensitivitäten des Portfolios gegenüber verschiedenen Zinsbewegungen. Aus optimalen Sensitivitäten können in einem nachgelagerten Schritt dann optimale Wertanteile für verschiedenste Finanzierungsinstrumente abgeleitet werden. Beispielhaft demonstrieren wir dies mittels Rolling-Horizon-Bonds unterschiedlicher Laufzeit.
Schließlich lösen wir zwei Optimierungsprobleme mit Methoden der stochastischen Kontrolltheorie. Dabei wird stets der erwartete Nutzen der Perpetualkosten maximiert. Die Nutzenfunktionen sind jeweils an das Schuldenmanagement angepasst und zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass höhere Kosten mit einem niedrigeren Nutzen einhergehen. Im ersten Problem betrachten wir eine Potenznutzenfunktion mit konstanter relativer Risikoaversion, im zweiten wählen wir eine Nutzenfunktion, welche die Einhaltung einer vorgegebenen Schulden- bzw. Kostenobergrenze garantiert.
Elastische Klebverbindungen werden heute in der Praxis immer häufiger lastabtragend eingesetzt. Daher steigt auch die Nachfrage nach zuverlässigen Berechnungsmethoden und Beurteilungskriterien für diese Klebstoffe. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand von geeigneten Prüfmethoden, Werkstoffkennwerte für Werkstoffgesetze, die für FE-Berechnungen geeignet sind, zu bestimmen und diese zu überprüfen. Außerdem soll der Grenzzustand der Beanspruchbarkeit untersucht werden um einerseits bewerten zu können, bis zu welchem Beanspruchungszustand die verwendeten Werkstoffgesetze einsetzbar sind und andererseits um die Grenzbelastungen für diese Klebstoffe beurteilen zu können. In dieser Arbeit wurden zwei elastische Klebstoffe untersucht, einer auf Silikon und einer auf Polyurethanbasis. Die Ermittlung der Werkstoffkennwerte erfolgt an Normproben, die den Vorteil einer weiten Verbreitung und Reproduzierbarkeit bieten. Das Werkstoffverhalten wurde unter Zug-, Schub- und Druckbelastung untersucht. Dabei wurde die Belastungsgeschwindigkeit in allen Belastungsarten so gewählt, dass der Energieeintrag pro Volumen und Zeiteinheit für alle Belastungsarten gleich ist. Dies bietet den Vorteil, dass für alle Belastungsarten der gleiche energetische Zustand des Klebstoffes untersucht wird. Diese Untersuchungen bilden die Grundlage für die Bestimmung der Werkstoffkonstanten für Green’sche Werkstoffgesetzte. Diese haben sich für die Berechnung von elastomeren Werkstoffen bewährt. Die Kennwerte für diese Werkstoffgesetze wurden durch Methoden der Ausgleichsrechnung (Methode der kleinsten Quadrate) iterativ so bestimmt. Die Überprüfung der Kennwerte erfolgt anhand von Kopfzugproben. Diese geklebten Proben mit mehrachsigen Spannungszuständen zeigen eine Vielzahl von in der Praxis relevanten Spannungszuständen und damit besonders für die Überprüfung der Werkstoffgesetze geeignet. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Anhand dieser Probengeometrie werden auch der Grenzzustand der Beanspruchung und die hierfür maßgeblichen mechanischen Größen untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass die Formänderungsenergiedichte als Bewertungsgröße für den Grenzzustand und das Eintreten von Schädigungen im Werkstoff geeignet ist.
Die Region Saarland-Lothringen-Westpfalz zeichnet sich durch eine Jahrhunderte alte, gemeinsame Geschichte aus, in der dieser Landstrich nicht immer durch territoriale Grenzen getrennt war. Bereits die römischen Baumeister hinterließen Bauwerke von großer kulturhistorischer Relevanz, die die regionale Infrastruktur bis zum heutigen Tag prägen. Um dieses kulturell bedeutungsvolle Erbe auch weiterhin bewahren zu können sowie modernen Ingenieurbauwerken zu einer möglichst langen Lebensdauer zu verhelfen, muss der Zustand der Bausubstanz kontinuierlich geprüft bzw. überwacht werden.
Im Rahmen des durch das Programm INTERREG IV A-Großregion geförderten Projektes „CURe MODERN – Initiative moderne Bauwerksprüfung, Stadt- und Regionalplanung SMLPO“ wurde ein Netzwerk von spezialisierten Partnern aus den Regionen Saarland, Lothringen und Westpfalz aufgebaut, das zum grenzüberschreitenden Erfahrungsaustausch im Bereich zerstörungsfreier Prüfverfahren im Bauwesen und der Stadt- und Regionalplanung beiträgt.
Geoweb‐Werkzeuge als Monitoringmaßnahmen im grenzüberschreitenden Raum Saarland - Lothringen
(2014)
Im Rahmen dieser Arbeit wird dargestellt, welches Potential von neuen und innovativen technischen Lösungen für grenzüberschreitende raumplanerische Fragestellungen erreicht werden kann. Der Betrachtungsfokus dieser Arbeit liegt auf genau dieser Schnittstelle und versucht, die sich daraus ergebenden Vorteile aufzuzeigen. Neben dem Ziel einer Einführung und Anwendung von zerstörungsfreien Prüfsystemen, hat das von INTERREG IVa geförderte Projekt CURe MODERN unter anderem das Ziel der Erstellung einer sog. Kulturdatenbank. Dabei werden exemplarisch die Möglichkeiten von 3D-Visualisierungen als Kommunikationsmittel sowie einer Open Source basierten Datenbank aufgezeigt, welche die grenzüberschreitenden Planungen unterstützen und abstimmen soll. Durch die Konzeption und Erstellung einer WebGIS Plattform wird eine grenzüberschreitende Kulturdatenbank für das Projekt CURe MODERN erstellt. Die WebGIS Plattform ermöglicht es dem Anwender neue Untersuchungsobjekte sowie die dazugehörigen Untersuchungen zu erstellen und zu verwalten. Die so zusammengeführten Informationen und Untersuchungsergebnisse können sowohl der internen Kommunikation als auch der Präsentation und Vermittlung von notwendigen Handlungsmaßnahmen kommunalen Entscheidungsträgern gegenüber dienen und stellen somit die Grundlage für ein Infrastruktur- und Baukulturmonitoringsystem dar.
Bund, Länder und Gemeinden in der Bundesrepublik Deutschland verfügen über ein Straßennetz mit insgesamt etwa 106.000 Straßenbrücken. Aufgrund des zunehmend schlechteren Bauwerkszustandes und infolge steigender Anforderungen durch höhere Verkehrsbelastung entsteht Handlungsbedarf an den Brückenbauwerken. Dazu wurde vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung eine einheitliche Strategie entwickelt, nach der die Bausubstanz zu bewerten und Entscheidungen über Ertüchtigung oder Ersatzneubau getroffen werden können. Das Ergebnis der Bestandsaufnahme für Bundesfernstraßen und kommunale Brücken sowie die Problemstellungen aus konstruktiver Sicht werden dargestellt. Das Vorgehen zur Festlegung der Prioritäten bezüglich der Bearbeitung wird erläutert und erste Ergebnisse der Nachrechnungen dargestellt. An zwei Beispielen werden Alternativen von Koppelfugensanierungen bzw. dem erforderlichen Neubau einer Brücke infolge Korrosionsschäden an Vertikalvorspannung erläutert.
Der Eurodistrict SaarMoselle hat sich zum Ziel gesetzt, eine funktionierende grenzüberschreitende Agglomeration zu entwickeln. Der Raum SaarMoselle wird sich jedoch nur weiterentwickeln können, wenn die Hindernisse, die auf Grund der Grenze in verschiedenen Bereichen noch existieren, überwunden werden. Zu den Problembereichen oder Herausforderungen gehört das Thema grenzüberschreitender ÖPNV. Es ist nämlich festzustellen, dass der ÖPNV auf grenzüberschreitender Ebene nur sehr geringfügig genutzt wird. Der Vortrag beleuchtet einen Teil der Gründe für die aktuelle Situation, stellt aber auch die Errungenschaften des grenzüberschreitenden ÖPNV sowie zwei Projekte mit großer Tragweite vor.
Die Brücke von Rosbrück ist ein Bauwerk aus Spannbeton, das vom Departement Moselle verwaltet wird. Da sie schon 1952 gebaut wurde, weist sie mehrere Spannkabel auf, die offensichtlich rissig oder brüchig sind. Diese Schädigungen stellen die Tragfähigkeit des Bauwerks in Frage.
Es erschien daher notwendig, den Zustand der Kabel im Inneren der Träger zu überprüfen. Im Vorfeld der Kontrolle mittels der MFL-Methode (Magnetic Flux Leakage) wurde deren Position im Verhältnis zu den Ausführungsebenen überprüft. Da diese Überprüfung schlüssig war, wurden dann die MFL-Messungen an einem der Träger des Bauwerks durchgeführt. Die Ergebnisse sind beweiskräftig und es wurden keine Mängel nachgewiesen. In der Folge erscheint es nötig, die Überprüfung (Auskultation) auf geschädigte Bereiche auszudehnen.
Der Betrieb von Autobahn-Straßenbauwerken soll den ständigen Verkehrsfluss unter guten Sicherheitsbedingungen und unter Berücksichtigung der Benutzerfreundlichkeit gewährleisten.
Hierzu werden die entsprechenden Bauwerke gewartet und in gutem Zustand erhalten, sodass sie ihren Zweck zu jedem Zeitpunkt optimal erfüllen.
Damit dieses Ziel erreicht werden kann, braucht es eine langfristige Sicht der Dinge und eine organisierte Verwaltung der Bauüberwachung sowie der durchzuführenden Arbeiten. Dabei müssen die notwendigen Maßnahmen so ausgeführt werden, dass möglichst geringe Beeinträchtigungen für die Nutzer entstehen.
Somit muss unbedingt eine entsprechende Vorgehensweise im Hinblick auf die Ingenieurbauwerke festgelegt werden, sodass den unterschiedlichen Akteuren ein langfristiger strategischer und finanzieller Plan zur Verfügung steht, der es ihnen erlaubt, die entsprechenden Maßnahmen unter möglichst geringem technischen und somit finanziellen Risiko umzusetzen und vor allem die Instandhaltung als präventive statt als kurative Aufgabe zu begreifen. Wenn es keine entsprechende Politik gibt, so sehen sich die Verantwortlichen der Aufgabe gegenüber gestellt, in Dringlichkeitsfällen Ad-Hoc Entscheidungen zu fällen, was zu technischen und finanziellen Unwägbarkeiten führt. Gleichzeitig bestehen natürlich die Risiken, die mit der Substanz des Bauwerks selbst und mit seiner Alterung einhergehen, weiterhin. Es gilt, dass „vorbeugen besser als heilen“ ist, auch im technischen Bereich. Auch wenn das Risiko nicht vollständig beherrscht wird, so ist es doch wichtig, dass es bekannt ist und dass entsprechend gehandelt wird.
Für Verantwortliche im Finanzbereich und aus der Politik hat der Faktor Zeit nicht die gleiche Bedeutung wie für die Betreiber. Dennoch müssen die unterschiedlichen Akteure unbedingt zu einer klaren Übereinkunft bezüglich der gemeinsamen Instandhaltungs-Strategie kommen und diese dann auch einhalten! Bei eventuellen Unstimmigkeiten müssen Entscheidungen sorgfältig abgewogen werden, unter Berücksichtigung der technischen und finanziellen Konsequenzen die sich für die Zukunft ergeben können, ohne das Risiko für Schadensereignisse außer Acht zu lassen. Leider erweisen sich Schadensfälle als wichtige Hebel im Budget, stehen sie doch zunächst für das
2
Scheitern eines Betriebs, der auf Prävention ausgerichtet ist. Oder anders gesagt, eine solche extreme Situation sollte nicht zur politischen Strategie werden.
Die Vorstellung der allgemeinen Politik der Gruppe Sanef mit praktischen Beispielen (die Praxis sollte man nie aus den Augen verlieren!) soll einem Erfahrungsbericht entsprechen, der zuweilen idealistisch geprägt, sehr wahrscheinlich unvollständig und weiter verbesserbar ist, aber dennoch als Grundlage zur Debatte taugt.
Brücken und andere Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen sind in Deutschland regelmäßig alle 6 Jahre einer handnahen Prüfung zu unterziehen. Diese Verpflichtung gilt für alle Baulastträger. Dabei werden alle relevanten Schäden erfasst, bewertet und dokumentiert. Je nach Art des Schadens können weitergehende Untersuchungen im Rahmen einer Objektbezogenen Schadensanalyse notwendig werden. Damit das Bauwerk dadurch nicht weiter geschädigt wird, sollten für Vor-Ort-Untersuchungen zerstörungsfreie Prüfverfahren eingesetzt werden.
Damit die Bauwerksprüfungen qualitativ hochwertig durchgeführt werden können, ist wichtig hierfür entsprechende Aus- und Fortbildung anzubieten. Hierfür werden seit geraumer Zeit entsprechende Lehrgänge angeboten vom „Verein zur Förderung der Qualitätssicherung und Zertifizierung der Aus-/Fortbildung von Ingenieurinnen/Ingenieuren der Bauwerksprüfung“ (VFIB) angeboten.
Ergebnisse aktueller Bauforschung am Beispiel des Zisterzienserklosters Wörschweiler/Saarland
(2014)
Die Ruinen des 1171 gegründeten Zisterzienserklosters Wörschweiler zählen zu den wenigen mittelalterlichen Baudenkmalen des Saarlands. Trotz der großen Zerstörungen nach Aufhebung der Abtei 1558 geben die Ruinen Einblick in die bauliche Struktur und Organisation eines
„klassischen“ Zisterzienserklosters und sind damit von überregionaler Bedeutung. Freie Bewitterung und unsachgemäße Restaurierungen des 19./20. Jahrhunderts haben 2009 eine Gesamtinstandsetzung der Anlage erforderlich gemacht, die im laufenden Jahr ihren Abschluss finden wird. Ziel ist die Sicherung und Konservierung der Ruine als solche einschließlich ihrer Putz- und Farbbefunde. Vorbereitend erfolgte eine steingerechte Bestandserfassung des Aufgehenden im Maßstab
1:50 durch die TU Kaiserslautern in Zusammenarbeit mit der saarländischen Landesdenkmalpflege. Weiterhin vorbereitend wurde die bisher unzureichend dokumentierte Restaurierungsgeschichte der Klosterruine aufgearbeitet, die wichtige Hinweise für den restauratorischen Umgang mit dem Mauerwerk und für die zu erwartenden Funde liefern konnte. Eine baubegleitende Forschung einschließlich einer lokalen Grabung gab neue Einblicke in die komplexe Baugeschichte des Klosterbergs, dessen Siedlungsanfänge bis in römische Zeit zurückreichen. Insbesondere im Bereich der Klausur spiegelt sich in der ursprünglichen baulichen Qualität und Ausstattung der Gebäude die überregionale Bedeutung des Klosters bereits in seiner Zeit wider.
Zerstörungsfreie (ND) Erkundungstechniken, seien es nun zerstörungsfreie oder geophysikalische Bewertungsmethoden, werden üblicherweise im Bau- und Transportwesen, im Bereich der Energietechnik oder der Stadtentwicklung angewandt. Während sich jedoch im Laufe der letzten Jahrzehnte das Interesse auf interne geometrische Informationen zu der untersuchten Umgebung richtete, konzentrieren sich jüngere Forschungen auf Informationen, die mit der Art und dem Zustand dieser Umgebung verbunden sind, um so dem Begiff der zerstörungsfreien Bewertung näher zu kommen. Die gegenwärtig laufenden Studien versuchen, die aus zerstörungsfreien Messungen abgeleiteten Werte in statistische, mit Lebensdauermodellen verknüpfte Ansätze zu integrieren.
Das in Manderen, Departement Moselle, gelegene Schloss von Malbrouck befindet sich genau an der deutschen und luxemburgischen Grenze. Sein Bau wurde nach dem Willen von Arnold VI, dem Grundherrn von Sierck, im Jahre 1419 begonnen, wurde 1434, in dem Jahr, in dem das Schloss für geeignet befunden wurde, einem Angriff widerstehen zu können, vollendet und dann in den Dienst des Erzbistums Trier gestellt.
Unglücklicherweise war zum Zeitpunkt des Todes von Ritter Arnold dessen Nachfolge nicht gesichert, weshalb das Schloss ab Ende des XV. bis Anfang des XVII. Jahrhunderts von einer Hand in die nächste überwechselte.
Seit es im Jahre 1930 unter Denkmalschutz gestellt wurde und der Conseil Général de la Moselle es 1975 von seinem letzten Eigentümer, einem Bauern, zurückkaufte, wurde das Schloss vollständig saniert und im September 1988 wiedereröffnet. Wie jedes andere Bauwerk dieser Größenordnung braucht es eine feine und genaue Überwachung. Aus diesem Grund wollte der Conseil Général de la Moselle strategischer Partner im Projekt CURe MODERN werden.
Die Bestanderhaltung historischer Bauwerke bedarf gründlicher Voruntersuchung, Qualitätskontrolle und Bauwerksüberwachung, um die Eingriffe in die Denkmalsubstanz zu minimieren und Folgeschäden zu vermeiden. Zerstörungsfreie Prüfmethoden und numerische Modellierungsverfahren bieten heute bewährte und neue Möglichkeiten, gesicherte Kenntnisse über die Bauwerke und die altersbedingten Veränderungen ihrer Baumaterialien zu erzielen und gleichzeitig die Eingriffe für Materialentnahmen und Bauwerksöffnungen zu minimieren. Anhand von Fallbeispielen werden aktuelle Forschungsergebnisse präsentiert. Georadarmessungen werden mit theoretischen Modellierungen kombiniert, um gemessene Anomalien in Materialparametern zu begründen. Moderne Anforderungen wie die energetische Sanierung historischer Gebäude werfen neue Problemfelder auf, für die anhand von Modellierungen des Wärme- und Feuchtetransports Antworten gefunden werden. Die Weiterentwicklung von Ultraschallmesstechnik und Signalauswertung ermöglicht neue Anwendungen bei der Untersuchung verwitterter Sandsteinoberflächen mittels Rayleighwellen.