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In der vorliegenden Arbeit werden die Synthesen neuer Imidovanadium(V)-Verbindungen vorgestellt. Die analytischen Daten werden diskutiert und die Komplexe charakterisiert. Ergänzt werden diese Untersuchungen durch Reaktivitätsstudien, die wiederum die Charakterisierung der Produkte erfordert. Die Umsetzung von Phosphaalkinen mit Imidovanadium-Komplexen stellt einen Schwerpunkt der Arbeit dar. Die erhaltenen organischen bzw. anorganischen Produkte werden isoliert und charakterisiert. Mögliche Reaktionsmechanismen werden diskutiert und anhand nachgewiesener Neben- bzw. Zwischenprodukte untermauert. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist das Studium des Reaktionsverhaltens der Imidovanadium(IV)-Verbindung tBuNVCl2 DME. Das Disproportionierungsverhalten bei den Substitutionsreaktionen mit Nukleophilen der 14., 15., und 16. Gruppe wird untersucht; neue Komplexe werden isoliert und charakterisiert.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung funktionaler Modellsysteme von Bromo- und Chloroperoxidasen zur Oxidation von Bromid und Chlorid unter wasserfreien und nachhaltigen Bedingungen. Die neuen Methoden fanden Anwendung in der Synthese halogenierter O-Heterocyclen, welche häufig als Grundstrukturen von Naturstoffen mit ausgeprägten physiologischen Wirkungen auftreten. Die gewonnenen Erkenntnisse lösten vorhandene Probleme mit Reaktivität und Chemoselektivität in oxidativen Bromierungsreaktionen und trugen zu einem besseren Verständnis der beobachteten Regioselektivitäten in Bromcyclisierungen hochsubstituierter 4-Pentenole bei. Aufbauend auf diesen Ergebnissen konnte erstmalig eine analoge Methode zur oxidativen Chlorcyclisierung für die Darstellung beta-chlorierter Tetrahydrofurane und Tetrahydropyrane entwickelt werden.
Um die bei modernen stationären Industriegasturbinen geforderten Leistungsdichten bei hohem Wirkungsgrad zu erreichen, werden sehr oft transsonische Axialkompressoren eingesetzt. Neben vielen Vorteilen, haben sie eine erhöhte Sensibilität gegenüber Ungleichförmigkeiten im Geschwindigkeits- und Druckprofil der Zuströmung als entscheidenden Nachteil. Da diese Ungleichförmigkeiten direkt von der Gestaltung des Einlaufgehäuses mitbestimmt werden, spielt das Design eine außerordentlich wichtige Rolle bei der Auslegung der Gesamtmaschine. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Strömungen in der ersten Transsonikstufe eines mehrstufigen Axialverdichters und untersucht deren Wechselwirkung mit den Strömungen im Einlaufgehäuse. Durch die Geometrie des Einlaufgehäuses, welche die Strömung in den meisten Fällen von vertikaler in horizontale Richtung umlenkt, entstehen Ungleichförmigkeiten im Strömungsprofil, die den Druckaufbau, den Wirkungsgrad und den stabilen Betriebsbereich der Maschine einschränken können. Zusätzlich können stärkere Blattschwingungen auftreten, die die mechanische Beanspruchung der Rotorstruktur erhöhen. Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik werden drei verschiedene Einlaufgehäuse untersucht, um festzustellen, welche Strömungsungleichförmigkeiten auftreten und wie diese die Strömung in der Transsonikstufe beeinflussen. Zwei der drei Varianten sind um 90° umlenkend und entsprechen denen, wie sie in realen Gasturbinen eingesetzt werden. Dabei ist eine Variante strömungstechnisch optimiert, die andere im Sinne einer möglichst einfachen Fertigung gestaltet. Die dritte Variante ist ein rein axiales Gehäuse mit einer eingebauten Versperrung, um zu untersuchen, wie gut sich Strömungsungleichförmigkeiten, die in einem radial umlenkenden Einlaufgehäuse einer stationären Gasturbine entstehen, durch Einbauten simulieren lassen. Desweiteren bietet sich diese Simulation an, da das Einlaufgehäuse zusammen mit dem 5-stufigen Axialkompressor auf einem Prüfstand vermessen wurde und so ein Vergleich mit Messwerten möglich ist. Die Simulationen haben gezeigt, dass es möglich ist, mit einem aerodynamisch günstig gestalteten Einlaufgehäuse Zuströmbedingungen zu erzeugen, die in der darauffolgenden Transsonikstufe nicht zu nennenswerten Einschränkungen in Wirkungsgrad, Druckverhältnis und Betriebsbereich führen. Eine Parameterstudie mit verschiedenen axialen Baulängen hat gezeigt, dass eine Verkürzung des Einlaufgehäuses durchgeführt werden kann, ohne zusätzliche Verluste in Kauf nehmen zu müssen. Erst bei Unterschreitung eines kritischen Maßes kommt es zu deutlichen Verlusten und einer Reduktion des Druckverhältnisses. Hier ist eine Anpassung der Vorleitreihe nötig, um den geänderten Zuströmbedingungen der Vorleitreihe hinter der verkürzten Einlaufgehäusevariante Rechnung zu tragen. Die zweite radial umlenkende Einlaufgehäusevariante ist aus aerodynamischer Sicht ungünstiger gestaltet. Hier zeigen die Simulationen, dass sich im Einlaufgehäuse Wirbel ausbilden, die zum einen im Einlaufgehäuse selbst und zum anderen in der Transsonikstufe hohe Verluste hervorrufen. Darüber hinaus kommt es zu einer Abnahme des Stufendruckverhältnisses, und es ist auch mit negativen Auswirkung auf folgende Stufen zu rechnen, da die Wirbel hinter der ersten Stufe immer noch abgeschwächt vorhanden sind. Obwohl die hinter einem radial umlenkenden Einlaufgehäuse entstehenden Geschwindigkeitsprofile komplex sind, lassen sie sich auch in einem axialen Einlaufgehäuse durch Einbauten simulieren. Auch wenn sich die verschiedenen Verlustentstehungsmechanismen gegenseitig beeinflussen und eine exakte Trennung nicht möglich ist, konnte mit einer groben Abschätzung festgestellt werden, wie groß der Anteil der Stoß- und Spaltverluste an den Gesamtverlusten ist. So haben beispielsweise im Auslegungspunkt nur etwa 15 % der Verluste ihre Ursache in den Verdichtungsstößen, und weniger als 10 % der Verluste sind auf die Spaltströmung zwischen Rotorblattspitze und Gehäuse zurückzuführen. Mit fast 80 % entsteht der überwiegende Anteil der Verluste in den Profil- und Seitenwandgrenzschichten. Die berechneten Strömungs- und Druckprofile zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den durchgeführten Messungen.
Ökonomische Prozessanalyse und Modellintegration zur Kostenberechnung von Faser-Kunststoff-Verbunden
(2006)
The introduction to the topic is a description of the techno-economic evolution of
composites. Apart from this, today’s market state of the art of composites is also explained.
As a conclusion, the principal trend towards the higher quality by the increased
application of carbon fibers is ascertained. In particular, it is pointed out that
the restraints of the market growth are mainly caused by the high price, most notably,
of the fiber materials. This situation, in connection with the maturation of the composite
manufacturing processes, demands the need of a cost calculation tool.
In the second step, former composite cost models and their implementations into
software – if available – are described and benchmarked. As a result it is proposed to
combine, different approaches because of their fundamental potential as well as the
deficits. It is suggested to use a resource-based methodology combined with the
PBKM (prozessbasierte Kostenmodellierung = process-based cost modelling) and to
implement the models in a cost calculation software.
The first aim is an economic process analysis which is carried out to receive an abstract
and modular system. Thereby, it is possible to describe the production processes
by successive refinement more and more detailed. The process is divided in
multiple steps which are itself subdivided in technical activities or handlings. The
relevant cost objects with the identifiable cost positions are assigned to those handlings.
This approach assures modularity and offers the possibility of an easy software
implementation. In addition, the functionality of this methodology is demonstrated
considering the two examples “thermoplastic tape placement” and “continuous
pressing”. For that reason these composite manufacturing techniques are analyzed
and the structure is mapped within the use of suggested methodology.
The next topic deals with the modelling of the cycle time for the thermoplastic tape
placement with the use of the PBKM. Within this methodology the derivation of the
cycle time depends only on physical process parameters, which results in a geometrical
complexity based model. The developed model is verified by comparing of the
theoretically derived values with practical experiments. Along with this, the assumptions
for this model are revised and verified. As a technical enhancement of the tape
placement process, different designs of a geometry-adaptive consolidation role are introduced. This technical extension of the process technology is necessary for the
final verification of the model. The new consolidation unit enables to move all geometrical
degrees of freedom and complexities with the same laminate quality. Finally,
a possibility to transfer the methodology of the PBKM to other technologies is proved.
Therefore, it is offered a modus operandi how the continuous pressing technique can
be modelled with the help of the PBKM.
The last chapter deals with the cost calculation tool concerning the structural configuration,
design, and functionality of the software. It is the consequential synthesis of
the results of the economic process analysis and the cycle time models. The practicability
of the modularity is proved by its application in the design phase of the software
and by the integration of the modelling into the tool. The developed cost calculation
software for composite manufacturing processes offers a standardization of the
inputs and calculation algorithms by the use of introduced process analysis, the subdivision
into smallest units. The cycle time calculation models are process specific
know-how which can easily be used unlike an expert's system. The separation of the
single functional entities assures a stringent data management, possibilities for the
advancement, and furthermore, the variableness of representation and reuse of the
derived data. The functionality of the cost tool concerning evaluations and comparisons
are pointed out with two case studies. Plus, the postulated transferability of the
methodology on other composite technologies is demonstrated. The main advantage
of this system is that the modelling offers economical statements of different process
variations without experimentation. Besides, the values ascertained by the PBKM are
more precise compared to other existing models. Therefore, the PBKM can be the
basis for investment decisions like technology change or modifications and helps to
identify techno-economic limitations and potentials.
This version of the cost calculation software offers only the standard repertoire of
cost evaluations and comparisons which turn out to be upgradeable. Thus, there exists
potential to enhance the functionality concerning sensitivity analyses, the integration
of cycle time models for other composite processing technologies, and further
possibilities for the graphic processing. As a conclusion the software with the combination
of different attempts offers a good starting position with respect to the current
evolution status and should be extended.
Der kausale Zusammenhang zwischen der Dominanz von Mikroflechten gegen über Makroflechten in Tieflandregenwäldern war nicht bekannt und wird in vorliegender Studie erörtert. In der Literatur wird eine unvorteilhafte Kombination von hohen Temperaturen, niedrigen Lichtintensitäten und hoher Feuchtigkeit für die weitgehende Abwesenheit von Makroflechten in tropischen Tieflandregenwäldern verantwortlich gemacht. Aufgrund der hohen Abundanz in diesen Habitaten, kann diese Aussage für krustige Flechten nur bedingt zutreffen. Es wurden eine Reihe von Arbeitshypothesen entwickelt, die klären sollten, ob corticole Grünalgenflechten bestimmte funktionelle Lebensstrategie aufweisen, in welcher Weise das Mikroklima ihren Stoffwechselprozess beeinflusst, und warum sie im tropischen Tiefland-Regenwald dominieren. Die Fragenstellungen wurden unter Verwendung von ökophysiologischen Methoden in vivo und in situ in einem für die Flechten mikroklimatisch unvorteilhafte, tropischen immergrünen Tieflandregenwald im National Park Les Nouragues (Französisch-Guyana) untersucht. Aufgrund des intensiven Kontakts mit ihrem Substrat werden corticole Flechten stark von den mikroklimatischen Bedingungen des Phorophyten beeinflusst. Sie zeigen morphologisch-anatomische Anpassungen, die einen physiologisch vorteilhaften Zustand zwischen Wasserübersättigung und Austrocknung ermöglichen. Ihre Photosynthese ist an niedrige Lichtintensitäten angepasst und nutzt unterschiedliche Lichtqualitäten aufgrund physiologischer Strategien verschieden aus. Weitere Ergebnisse zeigten dass Krustenflechten neben funktionellen morphologisch-anatomischen und physiologischen Strategien, auch durch ein hohes Oberflächen zu Volumen Verhältnis, durch ein hohes Biomassenverhältnis des Photobionten zum Mycobionten und wahrscheinlich durch die Fähigkeit, saprophytisch Kohlenstoff zu gewinnen, befähigt sind, mikroklimatisch unvorteilhafte Habitate, wie die eines tropischen Tieflandregenwaldes, zu besiedeln
Der erhebliche Anstieg an Penicillin-resistenten Bakterienstämmen stellt ein weltweit immer größer werdendes Problem in der Medizin dar. Für die Bekämpfung solcher resistenten Stämme ist es wichtig, die Entstehung und den Mechanismus der Penicillin-Resistenz auf molekularer Ebene zu verstehen und dadurch Targets für neue Klassen antimikrobieller Wirkstoffe zu identifizieren. Die Lösung dieser Problemstellung war somit der Schwerpunkt der Untersuchungen in der vorliegenden Arbeit. Die Arbeit befasste sich mit der Übertragung der beta-Laktam-Resistenz von einem hochresistenten klinischen S. oralis Isolat aus Ungarn auf den sensitiven S. pneumoniae R6 Stamm. Dabei sollte durch Transformationsexperimente überprüft werden, ob und wie weit S. oralis als Donor für die Penicillin-Resistenz in S. pneumoniae fungieren kann und welche Gene dabei eine Rolle spielen. Solche Experimente bilden die Grundlage für das bessere Verständnis der Evolution und Ausbreitung der beta-Laktam-Resistenz in kommensalen und pathogenen Streptokokken. Durch sukzessive DNA-Transformation konnte der Resistenzphänotyp des Donorstammes zu einem hohen Grad in den sensitiven S. pneumoniae Stamm R6 übertragen werden. Von Interesse war zunächst, welche S. oralis PBPs dabei eine Rolle spielen. Für die bekannten Resistenzdeterminanten PBP2x, PBP2b und PBP1a konnte nachgewiesen werden, dass sie auch hier einen entscheidenden Beitrag für die Resistenzentwicklung leisten. Nach insgesamt sechs aufeinanderfolgenden Transformationsstufen mit chromosomaler S. oralis DNA konnte das Resistenzniveau des Rezipienten ca. 600- bis 700-fach erhöht werden; PBPs waren nur bei den ersten drei Stufen beteiligt. Microarray-Analysen mit DNA der Transformanten gaben Hinweise darauf, welche anderen Gene übertragen wurden und erlaubten in einem Fall die Identifizierung einer neuen Resistenzdeterminante: MurE. Die gesamte Resistenz des Donors konnte nicht in S. pneumoniae übertragen werden; die Gründe hierfür sind denkbar vielfältig und wurden in der Diskussion aufgegriffen. Die Charakterisierung der Nicht-PBP-Resistenzdeterminate MurE standen nach deren Identifizierung im Mittelpunkt der Analysen in der vorliegenden Arbeit. Die Selektion von beta-Laktam-resistenten Transformanten mit modifiziertem MurE zeigten zum ersten Mal die Rolle dieses Proteins in der Entwicklung der Penicillin-Resistenz in S. pneumoniae. Austausche in diesem Gen führten zu einer ca. 3- bis 5-fachen Erhöhung der Resistenz gegenüber Cefotaxim und Piperacillin und bewirkten einen 40-fachen Anstieg der Cefotaxim-Resistenz und 20-fachen Anstieg der Oxacillin-Resistenz in Verbindung mit einem Mosaik-PBP2x. In Verbindung mit einem Mosaik-PBP2b führte das ausgetauschte MurE zu einem 20-fachen Anstieg der Piperacillin-Resistenz. Durch Herstellung von Stämmen mit ektopischer Kopie von murE mit unterschiedlichen Promotor- und Genfragmenten und anschließender Deletion des Wildtyp-Allels im Genom konnte nachgewiesen werden, dass sowohl veränderte Bereiche im Strukturgen als auch der murE-Promotorbereich von S. oralis Uo5 zu einem Anstieg der Resistenz in S. pneumoniae führen. Einige der Veränderungen, die Aminosäuren betreffen, sind in der Nähe des aktiven Zentrums lokalisiert und könnten die Bindung zum Substrat bzw. ATP beeinflussen. Die Bestimmung der Promotoraktivität von murE aus S. oralis Uo5 und S. pneumoniae R6 ergab, dass das Gen aus S. oralis etwa zweifach stärker exprimiert wird. Die stärkere Expression von murE hat allerdings keinen Einfluss auf die Produktion von PBP2x, PBP1a oder PBP2b, wie durch spezifische Antikörper und Western-Blots für alle drei PBPs festgestellt werden konnte. Dies konnte auch mit Hilfe von Reporter-Assays zur Bestimmung der Promotoraktivität von pbp2x bestätigt werden. Signifikante Veränderungen in der Zellwandzusammensetzung der murE-Transformanten konnten ebenfalls nicht beobachtet werden. Eine Hypothese geht davon aus, dass sowohl die erhöhte Promotoraktivität als auch die Mutationen im Strukturprotein dasselbe bewirken, nämlich die Bereitstellung von mehr MurE-Produkt (durch mehr Enzym oder durch aktiveres Enzym). Möglicherweise ist dadurch der Pool an Muropeptidvorstufen erhöht, was wiederrum Einfluss auf die Mureinbiosynthese hat und somit ein besseres Wachstum in Gegenwart von beta-Laktamen erlaubt, d.h. unter den hier verwendeten Selektions- und Testbedingungen.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde Knochenmarksmaterial von 110 Leukämiepatienten auf das Vorliegen von p53-Gen-Deletionen untersucht. Zu diesem Zweck wurden sowohl Interphasezellkerne als auch Metaphasen der Leukämiezellen mittels der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungstechnik (FISH) mit der p53-Gen-Sonde untersucht. Dabei konnte in keinem der 55 untersuchten Patienten mit lymphatischer Leukämie eine Alleldeletion des p53-Gens nachgewiesen werden. Da die p53-Gen-Deletion nach den Literaturangaben bei etwa 7% der Patienten mit lymphatischer Leukämie vorkommt, widersprechen die eigenen Ergebnisse diesen Angaben. Als Grund kann die zu geringe Anzahl der untersuchten Fälle genannt werden. Bei den 55 hier untersuchten Patienten, die an myeloischer Leukämie erkrankt waren, konnte in 7 Fällen (13%) eine Deletion im p53-Gen mittels FISH nachgewiesen werden. Der Anteil der gefundenen p53-Gen-Deletionen war deutlich höher als aufgrund der Literaturangaben erwartet. Die sieben Patienten, bei denen eine p53-Gen-Deletion nachgewiesen wurde, waren alle an akuter myeloischer Leukämie (AML) erkrankt. Alle Patienten, die eine p53-Gen-Deletion aufwiesen, zeigten auch einen numerisch und strukturell aberranten Karyotyp. Im zweiten Arbeitsabschnitt wurden Knochenmarkszellen von 21 Patienten mit hämatologischen Erkrankungen mittels spektraler Karyotypisierung (SKY) untersucht und mit dem zytogenetischen Routinebefund verglichen. Ziel der Untersuchung war die Identifizierung von numerischen und strukturellen Chromosomenaberrationen, die durch die konventionelle zytogenetische Untersuchung nicht identifiziert werden konnten. Bei 17 (81%) der Fälle wurden durch SKY zusätzliche Chromosomenaberrationen festgestellt. Nur bei 4 (19%) der Fälle wurde der zytogenetische Befund bestätigt. Im dritten Arbeitsabschnitt wurden Meningeome untersucht. Bei 22 Meningeomen (17 benigne und 5 atypische Meningeomen) wurde mittels Interphase-FISH nach einer Alleldeletion des p53-Gens gesucht. Es konnte jedoch in keinem Fall eine solche Deletion nachgewiesen werden. Weiterhin wurden bei 24 Meningeomen 96 frische Biopsieproben von verschiedenen Tumorarealen mit G-Bänderungstechnik zytogenetisch analysiert. Zur besseren Aufklärung komplex aberranter Karyotypen wurden zwei Fälle (Nr. 1 und Nr. 7) auch mittels SKY-Analyse untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit war es festzustellen, ob zytogenetische Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Arealen innerhalb eines Tumors vorliegen. Es gab bei 13 von 24 Meningeomen (54%) zytogenetische Unterschiede zwischen den verschiedenen Arealen innerhalb eines Tumors. 24 (83%) von 29 Meningeomen wurden nach der WHO-Klassifikation von Meningeomen in den Tumorgrad I eingestuft und 5 (17%) von 29 Meningeomen in den Tumorgrad II. Die Tumorgradverteilung in dieser Arbeit entspricht den Literaturangaben. 13 von 24 Tumoren wiesen entweder einen normalen Karyotyp oder nur eine Monosomie 22 auf. Alle 13 Tumoren wurden nach der WHO-Klassifikation von Meningeomen in den Tumorgrad I eingestuft. Vier Meningeome wiesen stark aberrante Karyotypen auf, was vermutlich ein Zeichen für die Tumorprogression darstellt. Es wurde auch untersucht, ob eine Korrelation zwischen dem zytogenetischen und histologischen Befunden vorliegt. In der vorliegenden Arbeit hat bei sechs Fällen der histologische Befund nicht mit dem zytogenetischen Befund übereingestimmt, da die Tumore in den Tumorgrad I eingestuft wurden, der zytogenetische Befund aber einen aberranten Chromosomensatz aufwies, der normalerweise nicht bei niedriggradigen Meningeomen, sondern bei atypischen und anaplastischen Meningeomen vorkommt. Die Untersuchungsergebnisse deuten darauf hin, dass die Kombination verschiedener zytogenetischer und molekularzytogenetischer Methoden zur Charakterisierung Chromosomaler Aberrationen bei Meningeomen sinnvoll ist.
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.
In der vorliegenden Arbeit wird die Zeitfestigkeit von Verbundträgern mit Profilblechen unter Berücksichtigung der während der Einstufen-Belastung im Versuch auftretenden Veränderungen (zyklische Dübelkennlinien, Kraftumlagerungen, ...) im System Verbundträger behandelt. Aus den Ergebnissen der Push-Out-Versuche wird eine Ermüdungsfestigkeitskurve -Wöhlerlinie - bestimmt, die im weiteren Grundlage der Zeitfestigkeitsuntersuchungen der Kopfbolzendübel in Betongurten mit Profilblechen ist. In einer ersten, vereinfachten Versuchsauswertung werden die Dübelkräfte der Verbundträger über die Elastizitätstheorie nach dem elastischen Schubfluß und unter Annahme starrer Verdübelung (d. h. Ebenbleiben des Gesamtquerschnitts) ermittelt. Daraus wird dann die Zeitfestigkeit berechnet. Die Bestimmung der Restlebensdauer der Verbundmittel über nichtlinear berechnete Dübelkäfte unter Berücksichtigung der Nachgiebigkeit in der Verbundfuge - jedoch mit Steifigkeiten wie bei Erstbelastung - erfolgt in einer zweiten Auswertungsstufe. Um die wahrscheinlichen Vorgänge im Verbundträger unter wiederholter Be- und Entlastung erklären und anschließend in Computersimulationen nachvollziehen zu können, wird in den Kapiteln 4 bis 6 das phänomenologische Verhalten der einzelnen Komponenten des Verbundträgers (Stahlträger, Betongurt und Verdübelung) unter zyklischer Beanspruchung behandelt. Unter der Annahme, daß die einzelnen Komponenten ihr phänomenologisches Verhalten unter zyklischer Beanspruchung auch im Verbundträger -Zusammenwirken der einzelnen Komponenten zu einer gemeinsamen Tragwirkung- beibehalten, wird in Kapitel 7 ein Rechenmodell entwickelt. Mit den hergeleiteten zyklischen Dübelkennlinien und nichtlinearen Computersimulationen werden Schädigungen für alle Elemente (Dübel, Stahlträger) der Verbundträger - zu jedem Zeitpunkt während der Versuchsdauer - bestimmt. Mittels der linearen Schadensakkumulationshypothese von Palmgren-Miner und mit den für die einzelnen Elementen bestimmten Ermüdungsfestigkeitskurven wird daraus die jeweilige Restlebensdauer berechnet. Dabei werden die ständigen Veränderungen im nichtlinearen Tragverhalten der Verbundträger aufgrund der Kraftumlagerungen infolge der zyklischen Kennlinien, der Nachgiebigkeit in der Verbundfuge, des Ausfalls einzelner Dübel, der evtl. auftretenden bleibenden Verformungen, der unterschiedlichen Be- und Entlastungspfade, ..., in den Simulationsberechnungen erfaßt. Abschließend wird das Verbundträgertragverhalten bis zum endgültigen Versagen (Bruch des Trägers) auch nach dem Abscheren (Ausfall) des ersten Dübels dargestellt.
Die vorliegende Arbeit liefert zutreffende zyklische Lastverformungs- und Rissfortschrittsbeziehungen für Trägerverbundfugen mit Kopfbolzendübel 22mm (Durchmesser) anhand derer man in der Lage ist, den Schädigungs- und Lastverformungszustand in einem Verbundträger unter zyklischer Belastung zu bestimmen. Die Modelle wurden auf Grundlage einer hohen Anzahl von weggeregelten Push-Out-Versuchen abgeleitet und an einigen zyklischen Trägerversuchen verifiziert. Mit den gefundenen Zusammenhängen ist es möglich, sehr genaue Lebensdauerprognosen für Kopfbolzendübel in Trägerverbundfugen abzugeben. Weiter wird ein einfaches Bemessungskonzept für Kopfbolzenermüdung vorgeschlagen.
Mit dem vorliegende Projekt sollten die Voraussetzungen dafür geschaffen werden, filigrane Fassadenplatten aus Hochleistungsbeton im Fertigteilbau realisieren zu können. Konventionelle Befestigungsmittel (Dübel, Anker) scheiden wegen der geringen Materialstärke weitgehend aus. Bestehende Systeme mit Klebtechnik erfordern eine aufwändige metallische Unterkonstruktion aus nichtkorrosivem Material. Zudem erweist sich die Montage als schwierig, sodass sich diese Systeme in der Praxis bisher nicht durchgesetzt haben. Die hier vorgeschlagene Lösung baut auf eine punktförmige Befestigung der Fassadenplatten mittels Klebtechnik auf. Die Klebanker (d = 12 mm) aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GfK) werden zusammen mit einer Tragschale und Wärmedämmung hergestellt und dann mittels Wendetechnik im Fertigteilwerk rückseitig auf die Fassadenplatten geklebt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Über- und Unterdruckversuchsstand entwickelt. Zusätzlich wurden neue Zug-, Scher- und Interaktions-Versuchsstände für Klebversuche an Platten konzipiert. Die Biegezugfestigkeit des Glasfaserbetons wurde in Abhängigkeit von der Zeit untersucht. Das Trag- und Verformungsverhalten der GfK-Stäbe wurde in Abhängigkeit von der Zeit ausgewertet und ausgewählt. Wie die Untersuchungen zeigen, können bis zu 2,7 x 3,5 m große Fassadenplatten realisiert werden, wenn die Klebanker einen Gelenkkopf erhalten, der die Verformungsbehinderung der Fassadenplatte reduziert. Das Langzeittragverhalten der GfK-Anker, das aus dem Zulassungsverfahren der verwendeten Schöck ComBAR® bekannt ist, wurde berücksichtigt. Ein Ankerraster von 500 x 500 mm hat sich als wirtschaftlich sinnvoll ergeben. Für die Fassadenplatten werden wegen der besseren Tragfähigkeit der Klebverbindung hochfeste Betone „Referenzbeton 1“ den Glasfaserbetonen „Referenzbeton 2“ vorgezogen. Fertigungsbedingte Schwankungen der Klebfugendicke im Bereich von 1 mm bis 5 mm können ohne signifikante Festigkeitseinbußen toleriert werden. Die durchgeführten mechanischen Versuche und Berechnungen zeigen, dass die Standsicherheit des Fassadensystems bei entsprechender Dimensionierung der Klebflächen gegeben ist.
Um eine weitere Zunahme der Umweltbelastung infolge des stetig anwachsenden Leergewichtes heutiger Kraftfahrzeuge zu vermeiden, wird dem vermehrten Einsatz von Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoffen (FKV) auch für hochbelastete Sekundärstrukturen zukünftig eine zentrale Rolle beim intelligenten Fahrzeug-Leichtbau zukommen. Die hierzu erforderliche Substitution metallischer Bauweisen durch FKV-Lösungen bietet das Potential, aufgrund des herausragenden gewichtsspezifischen Eigenschaftsprofils der Werkstoffgruppe und der Möglichkeit einer weitreichenden Teile- und Funktionsintegration eine deutliche Gebrauchswerterhöhung und auch Kostenreduktion zu erzielen.
Die im Rahmen dieser Arbeit durchgefüh1ie Analyse des heutigen Entwicklungsstandes von
Fahrzeug-Sitzstrukturen und Fahrwerkselc1nenten in FKV-Bauweise zeigte, daß bei vorderen
Pkw-Sitzen die Grenzen des mit FKV derzeit Umsetzbaren erreicht sind. Bei Pkw-Fahrwerken konnte festgehalten werden, daß bislang keine längsorientierte, nicht angetriebene Hinterachse in FKV-Bauweise ohne zusätzliches Querelement bekannt ist, obwohl diese Achsbauart zunehmend eingesetzt wird. Zielsetzung der Arbeit war es daher, innovative Ansätze für die integrierte Gestaltung vorderer Sitzstruktur-Komponenten zu entwickeln, die Leichtbau und hohe Funktionalität mit Großserienfertigung verbinden und weiter Vorschläge zur Gestaltung längsorientierter, nicht angetriebener Pkw-Hinterachsen in FKV-Bauweise zu erarbeiten. Die Arbeit geht zunächst detailliert auf die Besonderheiten der FKV-Bauweisenentwicklung im Vergleich zum klassischen Konstruktionsablauf bei metallischen Strukturen ein. Darauf aufbauend wird die werkstoff- und fertigungsgerechte Spritzgieß-Konstruktion einer oberen Lehnen-Quertraverse aus diskontinuierlich langglasfaserverstärktem Thermoplasten (DLFRP oder LFT) vorgestellt, die zwei Kopfstützen-Führungselemente und die eigentliche metallische Quertraverse integriert. Zudem ermöglicht die Funktionserweiterung der axialen Drehbarkeit des gesamten Bauteils ein verbessertes Anstellen der Kopfstütze an den Insassen-Hinterkopf. Quasi-statische und auch dynamische Kopfaufprall-Prüfungen an Prototypen zeigten eine gute
Übereinstimmung mit den numerischen Simulationsergebnissen und bestätigten das geforderte „gutmütige" Versagensverhalten des Bauteils durch den Einsatz von Langfasern.
Im weiteren stellt die Arbeit erstmals ein schlüssiges werkstoff- und fertigungsgerechtes Konzept für eine längsorientierte, nicht angetriebene Hinterachse in FKV-Bauweise auf der Basis eines funktionsintegrierten CFK-Doppel-Blattfeder-Elementes mit in Reihe geschalteter FKV-Drehrohrfeder-Anordnung vor. Die im Vergleich zu herkömmlichen Metallbauweisen um etwa 40 % leichtere Konstruktion verzichtet auf ein mitfederndes Querelement zur Aufnahme der Seitenkräfte und ermöglicht ein elastokinematisch basiertes In-Vorspur-Gehen des kurvenäußeren Hinterrades. Die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit der Konstruktion konnte in ausführlichen strukturmechanischen Simulationsrechnungen nachgewiesen werden.
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 kontinuierlichen Herstellung von Faser-Kunstoff-Verbunden in Form von Profilen
hat sich das Pultrusionsverfahren seit langem erfolgreich industriell etabliert. Bis jetzt
wurden fast ausschließlich duroplastische Matrizes verwendet. Aufgrund der
zahlreichen Vorteile wecken thermoplastische Faserverbundwerkstoffe zunehmend
das Interesse der Industrie; der Einsatz und die Fertigung von thermoplastischen
Profilen in hohen Stückzahlen werden jedoch bislang wegen mangelnder
Grundkenntnisse noch nicht realisiert.
In der vorliegenden Arbeit wird der Pultrusionsprozess thermoplastischer
Faserverbundwerkstoffe im Hinblick auf Realisierbarkeit und Optimierung von
Prozessparametern untersucht. Ziel war es bereits vorliegende Erkenntnisse zu
erweitern und bestehende Wissenslücken zu schließen. Als Ausgangsmaterial
wurden verschiedene Garntypen verwendet: ein Garn aus Kohlenstoff- und Polyamid
12-Fasern, ein Mischgarn aus Glas- und Polypropylen-Fasern sowie Polypropylen
pulverimprägnierte Glasfasern (sogenannte Towpregs). Besonderes Augenmerk lag
auf dem ersten Garntyp aus CF/PA12, der diskontinuierliche Fasern enthält. Mit
diesen Materialien wurden unidirektional faserverstärkte, rechteckige und runde
Profile hergestellt. Weiterhin wurde der Einfluss von zwei Hauptprozessparametern,
die Temperatur der Vorheizzone und der Heizdüse und die Abzugsgeschwindigkeit,
sowie von der Länge der Heizdüse auf die Profilqualität analysiert. Die jeweils
verwendeten Garntypen, der sich einsstellende Faservolumengehalt sowie der
Feuchtigkeitseinfluss wurden zusätzlich systematisch untersucht. Weiterhin wurde
die Abzugskraft analysiert.
Die Charakterisierung der Pultrudatqualität erfolgte durch mechanische und
morphologische Prüfungen. Der Imprägnierungsgrad, die Biegeeigenschaften und
die Scherfestigkeit, sowie zweitrangig die Charpy-Schlagzähigkeit und die
Zugeigenschaften wurden hierzu ermittelt und anschließend bewertet. Weiterhin
wurde die Oberflächenqualität mittels Laserprofilometrie untersucht.
Einen entscheidenden Faktor stellte die Abzugsgeschwindigkeit dar. Bis auf die
Oberfläche wurden Verschlechterungen der Imprägnierung und der mechanischen
Eigenschaften mit zunehmender Geschwindigkeit beobachtet.
Weiterhin wurde der Abkühlungsprozess untersucht. Die bei der Pultrusion
vorhandenen Abkühlraten sind sehr hoch und werden von der
Abzugsgeschwindigkeit sowie der Kühldüsentemperatur beeinflusst.Die Erstellung eines Verarbeitungsfensters für das Garn aus CF/PA12 wurde
erfolgreich durch Verwendung einer Qualitätskennzahl durchgeführt.
Des Weiteren wurde die Erstarrung und der Prozess der Kristallisation aus der
Schmelze für das CF/PA12 System näher untersucht. Zur Beschreibung der
isothermen sowie nicht-isothermen Kristallisationskinetik wurden verschiedene
Methoden angewandt. In diesem Zusammenhang lieferten das Modell von Chuah
zufriedenstellende Ergebnisse.
Weiterhin erfolgte die Modellierung der Wärmeübertragung zur Vorhersage der
Temperatur im Material während der Pultrusion mit der Finiten Elemente Methode.
Aufbauend hierauf können im Versuchsvorfeld die am besten geeigneten
Werkzeugtemperatur-/Abzugsgeschwindigkeitskombinationen eingestellt werden.
The work presented here supports the industrial use of natural fibre reinforced composite
materials under mass production circumstances. Potentials for optimising the
materials’ properties are offered and evaluated with regard to their effect on the
process chain material – coupling agent – processing. The possibility to use these
materials in mass production applications are improved by optimising each partial
stage.
Throughout the world there exists a great variety of suitable applications for this
group of composites affecting the raw materials choice. The Europe’s market is
stamped by the requirements of the automotive industry, the important markets of
Japan and the USA are dominated by civil engineering and landscaping applications.
A yearly increase of 18 % in Europe, 25 % in Japan and 14 % in the US is expected.
The US market offers the largest market volume of more than 480000 t exceeding
the European Market for nearly five times.
To enhance the fields of application for natural fibre reinforced thermoplastics the
common techniques of the film-stacking and the compression moulding process are
used to manufacture optimised composites based on polypropylene and bast (hemp,
flax) as well as leaf (sisal) and wood (spruce) fibres. Therefore new semi finished
parts for the compression moulding process had to be developed.
Within the manufacturing of natural fibre reinforced polypropylene using the filmstacking
process material and process parameters were identified to transfer the
gathered knowledge to the compression moulding process. It has been seen that
most problems are caused by the organic origin of the fibres. Especially the addiction
of the fibres to decompose when treated with higher temperatures under pressure
hampers their use in thermoplastic composites.
By investigating wood fibres as reinforcements, which differ from bast fibres in their
chemical composition the influence of the process parameters temperature and pressure
on the composite properties were evaluated and verified for hemp fibre reinforced
polypropylene. The minimum process time was observed and in order to enhance
the fibre-matrix-adhesion by using coupling agents the diffusion of the coupling
agent molecules was determined theoretically. Therefore a model was evaluated dealing with the maximum mass flow of coupling agent being transferred in the
fibre-matrix-interface because of mass transfer mechanisms.
In order to optimise the wetting of the fibres with the matrix different possibilities to
modify the fibres were investigated. Drying the fibres prior to the manufacturing of the
composite is an easy and effective way to improve the fibre-matrix-adhesion. The
tensile strength of all composites rose conspicuously. The removal of dust and water
soluble substances by washing led to a higher tensile strength only with the sisal fibre
reinforced composite. Washing the other fibres led to decreasing fibre wetting.
Fibre substances like lignin and pectin were removed using the mercerisation technique.
Composites made from these chemically retted fibres show the more disintegrated
fibre structure and a worse wet ability of the fibre surface with the polypropylene.
Hence the tensile and bending strength was not enhanced. The Charpy impact
strength of the composite raised distinctly.
The use of coupling agents based on maleic acid crafted polypropylene led to an increasing
tensile strength up to 58 % compared to the composite manufactured with
pre-dried fibres. The bending strength raised about 109 %. The Charpy decreased
about 60 to 80 %. Flax fibre reinforced composites showed the highest tensile
strength, sisal fibre reinforced composites offered the highest Charpy. No differences
between copolymeric and homopolymeric polypropylene when using PP-MAH as
coupling agents were determined.
The kind of application of the coupling agent in the compound has an major effect on
the amount of coupling agent to be added. The closer the coupling agent is brought
to the fibres surface at the beginning of the impregnation step the less amount has to
be used. If using an aqueous suspension the least amount had to be added as the
coupling agent remains directly on the fibre surface after drying. Mixing the coupling
agent with the polypropylene hinders the well dispersed PP-MAH to act in the fibrematrix-
interface effectively, so the amount of coupling agent has to be increased.
The comparison of coupling agent containing compounds which differ in the amount
of coupling agent and the molar mass distribution showed the amount of coupling
agent related to the mass of fibres to be the important parameter to dose the PPMAH.
The mean molar mass distribution had no effect on the compounds’ properties.Transferring the knowledge gained from the film-stacked composites to the compression
moulding process offered the possibility to use jute long fibre reinforced granules
(LFT) under optimised processing conditions. The composites gained from the molten
and pressed granules showed the highly dependency of the mechanical properties
to the fibre direction in the part. If the fibres are able to flow along the cavity and
direct themselves into parallelism the tensile and bending strength increases in the
main flow direction and decreases perpendicular to this direction. The impact
strength decreases with raising orientation of the fibres. The jute fibre surface presents
a better adhesion to the polypropylene as the surfaces of the hemp, flax and
sisal fibres, which could be improved by adding PP-MAH as coupling agent.
A newly developed pelletised semi finished part with sisal fibre reinforcement and the
development of a direct impregnation process using solely a horizontal plasticating
unit completes the work. Using an established plasticating extruder offers the possibility
for the compression moulding industry to process natural fibre reinforced polypropylene
with less investment. The compression moulded sisal fibre reinforced polypropylene showed varying fibre directions and disproportionate fibre-matrixadhesion.
As a result of the plasticating process in some parts bended fibres are still
visible after compression moulding. Hence the used single-screw plasticator is not
able to equalize the molten material. Increasing the compaction pressure was not
possible as some parts showed beginning fibre degradation. Adding PP-MAH improved
the fibre-matrix-adhesion but the positive effect of the materials’ strength was
not as clear as found for the film-stacked composites. Regarding the additional expenditures
for compounding and the coupling agent costs the use of PP-MAH in
compression moulded parts seems not to be useful.
Compared to the compression moulded glass fibre reinforced polypropylene from
GMT and LFT-materials the natural fibre reinforced composites cannot reach the
high level of material properties. Optimising the fibre-matrix-interface increases the
properties but they are still lower than the properties of the glass fibre reinforced composites. Therefore the natural fibre reinforced materials are not able to substitute
the traditional GMT and LFT, they rather should be used in new applications with
lower demands.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein vereinfachtes Rechenmodell zur Berechnung von Verbundträgern, mit der Berücksichtigung des Verbundanschlusses mit einer bilinearen Anschlußfeder hergeleitet. Die Entwicklung des Rechenmodells basiert dabei auf der Auswertung von Versuchen, die im Labor für Konstruktiven Ingenieurbau an der Universität Kaiserlautern durchgeführt worden sind. Besonders das beobachtete Trag-und Verformungsverhalten der Großversuche lieferte einen sehr wichtigen Beitrag zur Entwicklung des Modells. Es wurde Wert auf die Entwicklung eines einfachen Verfahrens gelegt, das trotzdem einen guten Kompromiß zwischen den Anforderungen an die Wirtschaftlichkeit und die Sicherheit findet. Zur Bestimmung der verschiedenen, im Modell benötigten Rechengrößen, wurden insgesamt 56 Versuche mit Verbundanschlüssen ausgewertet. Die benötigten Rechengrößen sind folgende: Das vom Anschluß erreichbare, maximale Moment Die Auswertung der Versuche hat gezeigt, daß das rechnerische plastische Moment nicht von allen Anschlüssen erreicht wurde. Diesen Anschlüssen war gemeinsam, daß sie mit Matten bewehrt waren (oder mit Stabstahl d8mm), oder es wurde der Stützensteg für das Versagen des Anschlusses maßgebend. Auch die gelenkigen Fahnenblechanschlüsse (mit einem Spalt zwischen dem Trägeruntergurt und der Stütze) erreichten nicht immer das plastische Moment. Für diese Anschlüsse muß die Biegetragfähigkeit elastisch berechnet werden. Ausdrücklich zu betonen ist, daß die Bezeichnung plastischer Anschluß im Zusammenhang mit dem Rechenmodell nur etwas über die Größe des erreichbaren, rechnerischen Anschlußmomentes aussagt. Ein plastisch berechneter Anschluß kann sich, im Bezug auf die Duktilität, trotzdem spröde verhalten. Die Duktilität des Anschlusses wird gesondert ermittelt. Die Steifigkeit des Anschlusses Die im vereinfachten Rechenmodell zu ermittelnde Steifigkeit des Verbundanschlusses wird auf die Steifigkeit des angeschlossenen Trägers (im Zustand II) bezogen. Desweiteren hängt diese noch von der Geometrie des Anschlusses selbst ab. Die Zahlenwerte für die bezogenen Steifigkeiten der verschiedenen Anschlußtypen wurden mit Hilfe von 56 ausgewerteten Verbundanschluß-Versuche und mit Hilfe von wirklichkeitsnahen, physikalisch nichtlinearen Berechnungen kalibriert. Die rechnerische Grenzverdrehung des Anschlusses Für die Ermittlung der rechnerischen Grenzverdrehung wird, auf der sicheren Seite liegend, der Drehpunkt des Anschlusses in Höhe des Träger-Untergurtes festgelegt. Dann wird die rechnerische Grenzdehnung des Betongurtes berechnet und die Grenzverdrehung aus den Geometriewerten des Anschlusses und der Grenzdehnung des Betongurtes ermittelt. Die Kalibrierung des Verfahrens und die Justierung der Korrekturfaktoren wurden mit Hilfe der vorliegenden 56 Verbundversuche durchgeführt. Das reduzierte, plastische Feldmoment und die rechnerische Grenzverdrehung des Anschlusses Um noch eine zusätzliche Sicherheit gegen das Überschreiten der Maximallast des Trägers im Rechenmodell zu berücksichtigen, wird das größte Feldmoment auf das reduzierte, plastische Feldmoment begrenzt. Die Einführung dieser Reduzierung begründet sich in den nichtlinearen Berechnungen und insbesondere in der Auswertung der Großversuche. Um die letzten 10 % der Biegetragfähigkeit im Feld zu aktivieren, benötigt der Träger besonders große Verformungen. Dies bedeutet, daß die Duktilität des Verbundanschlusses dann benötigt wird, wenn der Verbundträger die 90%-Grenze seiner Biegebeanspruchbarkeit im Feld überschreitet. Im Rechenmodell wird diesem Verhalten dadurch Rechnung getragen, daß die Biegetragfähigkeit im Feld auf 90% des plastischen Feldmomentes begrenzt wird. Die restlichen 10% der Biegetragfähigkeit werden nur anteilmäßig in Abhängigkeit von der Größe der rechnerischen Grenzverdrehung des Verbundanschlusses dazu addiert. Die Rechenergebnisse des Modells wurden mit wirklichkeitsnahen, physikalisch nichtlinearen Gegenrechnungen überprüft. Die nichtlinearen Berechnungen wurden ihrerseits an den Großversuchen, die im Labor für Konstruktiven Ingenieurbau der Universität Kaiserslautern durchgeführt wurden, kalibriert. Für das Rechenmodell wurden getestet: Anschlüsse mit großer Steifigkeit, Anschlüsse mit geringer Steifigkeit, Anschlüsse mit sehr geringer Verdrehungsfähigkeit, Anschlüsse mit großer Verdrehungsfähigkeit, desweiteren die Grenzwerte nach [2.24] für die Einordnung eines Anschlusses in die Kategorie gelenkig , die Grenzwerte nach [2.24] für die Einordnung eines Anschlusses in die Kategorie starr , die Auswirkungen von Überfestigkeiten in den Anschlüssen, die Auswirkungen von veränderten Annahmen für die Festigkeiten beim gleichen System und beim gleichen Anschluß. Die Teilsicherheitsbeiwerte gegen ein Systemversagen bei den Berechnungen mit den Bemessungswerten (Berechnungs-Nr.: 12 und 22) liegen zwischen 1,18 und 1,59. Es wurden auch Vergleichsrechnungen mit hohen Werkstoffestigkeiten durchgeführt (Berechnungs-Nr.: 11 und 21), bei denen die angesetzten Bemessungswerte die wirklichen Festigkeiten z.T. sogar übersteigen. Hier liegen die Sicherheiten zwischen 1,01 und 1,49. Diese Werte stellen einen guten Kompromiß zwischen sicher und wirtschaftlich dar. Der Abstand zwischen den mit dem Rechenmodell ermittelten Verformungen und den nichtlinear ermittelten Verformungen wird i.a. erst kurz vor dem Erreichen der rechnerischen Grenzlast groß. Auf dem Gebrauchslastniveau werden die Verformungen vom vereinfachten Rechenmodell gut angenähert. Die Grenzen für die Einordnung der Anschlüsse in die Kategorien starr , verformbar und gelenkig , die in [2.24] angegeben sind, können durch die hier durchgeführten, vergleichenden Berechnungen bestätigt werden. Die Vergleichrechnungen zeigen, daß ein Anschluß im Zweifelsfall besser etwas steifer angenommen werden sollte. Dadurch wird er rechnerisch stärker beansprucht, und die Anschlußkonstruktion liegt auf der sicheren Seite. Die Auswirkungen auf das Feld sind gering. Auch verhält sich der Feldquerschnitt im allgemeinen gegenüber Abweichungen in den rechnerischen Annahmen gutmütiger . Durch die konzentrierte Verdrehung im Bereich des Verbundanschlusses und durch die Kerbe, die das Stützenprofil für den Betongurt darstellt werden direkt am Stützenprofil Risse im Betongurt hervorgerufen. Die erforderliche Betongurtdehnung aus der Anschlußverdrehung findet hier konzentriert in 2, bis maximal 3 Rissen statt. Dieses Rißgeschehen läßt sich bei großen Anschlußverdrehungen und mit einer normalen Bewehrung nur sehr schwer beherrschen, siehe Bild 4.13. Versuche mit unterschiedlichen Arten von Bewehrungen und Bewehrungsführungen sollten durchgeführt werden (z.B. stahlfaserbewehrter Beton im Anschlußbereich, Zulage von Stäben mit hochfestem Stahl, Zulage von Glasfiebermatten). Das Ziel muß es dabei sein, die Rißbreiten im Gebrauchszustand unter Kontrolle zu halten. Zu beachten ist dabei, daß der Gebrauchszustand des Anschlusses vom ganzen System -Träger mit Verbundanschluß - vorgegeben wird. Die Möglichkeit, die Bewehrung wirtschaftlich herstellen und einbringen zu können, sollte ein weiterer Gesichtspunkt bei der Planung der Versuche sein.
Zur Eigenspannungsausbildung bei der wickeltechnischen Verarbeitung thermoplastischer Bandhalbzeuge
(2005)
Filament winding is today a well established production technique for fiber reinforced
pressure vessels. Most of the parts are still made using thermosets as matrix material,
but parts with thermoplastic matrices are today on the edge to mass production.
Usually these parts are made from fully consolidated unidirectional fiber reinforced
thermoplastic tapes. During processing the matrix material is molten and the tapes
are placed on the substrate where they re-solidify. A wide range of material combinations
are available on the market. The materials used in the present investigation are
semi-crystalline thermoplastics and glass or carbon fiber i.e. carbon fiber reinforced
Polyetheretherketone, glass fiber reinforced Polyetheretherketone and glass fiber
reinforced Polypropylene.
Applications can be found in the field of medium and high pressure vessels like they
are used for natural gas and hydrogen storage or for tubes and pipes for their transport.
During the design of such parts mostly idealized properties as for example tensile
strength are used. Residual stresses which are inherent for composite materials
are only considered as part of the safety factor.
The present work investigates the generation of residual stresses for in-situ consolidation
during filament winding. Within this process consolidation of the tape material
and the substrate takes place immediately after the tapes are placed. This is contrary
to the normal curing of thermoset materials and has a large influence on the generation
of the residual stress. The impact of these stresses on the behavior of the produced
parts during service is one of the topics of this investigation. Therefore the
background of thermal residual stresses in semi-crystalline thermoplastic parts is discussed
and a closer look on the crystallization behavior of the matrix materials was
taken. As the beginning of the crystal growth is a major point in the generation of thermal residual stress.
The aim of the present work is to find process parameter combinations that allow to
compensate the thermal residual stresses and to generate a residual stress profile
that – unlike the thermal residual stresses - brings about structural benefit. Ring
samples with a defined geometry were made to measure the generated stresses.
The geometry of the samples was chosen in a way that prevents influences of the
boundary conditions of the free edges on the measuring point.
In the investigations the residual stresses were measured in circumferential direction
using a method where the ring samples were cut in radial direction and the deformation
was measured using strain gages. From the strain the local stress can be determined.
It was tried to minimize the number of experiments. Therefore the influence of filament
winding process parameters on the residual stress were investigated using a
Design of Experiments approach where the main influences on the residual stress
generation can be found from a relatively small number of experiments such as 8
instead of 128. As a result of these experiments it was found that the winding angle,
the mandrel temperature, the annealing, the wall thickness and the tape tension have
a significant influence on residual stresses. With increasing winding angles the influence
on the measured circumferential stresses increase regardless to kind of residual
stresses. The mandrel temperature has a large influence on the temperature difference
that causes the stress between fiber and matrix. They are caused by different
thermal expansion coefficients of fiber and matrix. Structural benefit through annealing
is only theoretically possible because the required outside temperatures
along with internal cooling of the parts can not be realized within an industrial processes.
Increasing wall thickness leads to also increasing residual stress but it can not
be the aim to build oversized parts for the sake of residual stresses. The applied tape
tension was identified as a parameter that can be used to achieve the desired residual
stress state with reasonable efforts.
Different ways of varying the tape tension with increasing wall thickness were investigated.
The tape tension was increased with every layer to a chosen maximum value or, after half of the layers were placed, in one step to the maximum value. Furthermore
a continuously high tape tension and a variant without tape tension was investigated.
The experiments led to the conclusion that increasing tape tension with increasing
wall thickness is a viable way to have structural benefit from residual stress.
The increasing in one step gave the best results.
The impact of the thermal history during production is discussed as well. Temperatures
must not exceed the softening point of the matrix. Otherwise a part of the tape
tension gets lost by relaxation. In a particular case the relaxation reached an amount
where the compensation of the thermal stresses failed. Thermodynamic calculations
led to the conclusion that the energy transfer into the material by mandrel heating
and melt energy caused a temperature above the softening point.
The impact of tape tension on material quality is documented. Very low tape tension
can not guarantee a proper consolidation. On the other hand excessive tape tension
can lead to matrix squeeze out and in particular cases to cracks due to too high residual
stresses. Therefore the tape tension profile should be well adapted to work
load, the composite and its properties.
Investigations on the relaxation behavior of the residual stresses showed that relaxation
occurs and that a part of the residual stress relaxes when the samples were exposed
to higher temperatures. Test at room temperature showed no significant sign
of relaxation. When the temperature was raised – in this case to 80 °C - the samples
clearly relaxed. The amount of induced residual stress sank to half of its initial value.
Investigations on the structural benefit showed that material savings of up to 23 % of
weight are possible for high pressure applications and fiber reinforcements with relatively
low fiber volume content. Higher fiber volume contents which also mean higher
strengths reduce the benefit. As the strength of the material increases the benefit
reduces in relation to it.
Nevertheless there is a potential in material saving and one should keep in mind that
the costs to establish the equipment to control the tape tension is cheap in comparison
to the achievable result.
Die enorme Reaktivität des Tetrahedrans [{Cp'''Fe}2(µ-CO)(µ-eta2:2-P2)] (1) konnte durch die Komplexierung eines der beiden Phosphoratome mit dem 16VE-Übergangsmetall-Fragment {W(CO)5}herabgesetzt werden. Die Oxidation von [{Cp'''Fe}2(µ-CO)(µ-eta2:2-P2)] (1) mit Schwefel und Selen führt bereits bei Raumtemperatur zu den pseudo-Tripeldeckerkomplexen vom Typ [{Cp'''Fe}2(µ-eta4:4-P2X2)] (2,3) mit einem P2X2-Mitteldeck (X = S, Se). Die vier Hauptgruppenelemente liegen als trapezoid angeordnete Kette vor (RSA), ähnlich der P4-Kette in den Komplexen vom Typ [{CpRFe}2(µ-eta4:4-P4)] (4). Unter Photolyse-Bedingungen erhält man durch Abspaltung der verbrückenden CO-Gruppe aus 1 den bereits von Eichhorn [11,38] charakterisierten Bicyclus [{Cp'''Fe}2(µ-P)2] (5), der in situ mit Schwefel und Selen zu den selben Oxidationsprodukten 2 beziehungsweise 3 reagiert (vgl. voranstehend). Die Komplexierung beider Phosphoratome in den pseudo-Tripeldeckerkomplexen 2 und 3 mit [W(CO)6] ist möglich, wobei die einfach komplexierte Verbindung [{Cp'''Fe}2(µ3-eta4:4:1-P2X2){W(CO)5}] (6,7) (X = S, Se) die P2X2-Struktureinheit des Eduktes beibehält, wäh-rend bei der Zweifachkomplexierung ein stark verzerrtes trigonales Prisma entsteht. Die beiden {W(CO)5}-Fragmente sind in [Cp'''2Fe2P2X2{W(CO)5}2] (8,9) (X = S, Se) symmetrisch an dieses Polyedergerüst koordiniert. Im Fall des Selens entsteht noch eine dritte Verbindung, deren zentrales Strukturelement ein P2Se2Fe-Fünfring ist, in welchem das Fe-Atom etwas nach unten abknickt und neben einem η5-koordinierten Cp'''-Ring eine terminale CO-Bindung aufweist. In Verbindung [Cp'''Fe(µ4-eta4:2:1:1-P2Se2)Fe(CO) Cp'''{W(CO)5}2] (10) sind die beiden Phosphoratome zusätzlich komplexiert. Die Langzeitthermolyse des [{In''(OC)2Fe}2(µ-eta1:1-P4)]-Butterfly-Komplexes (11) mit dem zweikernigen [{Cp'''Fe(CO)2}2] (12) liefert drei pseudo-Tripeldeckerkomplexe [{Cp'''Fe}2(µ-eta4:4-P4)] (4a), [{In''Fe}2(µ-eta4:4-P4)] (4b) und [{Cp'''Fe}{In''Fe}(µ-eta4:4-P4)] (4c). Bei der Umsetzung des Cp'''-Derivates 4a mit [W(CO)6] können zwei strukturisomere Komplexierungsprodukte 31P-NMR-spektroskopisch nachgewiesen werden. Durch fraktionierende Kristallisation gelangt man zu einer analysenreinen Substanz, die röntgenstrukturanalytisch als der alternierend koordinierte Komplex [{Cp'''Fe}2(µ4-eta4:4:1:1-P4){W(CO)5}2] (13) charakterisiert werden kann. Bei dem Versuch, ein Ruthenium-Dimer vom Typ [{CpRRu(CO)2}2] (14) mit dem Tri-tert-butyl-Cyclopentadienylliganden zu synthetisieren, erhält man nur Verbindung [{Cp'''Ru}2(µ-CO)(µ-O)] (15), dessen thermische Umsetzung mit weißem Phosphor zu einem weiteren pseudo-Tripeldeckerkomplex [{Cp'''Ru}2(µ-eta4:4-P4)] (16) mit einem P4-Mitteldeck führt.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte ein Beitrag zu der Frage geleistet werden, welche Bedeutung etheno-DNA-Addukte in der Karzinogenese und bei chronisch degenerativen Erkrankungen haben könnten. Zu diesem Zweck wurden etheno-DNA-Addukte mittels 2-Chloracetaldehyd (CAA), einem von zwei Metaboliten von Vinylchlorid und dem Krebstherapeutikum Ifosfamid, in einem humanen B-lymphoiden Zellsystem (Raji Zellen) induziert. Der subtoxische Konzentrationsbereich von CAA wurde mittels Wachstumskurven auf unter 100 microM eingegrenzt. Weiterhin wurde gezeigt, daß CAA in den in dieser Arbeit verwendeten Konzentrationen einen relativ großen Einfluß auf das Wachstumsverhalten von Raji Zellen hatte. Dieser Einfluß beruhte unter anderem auf der Hemmung der DNA-Replikation und damit indirekt auch auf die DNA-Reparatur, der CAA-abhängigen Kondensation der zellulären DNA aufgrund von DNA-DNA-Quervernetzungen und einem geringen Einfluß auf die Atmungskette in Mitochondrien aufgrund einer Hemmung des NADH-Dehydrogenase-Komplexes. Die weitere Arbeit verteilte sich daraufhin auf drei Teilprojekte : - Die Detektion und Quantifizierung von etheno-Desoxyadenosin-Addukten (edA) wurde unter Anwendung einer einfachen, nicht-radioaktiven Alternative zu der IPPA-Postlabeling-Methode auf HPLC-Basis mit Fluoreszenzdetektion durchgeführt, die im Rahmen dieser Arbeit etabliert wurde. Dabei konnte gezeigt werden, daß CAA bei Konzentrationen zwischen 30 und 100 microM eine Erhöhung von edA um den Faktor 3-4 in Raji Zell-DNA zur Folge hatte. Ferner konnte mit Hilfe dieser HPLC-Methode zum ersten Mal die Induktion von edA als Folge von Zigarettenrauch in diesem Zellsystem gezeigt werden, wobei es offen bleibt, ob diese DNA-Addukte direkt oder durch Induktion von Lipidperoxidation gebildet wurden. - Der Nachweis der genspezifischen Induktion von etheno-DNA-Addukten in einer "Hot-Spot"-Region der mitochondrialen DNA wurde auf Basis einer in unserer Abteilung von Yang und Hergenhahn entwickelten Methode zum genspezifischen Nachweis von DNA-Schäden durchgeführt. Dazu wurde diese Methode auf die in dieser Arbeit gestellten Anforderungen hin weiterentwickelt. Es konnte unter Zuhilfenahme dieser Methode eine signifikante Zunahme von edA in der mitochondrialen Zielregion, bei CAA-behandelten Proben gegenüber den Kontrollen, nachgewiesen werden. - Der Einfluß von CAA auf die Mutationsraten in mitochondrialer DNA aus Raji Zellen wurde mit Hilfe des RSM- und DPD-Tests untersucht. Der DPD-Test wurde im Laufe dieser Arbeit zu einem Festphasen-DPD-Test weiterentwickelt um den Hintergrund an nicht mutierten Sequenzen und die Gefahr von Kreuzkontaminationen zu minimieren. Im Rahmen dieser Experimente konnte eine Zunahme von Mutationen zwischen 10,5 und 14,5 % der CAA-behandelten Proben gegenüber den unbehandelten Kontrollen gezeigt werden. Die Art der Mutationen wurde durch Sequenzierung ermittelt und waren in allen CAA-behandelten Proben A G und T C Transitionen. Weiterhin wurde überprüft, ob CAA, als bifunktionelles Agens, neben Punktmutationen auch Deletionen auslösen könnte. Dabei wurde eine nahezu signifikante Zunahme an Deletionen in den CAA-behandelten Proben gegenüber den unbehandelten Kontrollen festgestellt. Die in dieser Arbeit angewendeten und weiterentwickelten Methoden könnten durchaus weitere praktische Anwendungen finden. So könnte die Bestimmung von edA mittels HPLC aus Blut von Krebspatienten, bei Behandlung mit dem Krebstherapeutikum Ifosfamid, ein nützliches Hilfsmittel für die Expositionskontrolle werden. Hierbei könnte edA als Marker für die interne Belastung des Patienten mit, dem Metabolit von Ifosfamid, CAA dienen. Die in dieser Arbeit entwickelte Festphasen-DPD-Methode ebnet den Weg, unselektierte durch edA-ausgelöste Mutationen in nukleären Genen wie z.B. p53 zu bestimmen, die aufgrund von erhöhter Lipidperoxidation unter pathologischen, präkarzinogenen Bedingungen wie Wilsons Syndrom oder Hämochromatose gebildet werden könnten. Da bisher keine mitochondrialen etheno-DNA-Addukt-spezifischen Reparaturenzyme beschrieben wurden, muß man davon ausgehen, daß etheno-DNA-Addukte auch einen Beitrag zu Mutationen im mitochondrialen Genom leisten und damit eine Rolle im Prozeß des Alterns bzw. in der Entwicklung von degenerativen Erkrankungen spielen könnten.
