Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) sind Hochleistungsverbundwerkstoffe, die sich durch ihre thermischen und gewichtsspezifischen mechanischen Eigenschaften auszeichnen. Eine glasige, hochvernetzte Epoxidharzmatrix verleiht dem Material einen hohen thermischen Widerstand, macht den Verbundwerkstoff jedoch auch spröde und anfällig für Risse und schlagartige Beanspruchungen. Eine Möglichkeit, diese Schlüsseleigenschaft, die Zähigkeit von Epoxidharzmatrixsystemen, zu erhöhen, ist die Modifikation der zugrundeliegenden Morphologie; das Einbringen zusätzlicher Substrukturen erhöht den Widerstand des Materials gegen Rissbildung und -fortschritt. Diese Arbeit liefert einen Beitrag zum Verständnis des Einflusses von Substruktur-bildenden, selbstorganisierenden Block-Copolymern (BCP) und vorgeformten Kern-Schale-Partikeln (KSP) auf die Zähigkeit und die Schadenstoleranz von dünnen CFK-Strukturen und deren Epoxidharzmatrizes. Mittels einer neuen, thermooptischen Messmethode wird gezeigt, dass die Bildung von BCP-reichen Substrukturen alleine vom chemischen Umsatz der Vernetzungsreaktion der Epoxidharzmatrix abhängt. Zudem wird die Substrukturbildung im CFK stark durch die Anwesenheit der Kohlenstofffasern beeinflusst. Bereits geringe BCP-Konzentrationen (7 Gew.-%) führen zu einer drastischen Erhöhung (250 %) des interlaminaren Risswiderstands des Faserverbunds (Mode I). Eine Modifikation mittels KSP wiederrum steigert den benötigten Energieeintrag zur Initiierung von Delaminationen (160 %, Mode II). Durch eine Hybridisierung beider Modifikatoren ist es so möglich, das Schädigungsvolumen unter Schlagbeanspruchung, wenn beide Lastfälle kombiniert auftreten, um mehr als 67% zu verringern. Die generierten Materialsysteme und das erarbeitete Verständnis erlauben es, zukünftig noch dünnere CFK-Strukturen herzustellen, ohne deren Strukturintegrität bei Schlagbeanspruchung zu reduzieren. Carbon fibre reinforced epoxies (CFRE) are a class of high performance, light-weight composites that show outstanding, weight-specific (thermo-)mechanical properties. A glassy and highly cross-linked epoxy matrix provides the composite with a high thermal resistance, but makes the CFRE also inherently brittle and susceptible to cracks and impacts. One strategy to overcome this drawback and to improve fracture toughness of epoxy matrices is to modify the underlying morphology with additional substructures (domains in the nano and/or micron size range). This allows increasing the energy that is required to initiate or propagate a crack within the material. The present work contributes to a better understanding of the effect of substructure-forming, self-assembling block copolymers (BCP) and pre-formed core-shell rubber particles (CSR) on the toughness and impact behaviour of thin CFREs and their epoxy matrices. Using a new thermo-optical measurement technique, it is shown that the phaseseparation process of BCP-rich domains is solely driven by the degree of cure of the epoxy matrix. Also, it is found that the process of BCP phase-separation, e.g. the BCP-rich domain size, changes strongly in the presence of carbon fibres. Low concentrations of BCPs (7wt.-%) yield a 2.5-fold enhancement of the resistance to interlaminar fracture of the CFRE (Mode), already. Using CSR particles, on the other hand, the energy required to initiate delamination (Mode II) within the CFRE increases by 160 %. Subsequently, by a hybridization of BCP and CSR modifiers, after low energy impacts, when both load cases occur in combination, a synergistic damage volume reduction by more than 67% is achieved. Hence, the generated material systems and the acquired understanding allow future CFRE based structures to be even thinner than current design solutions, without affecting their structural integrity under impact loads.

Die Anwendung von tragbare Sensorik im Bereich der Bewegungsanalyse ist mittlerweile zu einem zentralen Bestandteil in der Medizin und im Sport geworden. In den letzten Jahren befinden sich vor allem Inertiale Messeinheiten (IMU) auf dem Vormarsch. Durch die Fusion mehrerer Sensoren erlauben es IMU Systeme komplexe Informationen wie etwa Gelenkwinkel und spatio-temporale Parameter (STP) zu gewinnen. Viele der heute verfügbaren IMU Systeme befinden sich in der Entwicklungsphase und wurden noch nicht adäquat für den klinischen oder den sportspezifischen Einsatz auf Validität und Reliabilität getestet. Dieses Prozedere ist nach wissenschaftlichen Gesichtspunkten unerlässlich bevor ein System zur biomechanischen Analyse herangezogen und basierend auf dessen Ergebnissen etwa klinische Entscheidungen getroffen werden können. Folglich wurde in der vorliegenden Arbeit ein neu entwickeltes IMU System, dass, basierend auf Akzelerometer und Gyroskop Daten, spatio-temporale Gangparameter und Gelenkswinkel der unteren Extremität berechnet, hinsichtlich dieser Kriterien evaluiert. Zu diesem Zweck wurden mit Hilfe dieses IMU Systems Daten von unterschiedlich dynamischen Bewegungen in zwei verschiedenen Probandengruppen, einer gesunden, jungen Gruppe und einer Gruppe mit Patienten nach totaler Hüftarthroplastik (THA), aufgenommen. Daraus wurden die 3D Winkel des Hüft-, Knie- und Sprunggelenks sowie die globale Bewegung des Beckens berechnet. Weiter wurden gangspezifische STP, z.B. Schrittlänge, Schreitlänge, Kadenz, berechnet. Aber auch STP die typischerweise nur mit alternativen Systemen zuverlässig zu messen sind, z.B. Spurbreite und Durchschwungbreite, wurden erhoben. Die Ergebnisse aus dem IMU System wurden gegen ein etabliertes Referenzsystem im Bereich der Bewegungsanalyse, in Form eines markerbasierten stereophotogrammetrischen Systems, verglichen. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen in beiden Gruppen eine starke Korrelation zwischen den Systemen in den Gelenkwinkeln der sagittalen und frontalen Ebene, sowie den STP. Es zeigte sich aber auch, dass die Übereinstimmung des IMU Systems mit dem kamerabasierten System vor allem in den Winkeln der Transversalebene, i.e. Rotationsbewegungen, und hier vor allem im Bereich des Kniegelenks leicht abnimmt. Weiter zeigte sich, dass die Genauigkeit des IMU Systems bei dynamischeren Bewegungen ebenfalls abnimmt. Bezüglich der Test-Retest Reliabilität zeigen die aktuellen Daten eine hohe Verlässlichkeit der Messergebnisse. In einem zweiten Schritt wurde mit Hilfe der Daten des nun validierten IMU Systems versucht pathologische Gangmuster, in dem konkreten Fall das Gangmuster von Patienten nach THA, von physiologischen zu differenzieren. Hierzu wurde ein Algorithmus des maschinellen Lernens angewandt um an Hand von ausgewählten, klinisch relevanten Parametern eine Klassifikation vorzunehmen. Diese Methode wurde ebenfalls sowohl an Hand von IMU Daten und Daten des Referenzsystems evaluiert. Es zeigte sich kein Unterschied in der Klassifikationsgenauigkeit zwischen den Systemen. Die Genauigkeit, mit der pathologische Gangmuster erkannt wurden, lag in beiden Fällen über 96 %. Die vorliegende Arbeit beschreibt im Detail die Vor- und Nachteile eines neu entwickelten, mobilen IMU Systems, das komplexe Parameter der Kinematik mit hoher Genauigkeit und Verlässlichkeit erfasst. Besonders die erfolgreiche Evaluierung dieses Systems in einer klinisch relevanten Applikation zeigt das große Potential von IMU Systemen in der klinischen Anwendung.

Der moderne Schulbau verlangt nach neuen Wegen, um veränderte pädagogische und architektonische Anfor-derungen mit den präskriptiven Vorgaben bisheriger Bauweisen in Einklang zu bringen. Im Zyklus der ständigen Anpassung geltender Bauvorschriften an die Veränderungen der Gesellschaft und den Stand der Technik, gilt es, den Wunsch nach neuen Schulbauformen aufzugreifen und ingenieurmäßig und baurechtlich fortzuentwickeln. Basierend auf den Leitlinien neuer Schulbauformen und den darauf aufbauenden, mit ingenieurmäßiger Argumentation entwickelten Geometrien, werden diese, mittels rechnerischer Verfahren des Brandschutzingenieurwesens, konkretisiert. Um die These der Gleichwertigkeit des Sicherheitsniveaus von konventionellen und neuen pädagogischen Schulbauformen zu verifizieren, werden konventionelle Schulen als Grenzwertmodelle nach Maßgabe präskriptiver Vorgaben entwickelt und mithilfe eines Handrechenverfahrens werden die Grund-lagen von Personenströmen in Gebäuden ermittelt. Die Anwendung des Handrechenverfahrens auf konventionelle Schulmodelle liefert Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit der einzelnen Rettungswegelemente. Zusätzlich wird deutlich, dass das Verfahren sehr aufwändig ist und insbesondere bei paralleler graphischer Er-mittlung, es einer intensiven Auseinandersetzung mit dem Rechenverfahren bedarf. Für das Verständnis inge-nieurmäßiger Räumungsnachweise, stellt das Handrechenverfahren eine wichtige und notwendige Voraussetzung dar, um Computer unterstützte Individualmodelle korrekt anzuwenden und deren Ergebnisse sinnvoll interpretieren zu können. Es wird auch deutlich, dass das Handrechenverfahren aufgrund des hohen Aufwandes nicht dazu geeignet ist, um umfangreiche Parameterstudien durchzuführen. Auf der Grundlage pädagogischer und architektonischer Leitlinien erfolgen Modellentwicklungen unterschiedlicher Raumformen. Das hierfür entwickelte Rettungswegsystem wird, unter Zuhilfenahme eines Computer unterstützen Individualmodells, mittels Parameterstudien zur Verifizierung ungünstigster Randbedingungen untersucht. Die ungünstigste Raumgeometrie bildet die Grundlage zur Fortentwicklung ganzer Gebäudegrundrisse und die Entwicklung unterschiedlich großer Schulgebäudekörper. Die Ergebnisse der Parameterstudien alter und neuer Schulbauformen, aus mehr als 8000 Simulationsdurchläufen, werden als bewertender Vergleich der Risikosituation, zu unterschiedlichen Schulmodellen herangezogen. Als wesentliche Vergleichsgröße dient die Anzahl der Agenten (Personen), welche bei der Gegenüberstellung konventioneller und neuer Schulbauformen, jeweils gleich ist. Aus den Ergebnissen der Untersuchungen werden die Kapazitätsgrenzen konventioneller Schulbauformen nach Maßgabe präskriptiver Vorgaben verdeutlicht. Insbesondere die Bestimmung des ungünstigsten Szenarios unter Beachtung temporärer Zustände und die Berücksichtigung von Ausfallszenarien baulicher Rettungswege, verdeutlichen die Relevanz einer ingenieurmäßigen Betrachtung des Themas. Zusätzlich zu den Vergleichsbetrachtungen zwischen konventionellen und neuen Schulbauformen wird ein Instrument entwickelt, welches die Qualität der Rettungswege hinsichtlich gegenläufiger Ströme berücksichtigt. Es erfolgt eine Betrachtung, die unter Berücksichtigung des zeitlichen Verlaufs die gegenläufige Bewegung von Flüchtenden Personen und den Kräften des abwehrenden Brandschutzes betrachtet. Die Instrumente zur Bestimmung der Qualität der Rettungswege sind dazu geeignet, allgemeingültig auf Gebäude besonderer Art und Nutzung zu übertragen.

Der Beruf schulischer Lehrkräfte ist starken Spannungsverhältnissen und Antinomien ausgesetzt, die es gerade in der unterrichtlichen Gestaltung zu bewerkstelligen gilt. Durch aktuelle bildungspolitische Forderungen, die eine Medienkompetenzförderung und die Einbindung digitaler Medien in den Unterricht fordern, wachsen auch die Erwartungen an den Lehrer*innenberuf sowie seine Aufgaben. Da es gilt, Schülerinnen und Schüler auf eine selbst- und eigenverantwortliche Teilhabe in der Gesellschaft vorzubereiten, braucht es daher geeignete Lehr- und Lernkonzepte, um digital gestützte Veränderungs- und Arbeitsprozesse zu berücksichtigen. Das fordert zuweilen ein Umdenken bewährter Unterrichtskonzepte und Rollenwahrnehmungen von Lehrkräften. In der Arbeit steht daher die Rollenwahrnehmung schulischer Lehrkräfte unter der Perspektive eines digitalen Medieneinsatzes im Fokus. Dazu wurde in einem zweistufigen qualitativen Analyseverfahren Rollenwahrnehmungen von Lehrerinnen und Lehrern erhoben und diese vor dem Hintergrund der sozialen Rollentheorie von Parsons diskutiert.

Glasfaserverstärktes Sheet Molding Compound (G-SMC) wird seit mehreren Jahrzehnten vorrangig in der Automobilindustrie zur Herstellung von Außenhaut- und Verkleidungsbauteilen verwendet. Es handelt sich dabei hauptsächlich um ebene und großflächige Bauteile mit niedrigen oder semistrukturellen Anforderungen. Aufgrund der hohen Designfreiheit von Bauteilen dieser Werkstoff-klasse wird seit einigen Jahren versucht diese durch die Steigerung der mechanischen Kennwerte als strukturelle Komponenten zu befähigen und in Fahrzeugstrukturen zu integrieren. Die beiden wichtigsten Stellgrößenen sind hierbei die Verwendung von Kohlenstofffasern (C-Fasern) zusammen mit einem hohen Faservolumengehalt (über 40 Vol-%). Mit dem Einsatz teurer C-Fasern und dem Wunsch nach effzientem Materialeinsatz steigt der Bedarf nach Simulationswerkzeugen, um die Formfüllung bzw. Bauteilherstellung zu beschreiben. Für G-SMC wurden bisher DProzesssimulationen entwickelt und validiert. Trotz allem ist der Einsatz in der industriellen Praxis bisher kaum verbreitet. Insbesondere lassen sie sich auf den Einsatz von Kohlenstofffaserverstärkten Sheet Molding Compounds (C-SMC) nicht anwenden, da hierbei komplexe, teilweise verripte 3D-Bauteile vorliegen. Um die Material- und Produktkosten bei C-SMC zu senken, werden mittlerweile auch rezyklierte Halbzeuge angeboten und industriell eingesetzt. Diese Halbzeuge weisen in ihrem Umform- und Fließverhalten deutliche Unterschiede zu Neufasermaterialien auf. Hier setzt die vorliegende Arbeit an. Sie leistet einen Beitrag zur Charakterisierung und phänomenologischen Beschreibung von C-SMC mit neuen und rezyklierten C-Fasern. Dabei stehen Methoden zur Erzeugung von Eingangs- und Validierungsdaten für die 3D-Prozesssimulation im Vordergrund. Zur Bestimmung der Faserorientierungen als wichtigste Kenngröße wird das Wirbelstromverfahren in Transmission verwendet. Dabei wird erstmalig eine Methode zur Messung von komplexeren 3D-Bauteilen gezeigt und eine Übertragung auf Finite-Elemente-Netze (FE-Netze) entwickelt. Auf Basis der Materialcharakterisierung wird eine durchgängige, virtuelle 3D-Prozesskette (VPK) für den Pressvorgang bereitgestellt. Für die 3D-Simulation des Pressvorgangs wird der gekoppelte Euler-Lagrange-Ansatz (CEL) verwendet. Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal gegenüber der bisherigen Modellierung von G-SMC ist der festkörpermechanische Betrachtungsansatz des C-SMC beim Pressen. Insbesondere für rezykliertes C-SMC mit einer Wirrfaserstruktur und starken Kompaktierung kommen die bisher verwendeten uidmechanischen Anäatze an die Grenzen ihrer Gültigkeit. Für die Simulation der Bauteilabkühlung nach dem Pressvorgang wird eine linearelastische, orthotrope 3D-Verzugssimulation entwickelt. Für die Verknüpfung der Presssimulation mit der anschließenden Verzugssimulation wird eine modulare Schnittstellenlösung bereitgestellt. Ein Fokus der Entwicklung ist die industrielle Einsetzbarkeit der VPK, weshalb Werkzeuge und Methoden bereitgestellt werden, um komplexere Modelle zu erstellen und diese zu verknüpfen. Die Anwendbarkeit und Prognosegüte der entwickelten VPK wird abschließend an einem Vorserienbauteil einer PKW-Stütze C-Säule ausführlich untersucht.