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Expansion of the IgANets Framework to Non-Linear Computational Solid Mechanics
Get PDFIgANets ist ein Framework für die Entwicklung von neuronalen Netzen, welches auf einer Kombination von physikbasierten neuronalen Netzen und Operator-Netzwerken beruht. Angewandt wird IgANets auf splinebasierte Geometrien im Rahmen von Isogeometrischer Analyse. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung dieses Frameworks auf die Gleichgewichtsbedingung der statischen, nichtlinearen Kontinuumsmechanik. Fokus wird gelegt auf isotropes, hyper-elastisches Materialverhalten nach dem neo-Hookschen Materialgesetz. Ebene B-spline Geometrien, bestehend aus einem Patch, werden Dirichlet-Randbedingungen unterworfen, wobei die resultierende Verformung von dem neuronalen Netz vorhergesagt wird. Das entwickelte neuronale Netz ist selbstlernend in dem Sinne, dass es keine annotierten Daten für das Training benötigt. Dies wird ermöglicht, indem die zugrundeliegenden physikalischen Gesetze der Verformungsenergie direkt in die Loss-Funktion integriert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das entwickelte neuronale Netz hervorragend als Gleichungslöser eignet, insofern es auf nur eine spezielle Instanz eines Problems angewandt wird. Zur Validierung werden Vergleichsrechnungen mittels traditioneller numerischer Methoden angestellt. Im Anschluss daran wird ein generisches Netzwerk mit verschieden vielen zufällig generierten Trainingsdaten trainiert. Dabei zeigt sich klar, dass die Genauigkeit des Netzwerks mit wachsendem Trainings-Pool zunimmt. Wird das Netzwerk auf neue, vom Training ausgeschlossene, Daten angewandt, um die Verformung vorherzusagen, ergibt sich ein gemittelter Fehler von wenigen Prozent bezogen auf die Dimensionen der unverformten Referenz-Geometrien. Zusätzlich wird ein konventionelles, datengetriebenes Netzwerk anhand von numerischen Lösungen trainiert. Beide Varianten werden miteinander verglichen und es zeigt sich, dass das physikbasierte Netzwerk nach dem IgANets-Prinzip gleich gut, wenn nicht besser performt.IgANets is a neural network framework that combines ideas of physics-informed neural networks and deep operator networks and applies these to spline-based geometric domains in an isogeometric analysis setting. This work explores the application of IgANets within the realm of 2D continuum mechanics to the static equilibrium equation where the focus lies on large, hyperelastic deformations, governed by an isotropic neo-Hookean material law. Single-patch B-spline geometries are subjected to Dirichlet boundary conditions and the resulting deformations are predicted by the neural network. This neural network is self-learning, meaning no labeled data is necessary for its training. This is achieved by integrating the physics of the problem directly into the loss function in form of the total potential energy of the respective deformation. Results show that the network applied as pure solver to a single instance can predict the solution very well - comparisons are carried out with traditionally obtained numeric solutions. After that, a generic network is trained with varying number of randomly generated samples and it becomes evident that its inference capabilities improve with increasing training size. The mean deformation error of the generic network's predictions for unseen data is in the low single digit percentages when comparing it to the dimensions of the original geometry. Additionally, a purely data-driven network is trained on traditionally calculated solutions. Both implementations are compared and show very similar effectiveness with the IgANets network performing at least as good as the data-driven one
Life Cycle Assessment for seasonal thermal energy storage (phase change storage and tank storage)
No full textIn dieser Arbeit wird die ökologische Bewertung zweier Wärmespeichertechnologien durchgeführt: der sensiblen sowie der latenten Speicher. Ziel ist es, durch eine Lebenszyklusanalyse (LCA) die Umweltauswirkungen der Speichersysteme systematisch zu vergleichen und ihre Relevanz für eine nachhaltige Wärmewende zu bewerten.Die Untersuchung basiert auf einer Literaturrecherche und Modellierung in openLCA. Dabei wurden unterschiedliche funktionelle Einheiten, wie die Speicherkapazität oder die Masse der Speicher kritisch gegenübergestellt und die Ergebnisse mithilfe der Wirkungsabschätzungsmethoden ReCiPe 2016 und GHG Protocol (CO2-Äquivalente) ausgewertet. Da die Ergebnisse von LCA-Studien stark von den gewählten Parametern abhängen, werden im Rahmen der Arbeit die Relevanz und mögliche Ansatzpunkte für Sensitivitätsanalysen, wie z. B. Materialwahl, Dämmstärke oder Lebensdauer, diskutiert.Die Resultate verdeutlichen, dass der ökologische Fußabdruck maßgeblich von der Größe der Speicher bestimmt wird, wobei insbesondere die Herstellung große Auswirkungen hat. Gleichzeitig weisen innovative Speicher mit Phasenwechselmaterialien (PCM) ein günstigeres Verhältnis von Energieeinsatz zu Speicherkapazität auf, jedoch ist ihre ökologische Vorteilhaftigkeit stark vom eingesetzten Material und der Lebensdauer abhängig. Die Bewertung von Latentwärmespeichern stützt sich auf Ergebnisse aus der Literatur, die in dieser Arbeit eingeordnet und diskutiert werden. Für konventionelle Wasserspeicher konnte bestätigt werden, dass die Wahl der funktionellen Einheit maßgeblich die Vergleichbarkeit der Ergebnisse bestimmt.Insgesamt verdeutlicht die Arbeit, dass Wärmespeicher ein erhebliches Potenzial zur Reduktion von Treibhausgasemissionen beitragen können, die Aussagekraft von LCA-Studien jedoch stark von den gewählten Systemgrenzen, Annahmen und funktionellen Einheiten abhängt. Die Ergebnisse liefern daher nicht nur eine ökologische Einordnung aktueller Speichertechnologien, sondern auch methodische Hinweise für zukünftige LCA-Studien.This thesis conducts an ecological assessment of two thermal storage technologies, with the focus on a sensible and a latent heat storage. The aim is to systematically compare the environmental impacts of storage systems through a life cycle assessment (LCA) and to evaluate their relevance for a sustainable energy transition.The study is based on a literature review and modeling in openLCA. Different functional units (e.g., storage capacity, mass) were critically compared, and the results were evaluated using the impact assessment methods ReCiPe 2016 and GHG Protocol (CO2 equivalents). Since the outcomes of LCA studies strongly depend on the chosen parameters, this thesis discusses the relevance and possible approaches for sensitivity analyses, e.g., material choice, insulation thickness, or lifetime.The results demonstrate that the ecological footprint is largely determined by the size of the storage units, with manufacturing in particular having significant impacts. At the same time, innovative storage systems using phase change materials (PCM) show a more favorable ratio of energy input to storage capacity; however, their ecological advantages strongly depend on the material used and their lifetime. The assessment of latent heat storage relies on results from the literature, which are contextualized and discussed in this work. For conventional water-based sensible storage, it was confirmed that the choice of functional unit crucially affects the comparability of results.Overall, this thesis highlights that thermal energy storage can make a significant contribution to reducing greenhouse gas emissions, but also shows that the informative value of LCA studies depends strongly on the selected system boundaries, assumptions, and functional units. The results therefore provide not only an ecological assessment of current storage technologies but also methodological insights for future LCA studies
From Paper to Book - Literature Park at the Limmat
No full textDie vorliegende Diplomarbeit widmet sich dem Umbau und der Umnutzung des Globusprovisoriums sowie des gesamten Papierwerdareals in Zürich. An zentralster Lage, gleich beim Hauptbahnhof, steht das einst nur als Übergang gedachte Bauwerk seit über sechzig Jahren und bildet seither ein politisch aufgeladenes Symbol wie auch einen konstanten städtebaulichen Streitpunkt. Zwischen Erhalt, Abbruch, radikalem Neubau und der Idee eines Parks wurden unzählige Szenarien entworfen, keines davon jedoch realisiert. Meine Vision schlägt an diesem Ort einen Literaturpark an der Limmat vor. Eine offene Stadtlandschaft mit Bibliothek, öffentlichem Lesesaal, Veranstaltungsräumen, Literaturcafé sowie Ateliers für Schreibende und Kunstschaffende. Voraussetzung für dieses Projekt ist nicht nur die architektonische Transformation des Bauwerks selbst, sondern eine grundlegende Neuinterpretation seines städtischen Umfelds. Die Arbeit führt die Leserinnen und Leser auf mehrere Streifzüge durch Zürich und entlang des Limmatraums. Ausgangspunkt ist die vielfältige Geschichte der Papierherstellung und der literarischen Kultur der Stadt: Bibliotheken, Druckereien und einstige Cafés, in denen geschrieben, gelesen und debattiert wurde, werden verortet und ihre heutigen Lücken sichtbar gemacht. Das Limmatufer wird in seiner historischen wie städtebaulichen Entwicklung untersucht: Wie verwandelte sich die Stadt im Wasser in eine Stadt am Wasser? Welche charakteristischen Elemente prägen den Weg vom See bis zum Bahnhof – und wie eignen sich die Zürcherinnen und Zürcher diesen Raum an? Ein Rundgang durch das Globusprovisorium selbst schliesslich zeigt, wie aus dem Provisorium ein dauerhaftes „Providurium“ wurde, was seinen architektonischen Ausdruck formte und welche Rolle sein Architekt dabei spielte. Die Arbeit mündet in einem literarischen Spaziergang durch den eigenen Entwurf: den Literaturpark an der Limmat. Hier greifen die zuvor untersuchten Themen, Atmosphären und Erkenntnisse ineinander und verdichten sich zu einer neuen städtischen Erzählung für diesen besonderen Ort.The following thesis focuses on the renovation and repurposing of the Globusprovisorium building and the entire Papierwerd site in Zurich. Located in a central location right next to the main train station, the building, which was once intended only as a temporary structure, has stood for over sixty years and has since become a politically charged symbol as well as a constant point of contention in urban planning. Countless scenarios have been proposed, ranging from preservation to demolition, radical reconstruction, and the idea of a park, but none of them have been realized. My vision for this site is a literature park on the Limmat River. An open urban landscape with a library, public reading room, event spaces, a literary café, and studios for writers and artists. This project requires not only the architectural transformation of the building itself, but also a fundamental reinterpretation of its urban surroundings.The work takes readers on several excursions through Zurich and along the Limmat River. The starting point is the city's diverse history of paper manufacturing and literary culture: libraries, printing houses and former cafés where people wrote, read, and debated are located and their current gaps made visible. The Limmat riverbank is examined in terms of its historical and urban development: how did the city in the water transform into a city on the water? What characteristic elements shape the route from the lake to the train station and how do the people of Zurich appropriate this space? Finally, a tour of the Globus Provisorium itself shows how the temporary structure became a permanent “Providurium,” what shaped its architectural expression, and what role its architect played in this.The work culminates in a literary stroll through the author's own design: the Literature Park on the Limmat. Here, the previously examined themes, atmospheres, and insights intertwine and condense into a new urban narrative for this special place
From verses to spaces - Architectural translations of lyrical compositions
No full textAus der Begegnung von Lyrik und Architektur entsteht die Auseinandersetzung mit der Übertragbarkeit lyrischer Kompositionsprinzipien auf architektonische Gestaltung. Ausgangspunkt ist die Annahme, dass beide Disziplinen auf vergleichbaren Gestaltungsprinzipien beruhen und sich produktiv aufeinander beziehen können. Der Forschungsschwerpunkt der vorliegenden Arbeit wird durch eine detaillierte Analyse der Gedichte von Paula Ludwig (1900–1974) konkretisiert. Ihre Texte dienen dazu, sprachlich-kompositorische Strukturen zu untersuchen und daraus abstrakte architektonische Konzepte abzuleiten. Die Untersuchung verfolgt keinen Anspruch auf Vollständigkeit der Lyrikanalyse, sondern zeigt exemplarisch, wie poetische Komponenten als Impulse für das architektonische Entwerfen genutzt werden können. Daher versteht sich diese Arbeit als experimentelle Annäherung an eine Entwurfsmethode aus der Sprache heraus. Die Vorgehensweise verbindet analytische Dekonstruktion mit explorativem Schreiben und architektonischem Entwerfen. Gewonnene Impulse werden im Entwurf eines Paula-Ludwig-Archivs mit Erinnerungsraum umgesetzt und veranschaulichen die Übersetzung lyrischer Gestaltungsprinzipien in räumliche Qualitäten. Die Arbeit bietet einen erweiterten Blick auf das Zusammenspiel von Lyrik und Architektur, trägt zum interdisziplinären Diskurs bei und zeigt, welches gestalterische Potenzial die Lyrik dem architektonischen Denken eröffnet.The encounter between poetry and architecture leads to an examination of the transferability of poetic composition principles to architectural design. The underlying assumption is that both disciplines are based on comparable design principles and can relate to each other in a productive way. The research focus of this thesis is specified by a detailed analysis of the poems of Paula Ludwig (1900–1974). Her texts serve to examine linguistic and compositional structures and to extract abstract architectural concepts from them. The study does not claim to be a complete analysis of poetry, but rather shows examples of how poetic components can be used as impulses for architectural design. This work is therefore intended as an experimental approach to a design method based on language. The methodology combines analytical deconstruction with exploratory writing and architectural planning. The resulting impulses are implemented in the design of a Paula Ludwig-Archive including a room of remembrance and illustrate the translation of poetic design principles into spatial qualities. This thesis offers an expanded view of the interplay between poetry and architecture, contributes to the interdisciplinary discourse, and shows the creative potential that poetry opens up for architectural thinking
Long-term preservation of Viennese Gründerzeit buildings: Legal frameworks and urban planning responsibility
No full textWiener Gründerzeitgebäude geraten zunehmen unter Entwicklungsdruck. Gleichzeitig rücken Fragen nach ihrem langfristigen Erhalt sowie der Sicherung ihrer räumlichen Qualitäten stärker in den Fokus der Stadtplanung. Die Novellierungen der Wiener Bauordnung in den Jahren 2018 und 2023 haben den Schutz von historisch bedeutsamen Bauwerken gestärkt und zeigen, dass der Gesetzgeber auf diese Entwicklung reagiert hat. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Diplomarbeit, wie die aktuell geltenden rechtlichen Rahmenbedingungen aus stadtplanerischer Perspektive den Erhalt sowie die stadtbild- und nutzungsbezogenen Qualitäten von Gründerzeitgebäuden fördern oder hemmen können. Im ersten Teil der Diplomarbeit werden jene Qualitäten erhoben, die im öffentlichen Raum sichtbar sind und eine stadtbildprägende Wirkung haben. Die Erhebung konzentriert sich dabei auf räumliche, funktionale und gestalterische Attribute, die aus stadtplanerischer Perspektive für die bauliche Nutzungsstruktur der Gründerzeit relevant sind. Darauf aufbauend erfolgt eine Analyse der rechtlichen Rahmenbedingungen einschlägiger Gesetze auf Bundes- und Landesebene, die im Zusammenhang mit dem Erhalt von Gründerzeitgebäuden stehen. Ein besonderer Fokus wird dabei auf die Wiener Bauordnung und dessen Instrumentarien wie Schutzzonenregelungen und Abbruchvorschriften gelegt als auch deren Umsetzung in der Verwaltungspraxis untersucht. Ergänzend wird erhoben, wie sich das Spannungsfeld zwischen behördlichen Zielsetzungen und den Interessen von Eigentümer:innen und Projektentwickler:innen in der Praxis gestaltet. Das Ergebnis dieser Diplomarbeit ist ein leitfadengestütztes Bewertungssystem, wodurch stadtbildrelevante Attribute sowie potenziell störende bauliche Eingriffe strategisch erfasst und bewerten werden können. Es dient als Grundlage für die Beurteilung von Erhaltungswürdigkeit und ist flexibel auf Einzelfälle anwendbar. Das Bewertungssystem dient in erster Linie als Orientierungshilfe für Planer:innen, um diese in frühen Projektphasen für den Umgang mit schützenswerten Qualitäten zu sensibilisieren. Zudem soll der Leitfaden Behörden als fachliche Entscheidungsgrundlage und zur Plausibilitätsprüfung in Bewilligungsverfahren dienen. Ziel der Diplomarbeit ist es, zur Versachlichung der Diskussion über den Erhalt von Gründerzeitgebäuden beizutragen und eine fundierte Grundlage für planungsrechtliche und konzeptionelle Entscheidungen bereitzustellen.Vienna's Gründerzeit buildings are under increasing development pressure. At the same time, questions about their long-term preservation and safeguarding their spatial qualities are becoming a greater focus of urban planning. In response to this development, the amendments to the Vienna Building Code (Wiener Bauordnung) in 2018 and 2023 have strengthened the protection of historically significant buildings.Against this background, this thesis examines how the current legal framework can promote or inhibit the preservation of Gründerzeit buildings and their cityscape- and userelated qualities from an urban planning perspective.The first part of the thesis identifies the qualities visible in public spaces that impact the cityscape. The survey focuses on spatial, functional and design attributes relevant to the built use structure of Gründerzeit buildings from an urban planning perspective. Based on this, the thesis carries out an analysis of the legal framework of relevant federal and state laws relating to the preservation of these buildings. Particular focus is placed on the Vienna Building Code (Wiener Bauordnung) and its instruments, such as protection zone and demolition regulations, and how these are implemented in administrative practice. Additionally, the study examines how the tension between official objectives and the interests of owners and project developers plays out in practice.The result is a guidelinebased evaluation system that enables potentially disruptive structural interventions and attributes relevant to the cityscape to be recorded and evaluated strategically. This system can be flexibly applied to individual cases and serves as a basis for assessing preservation value.The evaluation system primarily serves as a guide for planners, making them aware of qualities worthy of protection in the early stages of a project. Additionally, the guidelines are intended to inform technical decisions and plausibility checks in approval procedures. The thesis aims to contribute to objective discussions about the preservation of Gründerzeit buildings, providing a sound basis for planning law and conceptual decision
Signal Alignment for Independently Distributed Precoding in CoMP and Cell-Free MIMO
No full textIndependently distributed precoding in coordinated multi point transmission (CoMP) and cell-free multiple-input multiple-output systems–where each access point computes its precoder independently–faces the challenge of ensuring constructive superposition of signals at the receivers. While this issue is straightforward to resolve in single-antenna receiver setups, simply by compensating for the propagation phase shifts, the problem becomes non–trivial with multi-antenna receivers, as phase alignment cannot be achieved across multiple transmit–receive antenna pairs simultaneously. In this paper, we propose post-alignment methods for distributed precoding that can be applied to any standard independent precoding strategy to ensure constructive superposition of distributed transmit signals. We consider both fully independent and coordinated alignment strategies and evaluate their performance through simulations, highlighting the trade-offs between performance and overhead
