Universität der Bundeswehr München: AtheneForschung
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Investigation of turbulent shear flows with high resolution PIV methods
Get PDFThe separated wake flow of a generic space launcher model was investigated experimentally at a very high Reynolds number and a transonic Mach number in order to analyze the
physical phenomena that lead to buffeting and to generate reliable validation data for computational fluid dynamics. Due to the large dynamic range of scales and velocities in
turbulent shear flows, it was necessary to improve the state-of-the-art PIV techniques. A fundamental investigation of the spatial resolution limit identified the ideal measurement
setup and the best evaluation approach to obtain the desired results of the wake flow for the investigated space launcher model. Additionally, a new method was developed
to estimate the velocities’ probability density function directly from the PIV correlation function. This approach allows for the direct determination of the Reynolds normal and shear stress without significant spatial low-pass filtering, compared to established methods, and results in significantly improved resolution and accuracy. Furthermore, individual vortices in the separated shear layer were detected in instantaneous velocity fields to investigate the formation and motion of turbulent structures. A statistical analysis of the detected vortices reveals their spatial distribution with respect to their size and swirling strength. The combination of the developed evaluation techniques yields a broad overview of the flow phenomena in the space launcher model’s wake and results in a data basis that may serve for the validation of new numerical tools. Beyond that, the improved estimation of Reynolds stresses and the theoretical considerations regarding the spatial resolution are of fundamental importance for many other experiments.Die abgelöste Strömung im Nachlauf eines generischen Trägerraketenmodells wurde experimentell bei einer sehr hohen Reynolds-Zahl und einer transsonischen Machzahl untersucht, um die physikalischen Phänomene, die zum Buffeting führen, aufzuklären und verlässliche
Validierungsdaten für numerische Strömungssimulationen zu generieren. Aufgrund der großen Dynamik der verschiedenen Skalen und der Geschwindigkeit in turbulenten
Scherschichtströmungen war im Rahmen der Arbeit eine Weiterentwicklung der etablierten PIV-Messtechnik erforderlich. Eine grundlegende Untersuchung der räumlichen Auflösungsgrenze identifizierte eine ideale Messanordnung und die beste Auswertetechnik, um die gewünschten Ergebnisse über die Nachlaufströmung des untersuchten Trägerraketenmodells zu erhalten. Außerdem wurde ein neues Verfahren entwickelt, um die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion
der Geschwindigkeit direkt aus der PIV-Korrelationsfunktion
abzuschätzen. Dieser Ansatz ermöglicht die direkte Bestimmung der Reynolds- Normal- und Schubspannung ohne nennenswerte räumliche Tiefpassfilterung gegenüber etablierten Auswertemethoden und führt zu einer wesentlich verbesserten Auflösung und Genauigkeit. Weiterhin wurden einzelne Wirbel in der abgelösten Scherschicht in momentanen Geschwindigkeitsfeldern detektiert, um die Entstehung und Bewegung turbulenter Strukturen zu analysieren. Eine statistische Analyse der detektierten Wirbel zeigt deren räumliche Verteilung in Abhängigkeit von der Wirbelgröße und -stärke. Die kombinierte Anwendung der entwickelten Auswerteverfahren liefert einen breiten Überblick über die Strömungsvorgänge im Nachlauf des Trägerraketenmodells und liefert eine Datenbasis, die für die Validierung neuer numerischer Werkzeuge eingesetzt werden kann. Darüber hinaus sind die verbesserte Abschätzung der Reynoldsspannungen und die theoretischen Überlegungen
zur räumliche Auflösung von grundlegender Bedeutung für viele andere Experimente
Damage and fracture of ductile metals under dynamic loading conditions
Get PDFThis thesis covers the deformation behavior of ductile metals which is characterized through large strains before final failure occurs. Within a certain range, these strains are reversible or elastic, whereas onward additional major non-reversible or plastic strains occur. At a certain point, at which already significant plastic strains have been accumulated, additional deterioration of the material, i.e. a damage process, starts, resulting in a macro-crack that finally leads to the failure of the material. The deformation process usually depends on the stress state, the strain rate and the temperature of the material. In this work, special focus is given to the damage and failure process. In order to describe the material behavior in a consistent way, a phenomenological continuum damage and fracture model has been developed. To make the model available for numerical simulations, the commercial finite element program LsDyna has been augmented by a user-defined material model subroutine. To determine the material behavior under controlled conditions, several experiments have been performed. The experimental results, as well as data from literature, have been used to identify the material parameters for the proposed continuum damage and fracture model for an aluminum alloy and for the stainless steel Inox 304L. The executed numerical simulations with the implemented continuum damage and fracture model show a good correlation with the experimental data. Special focus has been given to the simulation of Split-Hopkinson-Bar experiments with M-Shape tension specimens. With these numerical studies, several aspects of the special specimen geometry could be extracted and analyzed, resulting in a critical evaluation of the specimen shape. In addition, shear specimens have been numerically studied and evaluated, while an additional notch in thickness direction has been introduced which results in the required behavior and therefore could be very useful for future research. In this context, it became evident that further research should include additional experiments testing damage occurrence and evolution at different stress states. Furthermore, there is need for inverse numerical procedures in order to identify the parameters of the damage condition, damage law and fracture condition. The results of this thesis improve significantly the understanding of the deformation and fracture behavior of ductile metals. These insights can be used in several applications such as the design of light weight structures and the simulation of car crashes or high speed machining processes, allowing a maximum utilization of the material, resulting in a more responsible and cost-efficient handling of resources.In dieser Arbeit wird das dynamische Verformungsverhalten duktiler Metalle, welches durch großes Verformungsvermögen vor dem Versagen gekennzeichnet ist, untersucht. In einem bestimmten Bereich sind die auftretenden Verzerrungen umkehrbar oder elastisch wobei bei Erreichen einer bestimmten Grenze zusätzliche größere bleibende oder plastische Verzerrungen auftreten. Bei weiterer Belastung beginnt ab einem Punkt, an dem schon größere plastische Verzerrungen vorliegen, eine Entfestigung des Materials, d.h. ein Schädigungsprozess, welcher schließlich zur Bildung eines Makrorisses führt. Das Verformungsverhalten des Materials ist hierbei abhängig vom Spannungszustand, von der Verzerrungsrate sowie von der vorliegenden Temperatur. Der besondere Fokus dieser Arbeit liegt auf der Modellierung und numerischen Simulation des Schädigungs- und Rissverhaltens duktiler Metalle. Um das Materialverhalten in einer konsistenten Form beschreiben zu können, wird ein phänomenologisches Kontinuumsschädigungs- und Rissmodell vorgestellt. Diese theoretischen Überlegungen werden als benutzerdefiniertes Materialmodell an das kommerzielle Finite-Element-Programm LsDyna angebunden, wodurch das entwickelte Modell für Simulationen zugänglich wird. Um das Materialverhalten unter kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können, wurden verschiedene Experimente durchgeführt. Diese experimentellen Ergebnisse sowie aus der Literatur entnommene Daten wurden verwendet, um die zugehörigen Materialparameter des Schädigungs- und Rissmodells für eine Aluminiumlegierung sowie für den Edelstahl Inox 304L zu bestimmen. Die zugehörigen numerischen Simulationen mit dem implementierten Kontinuumsschädigungs- und Rissmodell zeigen gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Hierbei wurde besondere Aufmerksamkeit auf die Simulation von Versuchen in der Split-Hopkinson-Bar mit M-förmigen Probekörpern gelegt. Durch die erhaltenen numerischen Ergebnisse konnte das Verhalten dieses speziellen Versuchskörpers besser untersucht werden, was schließlich zu einer kritischen Beurteilung der Geometrie geführt hat. Zusätzlich wurden Scherversuchskörper numerisch untersucht und bewertet. Hierbei konnte aufgezeigt werden, dass eine zusätzliche Kerbe in Dickenrichtung das gewünschte Verhalten des Versuchskörpers signifikant verbessert. In diesem Zusammenhang ist deutlich geworden, dass weitere experimentelle Untersuchungen mit Versuchskörpern, bei denen Schädigung- und Rissverhalten unter verschiedenen Spannungszuständen auftritt, sinnvoll sind. Ebenfalls konnte aufgezeigt werden, dass numerische Untersuchungen zur inversen Bestimmung der Materialparameter im Schädigungs- und Rissbereich notwendig sind, da hier nur unzureichende experimentelle Ergebnisse vorliegen. Die Ergebnisse dieser Arbeit erlauben ein wesentlich besseres Verständnis des Verformungs- und Versagensverhaltens von duktilen Metallen. Diese Erkenntnisse können bei verschiedenen Anwendungen, z.B. beim Entwurf von Leichtbaustrukturen sowie bei der Simulation von Aufprallversuchen in der Automobilindustrie und bei Hochgeschwindigkeitsproduktionsprozessen, verwendet werden. Dies führt zu einer höheren Auslastung des Materials und somit zu Ressourcen- und Kosteneinsparungen
Die ordnungspolitischen Konsequenzen des U.S.-amerikanischen Unilateralismus
Get PDF"A few principles and a little order are needed to run the affairs of the world."
(---Jacques Chirac)
Der Aussage Jacques Chiracs, dass zumindest einige wenige Prinzipien und ein klein wenig Ordnung von Nöten seien, um die Geschicke der Welt zu leiten, würden – abgesehen von einigen Anarchisten – wahrscheinlich nur sehr wenige Menschen widersprechen. Wie würde die Welt aussehen, hielten sich die Staaten nicht an gewisse Regeln, Prinzipien oder Normen? Wäre sie zwangsläufig anarchisch oder chaotisch? Diese Frage wurde in der Geschichte der internationalen Beziehungen, in akademischen und politischen Debatten oft gestellt und noch öfter widersprüchlich beantwortet. Nicht selten wählen weniger mächtige Staaten die Regelmissachtung als Mittel der Einflusssteigerung und sukzessive Regelbefolgung als Verhandlungsmasse gegenüber der Ordnungsmacht. In anderen Fällen missachten Akteure die internationale Ordnung, um ihren Unmut über die Ordnung zum Ausdruck zu bringen, weil diese möglicherweise ihren perzipierten Interessen widerspricht. Diese Fälle der Ordnungsmissachtung traten und treten immer wieder auf, ohne dass hierdurch zwangsläufig die internationale Ordnung destabilisiert wurde oder chaotische Zustände ausbrachen. Ein Hauptgrund hierfür war und ist die Existenz und Bemühung eines mächtigeren, eines dominanten Staates, die bestehende internationale Ordnung, die er nicht selten selbst errichtet hat, aufrecht zu erhalten. Was passiert aber mit der internationalen Ordnung, wenn der dominante Staat selbst die Regeln, Prinzipien und Normen verletzt? Welche Auswirkungen hat es auf die Stabilität der internationalen Ordnung, wenn derjenige Staat, der die Regeln, Prinzipien und Normen selbst geschaffen hat und andere Nationen dazu anhält, diese zu einzuhalten, diese selbst übertritt? Wie reagieren insbesondere Großmächte auf diese einseitigen Regelüberschreitungen der Ordnungsmacht, des dominanten Staates, und wie beeinflussen die Reaktionen der Großmächte die Stabilität der internationalen Ordnung? Diese Arbeit ist somit eine Analyse sowohl der ordnungspolitischen Folgen U.S.-amerikanischen Unilateralismus als auch des Unilateralismus selbst. Denn um die übergeordnete Frage nach den Konsequenzen unilateraler Handlungen eines dominanten Staates für die internationale Ordnung beantworten zu können, muss genauso geklärt werden, was die Regel und was die Ausnahme davon ist. Es wird folglich ausführlich erklärt, wodurch sich Unilateralismus auszeichnet, was sein charakteristischer Kern ist und warum ein Staat sich unilateral verhält. Konkret wird der U.S-amerikanische Unilateralismus im Kontext amerikanischer wie auch europäischer und chinesischer Verfassungsrechtsinterpretationen dargestellt, um ein möglichst umfassendes Bild über die ordnungspolitischen Konsequenzen des „einseitigen und entgegen akzeptierter multilateraler Regeln, Prinzipien und Normen der internationalen Ordnung festgelegten und/oder ausgeführten Verhalten eines Staates“ zeichnen zu können. Aus der Perspektive der Power Transition Theory wird anhand des handelpolitischen Fallbeispiels des Helms-Burton-Acts von 1996 sowie an dem sicherheitspolitischen Fallbeispiel des Irakkrieges von 2003 gezeigt, dass die zwischenstaatliche Machtverteilung auf internationaler Systemebene maßgeblich darüber bestimmt, ob der amerikanische Unilateralismus eingehegt und eine Veränderung der Regeln, Prinzipien und Normen der internationalen Ordnung verhindert werden kann
Development and Validation of an IMU/GPS/Galileo Integration Navigation System for UAV
Get PDFSeveral and distinct Unmanned Aircraft Vehicle (UAV) applications are emerging, demanding steps to be taken in order to allow those platforms to operate in an un-segregated
airspace. The key risk component, hindering the widespread integration of UAV in an un-segregated airspace, is the autonomous component: the need for a high level of autonomy in the UAV that guarantees a safe and secure integration in an un-segregated airspace. At this point, the UAV accurate state estimation plays a fundamental role for autonomous UAV,
being one of the main responsibilities of the onboard autopilot. Given the 21st century global economic paradigm, academic projects based on inexpensive UAV platforms but on expensive commercial autopilots start to become a non-economic solution. Consequently, there is a pressing need to overcome this problem through, on one hand, the development of navigation systems using the high availability of low cost, low power consumption, and small size navigation sensors offered in the market, and, on the other hand, using Global Navigation Satellite Systems Software Receivers (GNSS SR). Since
the performance that is required for several applications in order to allow UAV to fly in an un-segregated airspace is not yet defined, for most UAV academic applications, the
navigation system accuracy required should be at least the same as the one provided by the available commercial autopilots. This research focuses on the investigation of the performance of an integrated navigation system composed by a low performance inertial measurement unit (IMU) and a GNSS SR. A strapdown mechanization algorithm, to transform raw inertial data into navigation solution, was developed, implemented and evaluated. To fuse the data provided by the strapdown algorithm with the one provided by the GNSS SR, an Extended Kalman Filter (EKF) was implemented in loose coupled closed-loop architecture, and then evaluated. Moreover, in order to improve the performance of the IMU raw data, the Allan variance and denoise techniques were considered for both studying the IMU error model and improving inertial sensors raw measurements. In order to carry out the study, a starting question was made and then, based on it, eight questions were derived. These eight secondary questions led to five hypotheses, which
have been successfully tested along the thesis. This research provides a deliverable to the Project of Research and Technologies on Unmanned Air Vehicles (PITVANT) Group, consisting of a well-documented UAV Development and Validation of an IMU/GPS/Galileo Integration Navigation System for UAV II navigation algorithm, an implemented and evaluated navigation algorithm in the MatLab environment, and Allan variance and denoising algorithms to improve inertial raw data, enabling its full implementation in the existent Portuguese Air Force Academy (PAFA) UAV. The derivable provided by this thesis is the answer to the main research question, in such a way that it implements a step by step procedure on how the Strapdown IMU (SIMU)/GNSS SR should be developed and implemented in order to replace the commercial autopilot. The developed integrated SIMU/GNSS SR solution evaluated, in post-processing mode, through van-test scenario, using real data signals, at the Galileo Test and Development Environment (GATE) test area in Berchtesgaden, Germany, when confronted with the solution provided by the commercial autopilot, proved to be of better quality. Although no centimetre-level of accuracy was obtained for the position and velocity, the results confirm that the integration strategy outperforms the Piccolo system performance, being this the ultimate goal of this research work
Prozessorientierte Modellierung der Abflussbildung und –konzentration auf verschlämmungsgefährdeten landwirtschaftlichen Nutzflächen
Get PDFDie Bewirtschaftungsform und damit die Bodenbearbeitung haben umfangreiche Auswirkungen auf die Abflussbildung und –konzentration. Durch die Umstellung von der konventionellen zur konservierenden Bodenbewirtschaftung ergeben sich positive Effekte im Hinblick auf den Wasserrückhalt in der Fläche: Eine ganzjährig angestrebte Bodenbedeckung (Anbau einer Zwischenfrucht, Belassen von Ernterückständen auf der Ackerkrume) verringert die Verschlämmungsneigung der Böden, verbessert das Mikroklima in Bodennähe und erhöht die Infiltrationsleistung. Pflanzenreste auf dem Boden erhöhen den Fließwiderstand und verringern die Geschwindigkeit des Oberflächenabflusses. Dieser kann durch Re-Infiltration auf ungesättigten Flächen in den Boden gelangen. Dadurch erhöhen sich wiederum die Speicherwirkung des Bodens sowie der verfügbare Wasservorrat für die Feldfrucht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einfluss von Landnutzung und -bewirtschaftung auf den Direktabfluss in der unteren Mesoskale räumlich hoch auflösend mit Hilfe eines physikalisch-basierten Wasserhaushalts-Modells abzubilden. Damit sollen die Möglichkeiten der Abflussreduzierung durch Flächenneugestaltung, infiltrationsfördernde Bewirtschaftung und Etablierung lokaler Maßnahmen erfasst werden. Es wird eine Datenbank vorgestellt, die aus den Beregnungsexperimenten mehrerer Forschergruppen besteht und sowohl die Abflussganglinien der einzelnen Experimente in ihrem zeitlichen Verlauf als auch die zeit-invarianten (Bodeneigenschaften) wie variablen (Beregnungs- und Bearbeitungseigenschaften) Randbedingungen zu jedem einzelnen Beregnungsversuch sowie die punktuellen Messergebnisse (time to ponding, time to runoff) zusammenfasst. Die Datensätze der Beregnungsdatenbank werden umfangreich analysiert: Durch Optimierungsalgorithmen (Simulated Annealing) werden aus den gemessenen Infiltrationsraten der einzelnen Versuche die besten Parameter für ein modifiziertes Infiltrationsmodell nach HORTON ermittelt. Diese optimierten Parameter werden mit den Boden- und Bearbeitungseigenschaften der Beregnungsexperimente verknüpft und durch statistische Regressionsmethoden geschätzt. Es wird ein einfach anzuwendendes multiples Regressionsmodell entwickelt, das die infiltrationssteuernden Parameter der modifizierten HORTON-Gleichung aus allgemein verfügbaren Daten hinreichend gut schätzen kann. Das hydrologische Modellierungssystem WaSiM wird um zwei Komponenten erweitert: um ein Verschlämmungsmodul, das dem Modul zur Wasserbewegung in der ungesättigten Zone vorangeschaltet ist und um ein Modul zur Abflusskonzentration des Oberflächenabflusses nach dem Ansatz der kinematischen Welle. Die Modellerweiterungen und die zugrundeliegenden Prozessbeschreibungen werden auf verschiedenen Skalen angewendet: Auf der Plotskale können einzelne Beregnungsversuche aus der Datenbank besser simuliert werden als ohne die Modellerweiterung. Durch die konservierende Bodenbearbeitung und die erosionsverringernde Fruchtfolge auf den Ackerflächen (Hangskale) des Klosterguts Scheyern kann im Modell ein hoher Abflussanteil an Zwischenabfluss nachgewiesen werden, der durch die erhöhte Ausbildung stabiler Makroporen und als zeitlich verzögerte Abflusskomponente größeren Anteil am Gesamtabfluss hat. Bei der Simulation der konventionellen Bodenbearbeitung auf der unteren Mesoskale (Weiherbachgebiet) können bei einzelnen Starkregenereignissen räumlich detailliert verschlämmungsgefährdete Bereiche ausgewiesen werden.Tillage practices and thus soil cultivation have significant impacts on runoff generation and concentration processes. By changing conventional tillage towards conservational tillage positive effects regarding natural water retention can be achieved. In attempting a constant soil coverage throughout the year (by catch crop cultivation and mulch tillage) the susceptibility to surface crusting is reduced, the microclimate at the soil surface is improved and hence infiltration is enhanced. Crop remains on the soils surface increase flow resistance and decrease flow velocity of the surface runoff, so that runoff can enter the soil layer by re-infiltration on unsaturated areas. The retention capacity of the soil and thus the available water storage for field crops is improved.
The objective of this work is to simulate the impacts of land use and tillage practices on surface runoff in the lower mesoscale in high spatial resolution by a physically based water balance model. Thereby the potential of runoff reduction by reallocation of arable land, soil management promoting infiltration capacity and establishment of local measures can be determined. A database of rainfall simulations on arable fields is introduced that combines the data of several research groups: the hydrographs of the experiments, the time invariant (soil properties) and variable (sprinkler and tillage properties) boundary conditions of every single experiment and the punctual measurements (time to ponding, time to runoff) are summarized. The data sets of the rainfall simulation database are analyzed extensively. By means of optimization algorithms (Simulated Annealing) the optimized parameters of a modified HORTON type infiltration model are determined from the measured infiltration rates. The optimized parameter sets are combined with the boundary conditions of the experiments (soil and tillage properties) and estimated by statistical regression methods. An easily applicable multiple regression model is developed that is able to sufficiently estimate the infiltration parameters of the modified HORTON equation from commonly available data.
The hydrological modeling system WaSiM is extended by two components: a surface sealing module that precedes the water movement into the unsaturated zone and a surface routing module using the kinematic wave approach for surface runoff. The model extensions and the underlying mathematical process descriptions are applied on several spatial scales: On the plot scale single experiments from the rainfall simulation database can predict hydrographs better than without the model extensions. Conservational tillage and crop rotation reducing erosion is modeled on the slope scale (arable fields on the Scheyern experimental farm) showing a high ratio of interflow in total runoff as delayed runoff component, thus representing the formation of stable macropores. Conventional tillage is modeled on the lower mesoscale (Weiherbach catchment) indicating areas prone to surface sealing during high precipitation events in spatial detail
Beitrag zur Bemessung scheibenbeanspruchter Stahl-Glas-Elemente
Get PDFAuf Grund der geringen Erfahrung und der fehlenden Grundlagen sind in allen derzeit für den Bereich des Konstruktiven Glasbaus gültigen Normen Beanspruchungen der Scheiben in Scheibenebene (außer Eigengewicht) und auf Schub explizit ausgeschlossen. Auch in den Arbeiten zur [DIN18008] ist dieser Bereich ausgeklammert. Auf der anderen Seite herrscht aber kein Zweifel darüber, dass Verglasungen zur Abtragung von Lasten in Scheibenebene herangezogen werden können, als auch, dass der Ansatz von Fassadenelementen zur Aussteifung in Fassadenebene prinzipiell möglich ist und zu deutlich wirtschaftlicheren und leichteren Konstruktion führen würde. Im Rahmen diverser Forschungsprojekte wurden und werden die grundlegenden Tragmechanismen im Hinblick auf Stabilität untersucht. Die dabei zu Grunde liegenden Randbedingungen sind jedoch vielfach nicht direkt auf eine mögliche Anwendung übertragbar. Konkret heißt dies z. B. für Fassadenkonstruktionen, dass ein „echtes“ Beulen der Scheiben nur schwer erreicht werden kann, da die Steifigkeit der Unterkonstruktion dazu zu gering ist, so dass diese entsprechend mit verformt wird. Mit dem Ziel einer möglichst schlanken Stahlkonstruktion wurde in diesem Projekt das Zusammenwirken von Stahl und Glas als Modul bzw. Verbund-Modul betrachtet und so ein System entwickelt, das die Vorteile beider Materialien vereint. Es wurden numerische und experimentelle Untersuchungen an Glaselementen durchgeführt, die an den vertikalen Kanten durch U-Profile (allg. Randbalken) verstärkt waren. Im ersten Schritt wurde zur Untersuchung der Fragestellung ein numerisches Modell entwickelt, das durch Vergleichsrechnungen mit Beispielen aus der Literatur und auch durch die im weiteren Verlauf durchgeführten Versuche verifiziert wurde. Für das zu untersuchende System wurden verschiedene Lasteinleitungsvarianten für mehrere Geometrien von Scheibe und Randbalken sowohl numerisch, wie auch experimentell untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass eine Lasteinleitung direkt in den Randbalken für das Gesamttragverhalten am günstigsten ist, d. h. eine große Vertikallast bei geringer Verformung zulässt. Dies hat insofern weitreichende Folgen für dieses Projekt, als die Problematik der Spannungskonzentrationen bei Lasteinleitung in die Scheibenkanten damit entfällt. Mit Hilfe des numerischen Modells wurde das Last-Verformungsverhalten eingehender untersucht. Dabei stellte sich u.a. heraus, dass für das Gesamttragverhalten die Art der Querbelastung senkrecht zur Scheibenebene keinen wesentlichen Einfluss hat. Das Last-Verformungsverhalten in Abhängigkeit von der Vertikallast hängt in erster Linie von der durch die Querbelastung hervorgerufene Verformung des Randbalkens ab. Im Rahmen einer Parameterstudie wurden die Modelle für fassaden-typische Randbedingungen berechnet und die Ergebnisse als Tabellen aufbereitet. In der weiteren Auswertung der Ergebnisse zeigten sich wesentliche Gemeinsamkeiten aller Modelle, die eine einheitliche Formulierung des Last-Verformungs-Verhaltens erlauben.
Auf Basis dieser Ergebnisse wurde ein Bemessungskonzept für das im Rahmen dieses Projekts untersuchte System aus Scheiben mit Randbalken entwickelt. Dabei wurden auch verschiedene Schadensszenarien bis hin zum Ausfall einzelner Scheiben berücksichtigt.The initial idea behind this project was to optimize the interaction or co-action of glass and steel for in-plane loaded glass elements. In respect to typical façade applications the boundary conditions, e.g. loads, dimensions, connections, materials, were determined. Based on that mechanical and numerical models were developed that are capable to describe the structural behavior. The investigated system was then reduced to a single “module” as a representative element of the structure. For this project one element is considered as a glass pane with a (small) edge beam on two opposite edges.
Common façade concepts usually use glass as envelope material transferring only wind load and dead load to the substructure. Integrating the substructure into the façade surface, glass pane and steel frame act together for both in-plane and surface loads. Most research projects dealing with in-plane loaded glass elements assume rigid boundary conditions, i.e. large cross sections for the sub-structure, as they are usually not given in façades due to economic and architectural reasons. Additionally – and in contrast to i.e. columns – façade elements are loaded in-plane and out of plane and therefore usually not stability criteria but deformation restrictions are decisive for the design, especially due to strict limitations in façade design codes. In a first step different load-paths and boundary conditions were investigated for the described glass-steel elements. As load paths were considered the load transfer from glass edge to glass edge, uniformly distributed along the edge or concentrated near the corners, from edge beam to edge beam and hybrid forms of those. The edge beams were regarded as slender as well as massive. Extreme values for the edge beam (rigid or not existing) lead to standard systems with known solutions i.e. for stability analysis (buckling). Based on these systems the verification was done by comparison with values given in literature. One important result of this first step is, that even for very slender edge beams the load carrying capacity is higher when introduction the loads into the steel instead of the glass. Accompanying to the numerical analysis experimental testing was done to verify the calculation model and outcome. In the second step multiple systems with different geometries, measures, stiffness and loads were examined determining deformations, stresses and stability-parameters. The input parameters (loads, dimensions, stiffness values) were defined assuming realistic façade applications. As a first result, the load-deformation behavior and load-stress characteristics were constituted as tables for typical parameters. The further analysis of the data showed an important communality for all models leading to a uniform parametric formulation of the load-deformation behavior. On that basis a general design method for the described kind of glass-steel-members was developed. Although in-plane loaded glass elements are not new as such, as there are a lot of projects realized already, for many applications a frame for the glass in necessary anyway for fixing or connection purpose. For those cases this thesis presents the investigation results and an easy design concept for glass elements with slender edge beams that allows designing very economic façade elements
Influence of temporal and spatial focusing on biological effectivness of protons
Get PDFIn dieser Arbeit wurde der Einfluss von auf Nanosekunden gepulster (zeitlich fokussierter) Dosisdeposition, im zweiten Teil von auf Submikrometer (räumlich) fokussierter Dosisdeposition auf die relative biologische Wirksamkeit, RBE, studiert. Die Effekte gepulster Bestrahlung auf Nanosekunden Zeitskala sind vor allem für eine mögliche Anwendung der Laserbeschleunigung von Ionen in der Tumortherapie, welche die Dosisdeposition auf einer Nanosekunden Zeitskala erwarten lässt, von Bedeutung. Zur Untersuchung wurde die Wachstumsverzögerung von zwei menschlichen Plattenepitelkarzinomen aus dem Mund- und Rachenraum, FaDu und XF354, im Mausmodell nach Bestrahlung mit einer Fraktion von nominell 20 Gy gemessen. In Ermangelung geeigneter lasergetriebener Ionenstrahlen wurde hierzu mittels konventioneller Technik am Rasterionenmikroskop SNAKE am Müchener Tandembeschleuniger ein auf 1,3 ns (volle Halbwertsbreite) gepulster 23 MeV Protonenstrahl mit einer Fluenz pro Einzelpuls von bis zu 109 cm-2 präpariert, sowie ein kontinuierlicher Protonenstrahl zur Dosisdeposition auf Millisekunden Zeitskala für direkte Vergleichsmessungen. Die Bestrahlung der maximal 4 mm tiefen und 7 mm im Durchmesser messenden Tumore erfolgt voxelweise, wobei die komplette Fluenz eines Voxels mit einem Nanosekunden Puls appliziert wird. An jedem Punkt im Tumor deponiert mindestens ein Puls eine Dosis zwischen 1,0 Gy und 2,7 Gy. Der RBE für die Wachstumsverzögerung von FaDu Tumoren bezüglich 6 MV Röntgenstrahlung wurde nach kontinuierlicher Dosisdeposition zu 1,10 ± 0,14, nach gepulster Dosisdeposition zu 1,22 ± 0,17 gemessen. Auch für die XF354 Tumore konnte kein signifikanter Unterschied in der Wachstumsverzögerung gemessen werden. Die Messungen zeigen keine Anzeichen für eine geänderte Wirksamkeit von Nanosekunden gepulster Dosisdeposition. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die Auswirkungen von räumlich fokussierter Dosisdeposition am Endpunkt der Induktion von dizentrischen Chromosomen und Mikrokernen untersucht. Durch die Submikrometer Fokussierung von niedrig-LET 20 MeV Protonen kann eine räumliche Dosisverteilung generiert werden, welche qualitativ jener von Schwerionen mit hohem LET ähnelt, so dass die Wirkung von dichtionisierender hoch-LET Strahlung modelliert werden kann. Hierzu wurden AL-Zellen mit einer Dosis von jeweils 1,7 Gy in drei verschiedenen Modi bestrahlt: Die Bestrahlung mit Submikrometer fokussierten 20 MeV Protonen folgt einer 5,4 µm x 5,4 µm Matrix, wobei 117 Protonen pro Matrixpunkt appliziert werden. Die Bestrahlung mit 55 MeV Kohlenstoffionen erfolgt im selben Muster mit je einem Ion pro Matrixpunkt. Zufällig verteilte 20 MeV Protonen werden mit einer Fluenz von 4,01 µm-2 appliziert. Der RBE für die Induktion von Mikrokernen steigt durch die Fokussierung der Protonen von 1,28 ± 0,07 nach zufällig verteilter Protonenbestrahlung auf 1,48 ± 0,07 nach fokussierter Protonenapplikation, der RBE für die Induktion von dizentrischen Chromosomen steigt von 1,41 ± 0,14 auf 1,92 ± 0,15. Der von Kohlenstoffionen induzierte RBE ist mit 2,20 ± 0,09 für Mikrokerne und 3,21 ± 0,27 für dizentrische Chromosomen nochmal deutlich höher. Die signifikante Erhöhung der Induktion von Chromosomenaberrationen alleine durch die Fokussierung der Protonen und damit der räumlichen Dosisverteilung zeigt, dass die räumliche Dosisverteilung für den RBE maßgeblich ist. Die Experimente stellen somit die erste experimentelle Bestätigung der Grundannahme des Local Effect Models dar, welches in der Tumortherapie mit schweren Ionen zur Modellierung des RBE für die Dosisplanung verwendet wird. Rechnungen mit dem Local Effect Model III zeigen jedoch, dass dieses den RBE für die Endpunkte der Chromosomenaberrationen für die drei Bestrahlungsmodi zwar qualitativ, nicht aber quantitativ beschreiben kann.The influence of nanosecond pulsed dose deposition on the one hand and sub micron focused dose deposition on the other hand on the relative biological effectiveness, RBE, was studied. Effects of pulsed dose deposition may influence the application of laser driven ion beams for radiation tumor therapy, where dose deposition on nanosecond time scale is expected. For this purpose growth delay of two different human derived head and neck squamous cell carcinomas, FaDu and XF354, in mice were measure after irradiation with a single dose of nominal 20 Gy. As laser driven ion beams are not available yet for detailed radiobiological studies conventional accelerator technology was used. At the ion microprobe SNAKE at the Munich tandem accelerator a pulsed 23 MeV proton beam with a time structure of 1.3 ns (fwhm) and a fluence per single pulse of up to 109 cm-2 was prepared as well as a continuous proton beam for dose deposition on millisecond timescale for direct comparison. The irradiation of tumors with diameters up to 7 mm and depths up to 4 mm was performed by voxel scanning. The total fluence of one voxel was applied in a single nanosecond pulse. Thus at each point inside the tumor at least one proton pulse deposits a dose between 1.0 Gy and 2.7 Gy. The RBE for growth delay for FaDu tumor with respect to 6 MV X-rays was measured to 1.10 ± 0.14 for continuous and 1.22 ± 0.17 for pulsed proton application. For XF354 tumors no significant difference in growth delay was measured, too. The experiment shows no indication for a changed effectiveness of nanosecond pulsed dose deposition.
In the second part of this work the influence of focused dose deposition on the induction of dicentric chromosomes and micro nuclei was tested. By sub micron focusing of low LET 20 MeV protons a spatial dose distribution similar to that of heavy ions with high LET is generated. AL cells were irradiated with a dose of 1.7 Gy in three different ways: The irradiation with sub micron focused 20 MeV protons follws a 5.4 µm x 5.4 µm matrix with 117 protons per matrix point. 55 MeV carbon ions were applied following the same pattern, but with one ion per point. Randomly distributed 20 MeV protons were applied with a fluence of 4.01 µm-2.
The RBE for induction of micro nuclei is enhanced from 1.28 ± 0.07 for randomly distributed protons to 1.48 ± 0.07 for focussed proton application, the RBE for induction of dicentrics is enhanced from 1.41 ± 0.14 to 1.92 + 0.15. The RBE of carbon ions of 2.20 ± 0.09 for micro nuclei induction and 3.21 ± 0.27 for induction of dicentrics is again higher than the the RBE of focused protons. The significant enhancement of induction of chromosome aberrations just by focusing of protons demonstrates the large influence of the spatial dose distributions on the RBE. In addition this experiment is the first experimental confirmation of the basic assumption of the Local Effect Model, which is used for modeling heavy ion RBE in treatment planning for particle therapy. However, calculations show that the Local Effect Model III can describe RBE for chromosome aberrations qualitatively, but not quantitatively
The Analytic Forecast Method (AFM) - Entwicklung eines analytischen Ansatzes zur Materialanlieferungsprognose in der Halbleiterfertigung
Get PDFThe usual forecast method in semiconductor industry is simulation. Due to the manufacturing environment, the number of processes and the multitude of disturbing factors the development of high-fidelity simulation model is time-consuming and requires a huge amount of high quality basic data. The simulation facilitates a detailed prediction possible, but in many cases this level of detail of the forecast information is not required. In this paper, we present an alternative forecast method. It is considerably faster and the results for a subset of parameters are comparable to simulation. The solution does not need a complete fab model but a limited mathematical system and some fast algorithms which make the forecast of important parameters or characteristics possible. The prediction is based completely on statistics extracted from historical lot data traces. It is already implemented and tested in a real semiconductor fab environment and we also present some validation results
Eignung von Social-Tagging-Systemen für die Informationssuche im Internet
Get PDFDas Angebot an Online-Informationen nimmt weiter rasant zu. Die neuen Informationsmedien, speziell die Dienste im Web 2.0, stellen die Nutzenden vor neue Möglichkeiten und Herausforderungen. Zur Erforschung der neuen Informationsdienste sind geeignete Zugänge und Methoden gefragt. Die Dissertation beschreibt die Entwicklung und Anwendung einer nutzerorientierten Methode zur Evaluation von Social Tagging-Systemen im Hinblick auf ihre Eignung zur Informationserschließung und Informationssuche im Internet. Die Erkenntnisse werden genutzt, um Anregungen für eine bessere Unterstützung von Nutzenden bei der Verwendung von Suchmaschinen zur Verfügung zu stellen. Es wird aufgezeigt, wie herkömmliche algorithmische Suchmaschinen und neuere Ansätze semantischer Suchdienste in Verbindung mit der geforderten Informationskompetenz im Informatikunterricht oder einem ICT-verwandten Fach ab Sekundarstufe thematisiert und als authentische Lernumgebungen genutzt werden können
The Effect of Climate Change on Water Resources Potential of Omo Gibe Basin, Ethiopia
Get PDFNowadays, climate change impact imposes serious challenges on water resources potential that can be used for useful developmental projects. As a result, this study investigates the effect of climate change on water resources potential of Omo Gibe basin, Ethiopia. One of the main scientific puzzles in climate change study is getting reliable and bias free climat model outputs that can be used as an input to hydrological models. Therfore, this research addresses two different methods, cumulative distribution mapping and statistical downscaling method to downscale course resolution regional and global climate model outputs to point scale resolution