Klimatförändringarna påverkar världen negativt. År 2015 togs Parisavtalet fram för att bekämpa klimatkrisen, vilket resulterade i större krav på byggnadssektorn. Byggnadssektorn står för en stor del av både den totala energianvändningen och energirelaterade utsläpp av växthusgaser. Dessa måste minskas för att kunna uppnå de miljökrav som definieras i Parisavtalet. Korslimmat trä, även kallat KL-trä, är ett konstruktionsmaterial på marknaden som främjar för ett hållbart byggande jämfört med det nuvarande dominerande materialet betong.  Syftet med forskningen är att redogöra för skillnaden mellan väggar av armerad betong och KL-trä. Studien har framtagits genom ett experiment där modelleringsprogrammet StruSoft FEM-design användes för att modellera, dimensionera och analysera en referensbyggnad placerad på Gävle Strand i Gävle. Fokuset ligger på hur materialen förhåller sig som ett bärande material och dess skillnad. Forskningen tar inte hänsyn till energi, fukt-, ljud- eller brandkrav. Analys av de båda materialen visar att betongen har fördelar, speciellt gällande nedböjning och tjocklek. Resultatet för KL-trä visar att det är möjligt att bygga ett flervåningshus. Däremot kan det kräva högre dimensioner och ger större nedböjning jämfört med betong. Resultatet visar att ytterväggarna av KL-trä behöver vara 80 mm tjockare än betongväggarna och nedböjningen är i det värsta fallet 4,8 mm för KL-trä respektive 1,8 mm för betong. Resultatet visar att den totala vikten för byggnaden med väggar av KL-trä är 74 % av den totala vikten för byggnaden med betongväggar. Vikten för en byggnad med väggar av KL-trä har stora fördelar och gynnar miljön och är tack vare av dess låga vikt enklare att arbete med. Då KL-trä är det bättre alternativet för miljön bör fler byggherrar ha i åtanke att använda lösningar med trä som stomme för att främja ett hållbart byggande. / Climate change has a negative impact on the world. In the year 2015, the Paris agreement was presented to fight the climate crisis, which put greater demands on the construction sector. The construction sector accounts for a large part of both total energy use and energy-related greenhouse gas emissions, which must be reduced to meet the environmental requirements defined in the Paris Agreement. Cross-laminated timber, also known as CLT, is a construction material on the market that promotes sustainable construction compared to the currently dominating material concrete since the climate footprint for wood materials is less. The purpose of this research is to specify the difference between CLT and concrete walls. The study was developed through an experiment where the modeling program StruSoft FEM design was used to model, design, and analyze a reference building located at Gävle strand in Gävle. The focus is on how these structural materials behave as load-carrying elements and their differences. The research does not take energy, moisture, sound, or fire requirements into account. Analysis of both materials shows that concrete has advantages, especially regarding deflection and thickness. The results of CLT show that it is possible to build a multi-story house. However, CLT requires larger dimensions and gives greater deflections compared to concrete. The results show that the external walls need an 80 mm greater thickness than the concrete walls and the translational displacement is in the worst case 4,8 mm for CLT respective 1,8 mm for concrete. The results show that the total weight of the building with walls of CLT is 74 % of the total weight of the building with concrete walls. The weight of a building with CLT walls has great advantages and benefits both the environment and because of the lighter weight easier to work with. Since CLT is the better alternative for the environment, more builders should keep in mind to look at solutions with wood as a skeleton to promote sustainable construction.

With an increased demand on high-efficiency electrical machines in traction applications, better understanding in the losses induced by the converter is needed. The harmonic losses from the converter are non-negligible part of the total losses in an induction machine, and these harmonic losses have been studied here with a focus on iron, skin-effect and proximity losses. The main goal of the thesis is to advise how the modulation method can be changed to lower these time harmonic losses in an induction machine. A model of the induction machine was created in the FEM(Finite Element Method) software FLUX. The iron, the proximity and the skin-effect losses were simulated in the FLUX model with different modulation method to analyse the time harmonic losses due to respective phenomena. The modulation method at higher operation is square-wave modulation, this is due to that maximum fundamental voltage has been reached. At lower operation, pulse width modulation is used, and the switching frequency can be increased to lower the time harmonics losses in the motor. The iron losses simulated in FLUX show that the losses increase with frequency even if the motor enters flux weakening operation at higher frequencies. The proximity phenomena gives rise to a distinct increase of resistive losses in the conductor closest to the air gap in the stator winding. The skin-effect phenomena affects the losses at square-wave modulation of high frequencies mostly as the time harmonics are larger and of low order. / Med en ökad efterfrågan på högeffektiva elektriska maskiner i traktionsapplikationer, måste man ha en högre förståelse i de förluster som induceras av frekvensomvandlaren. Förlusterna från frekvensomvandlaren är en icke försumbar del av de totala förlusterna i induktionsmaskinen. Förlusterna har här analyserats med fokus på järn-, skineffekt- och proximityförluster. Huvudsyftet med examensarbetet är att ge råd i hur moduleringsmetoden kan ändras för att sänka övertonsförlusterna i en induktionsmaskin. En modell av induktionsmaskinen skapades i FEM(Finita Elementmetoden) mjukvaran FLUX. Järn-, proximity- och skineffektförlusterna simulerades i FLUX-modellen med olika moduleringsmetoder för att analysera övertonsförluster på grund av respektive fenomen. Moduleringsmetoden vid högre drift är fyrkantmodulering, det är på grund av att maximal fundamental spänning har uppnåtts. Vid lägre drift har pulsbreddsmodulering använts och switchfrekvensen kan ökas för att sänka övertonersförlusterna i motorn. Järnförlusterna som simulerades i FLUX-modellen visar att förlusterna ökar med frekvensen även när motorn utsatts för fältförsvagning vid högre frekvensker. Proximityfenomenet ger upphov till en tydlig ökning av resistiva förluster i ledaren närmast luftgapet i statorlindningen. Skineffektfenomenet påverkar förlusterna på fyrkantsmoduleringen av höga frekvenser, mest på grund av att övertonerna är större och av låg ordning.

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Der innovative Verbundwerkstoff N-TRC (Nonwoven-Textile Reinforced Concrete) bestehend aus Carbonbeton (CRC – Carbon Reinforced Concrete) und betongetränktem Nadelvliesstoff (CSN – Concrete Soaked Nonwovens) ist in Form von Material- und Bauteilversuchen entwickelt und getestet worden. Nach der Ermittlung des eindimensionalen Druck- und Zugtragverhaltens des Materials sind verschiedene Konstruktionsvarianten eines Deckenträgers in 6-Punkt-Biegeversuchen untersucht worden. Die Bauweise mit N-TRC ermöglicht dabei die Herstellung dünner Querschnitte mit einer hohen Maßgenauigkeit und Anpassungsfähigkeit an räumliche Flächentragwerke. Des Weiteren weist der betongetränkte Nadelvliesstoff eine sehr feine Rissbildung und außergewöhnlich hohe Duktilität auf. Die untersuchten Bauteilabmessungen der Deckenträger reichen in der Spannweite von 3 bis 4,3 m und betragen in der Höhe 0,2 m und in der Breite 0,6 m. Die Bauelemente erreichen bei diesen Abmessungen Eigengewichte von 50 – 100 kg und übertreffen mit der experimentell ermittelten, maximalen Tragfähigkeit dabei die nominellen Gebrauchslasten um ein Vielfaches. Wie bei allen filigranen und leichten, aber sehr tragfähigen Tragstrukturen gehen diese Tragfähigkeiten mit hohen Verformungen einher, denen konstruktiv begegnet werden muss. Neben den experimentell durchgeführten Material- und Großbauteilversuchen sind analytische und mitunter relativ aufwändige numerische Simulationsmodelle entwickelt, auf die Bauteilversuche angewendet und untereinander verglichen worden. Dabei werden unter anderem mehrschichtige Carbonbewehrungen und das mehraxiale nichtlineare Spannungs-Dehnungsverhalten von Beton berücksichtigt, um das realitätsnahe Tragverhalten der Bauteile vom ungerissenen Zustand bis zum Zustand der abgeschlossenen Rissbildung abzubilden.

The global population is estimated to rise by 89 million people annually and for this reason there is a need for more housing and buildings worldwide. As cities grow outwards and buildable land becomes scarce, it is necessary to increase the height of buildings in cities, especially where the height of existing buildings is low. For crowded cities, story extensions are an increasingly popular measure that could meet market’s demand for centrally located homes.The main focus of this study is to clarify how a specific existing building handles the addition of a story. The existing building that was used as a starting point is located in Styrmansgatan in Gävle, the district Brynäs. The building has totally three storiesand is a youth residence where HBS is the property owner. The study presents the approach to validate and simulate the existing building.The method of the work is modelling in StruSoft FEM-Design which is a program used for modelling, analysis and design of load-bearing elements of buildings according to Eurocode. With the help of the program, it is investigated whether the existing building can handle an extension and which reinforcements should be made. It is suitable for all different types of design tasks from the entire stability analysis in a building to individual elements. The work is carried out in 3 steps where first the reference building to be used as a starting point is modelled, analyzed and designed. The next step is to add a story and then analyze any additional measures in connection with the extension of the story. The building must be approved according to standards as a starting point with regard to degree of utilization and deflection. Then, a comparison is made between the existing building structure and the superstructure with respect to degree of utilization, deflection, stress, and the base reaction.Results obtained from this study show that if an extension is to be possible, reinforcement solutions should take place for building elements that receive an unacceptable degree of utilization. The reinforcement solutions are resulted with the help of beams, columns, wind brace and changed reinforcement contents in reinforced concrete elements for the load-bearing structure. The study concludes that the story extension is possible with added reinforcement measures / Den globala befolkningsmängden beräknas stiga med 89 miljoner människor årligen och av den anledningen finns det ett behov av fler bostäder och byggnader över hela världen. När städer växer utåt och expanderar blir byggbar mark en bristvara, där kan påbyggnad vertikalt vara ett alternativ då man ökar höjden på byggnader. För trånga städer är våningspåbyggnader en alltmer populär åtgärd som skulle kunna möta marknadens efterfrågan av centralt placerade bostäder. Huvudfokus i denna studie är att klargöra hur en specifik befintlig byggnad klarar påbyggnad av ett våningsplan. Den befintliga byggnaden som användes som utgångspunkt ligger på Styrmansgatan i Gävle, stadsdelen Brynäs. Byggnaden har totalt tre våningar och är ett ungdomsboende där HSB står som fastighetsägare. Studien presenterar tillvägagångssättet för validering och simulering av en befintlig byggnad.Arbetet utfördes med StruSoft FEM-Design som används för modellering, analys och design för bärande element i byggnader baserade på Eurokod. Med hjälp utav StruSoftFEM-Design ska det undersökas om den befintliga byggnaden klarar av en utökning och huruvida vilka förstärkningar som eventuellt bör ske. Den passar för alla olika typer utav konstruktionsuppgifter från hela stabilitetsanalysen i en byggnad till enskilda element. Arbetet kommer genomföras i 3 steg där först den referensbyggnad som skall användas som utgångsläge modelleras, analyseras och designas. Nästa steg är att lägga till ett våningsplan för att sedan analysera eventuella tilläggsåtgärder i samband med utökning av ett våningsplan. Byggnaden skall vara godkänd enligt standarder som utgångspunkt med avseende på utnyttjandegrad och nedböjning. Därefter sker det en jämförelse mellan den befintliga bygganden och påbyggnaden med avseende på utnyttjandegrad, nedböjning, spänning och grundreaktionen.Resultat som har erhållits från denna studie påvisade att om en påbyggnad ska vara möjlig bör förstärkningslösningar äga rum för byggnadselement som fick en oacceptabel utnyttjandegrad. Förstärkningslösningen resulterade med hjälp av balkar, pelare, vindstage och ändrat armeringsinnehåll för armerad betong element för den bärande konstruktionen. Studiens slutsats är att våningspåbyggnad är möjlig vid tillagda förstärkningsåtgärder.

Les ouvrages de génie civil, imposants et uniques, sont majoritairement construits en béton armé ou précontraint. La durabilité, l'étanchéité et la sûreté sont primordiales lorsqu'il s'agit d'évaluer la performance d'un ouvrage. La fissuration est un phénomène majeur qui influence le comportement des ouvrages sous diverses sollicitations en terme de durabilité et de tenue structurale. Le développement de lois de comportement capables de décrire de manière robuste et efficace la réponse des matériaux quasi-fragiles sous sollicitations complexes représente encore aujourd'hui un paradigme qui suscite de nombreux travaux au sein de la communauté scientifique. L'objectif principal de ces travaux est le développement d'un modèle numérique capable de représenter explicitement la fissuration des éléments de structure en béton armé. La dégradation des structures en béton armé, caractérisée par un réseau de fissures anisotrope, est décrite par un modèle d'endommagement anisotrope fondé sur des fissures orientées. La cinématique du modèle est enrichie par un saut de déplacement de manière à représenter explicitement le développement de fissures dans le matériau. Ce saut de déplacement est identifié comme l'ouverture de fissure. Le modèle développé est validé sur des structures en béton présentant des mécanismes de ruine en mode I et mode mixte. Les performances du modèle sont illustrées via la simulation de structures en béton armé comme un voile en cisaillement soumis a un chargement cyclique. / Civil engineering buildings, massive and unique, are mostly made of reinforced or prestressed concrete. Sustainability, tightness and safety are the major pillars of a building's performance. Cracking is a major phenomenon which impacts the buildings' behaviour under different loadings in terms of sustainability and structural capacity. Development of numerical models which describe accurately the response of quasi-brittle materials under complex loading remains an important research topic for the scientific community. The objective of this work is the development of a numerical model which represents explicitly cracking of reinforced concrete structures. Concrete and reinforced concrete degradation process, characterised by the appearance of several anisotropic crack families, is described by means of an anisotropic damage model accounting for oriented crack families. The kinematics of this model is enriched with a displacement jump in order to reproduce the development of cracks in the material during loading. This displacement jump is identified as the crack opening. The developed model is validated on simulations of plain concrete structures exhibiting mode I as well as mixed-mode failure. The performances of the enriched model are shown by the simulation of reinforced concrete structures such as a shear wall submitted to cyclic loading.

Ce travail a été entrepris dans le cadre d’une coopération internationale entre l’Université de Brasilia, l’Agence spatiale brésilienne (AEB), l’ENS Paris-Saclay et le groupe SAFRAN. L’objet principal de cette coopération est l’étude du fretting-fatigue, problème de contact associé à des charges de fatigue qui réduisent considérablement la durée de vie des composants en raison de la concentration élevée de contraintes, de l’usure et des conditions de chargement non proportionnelles. En ce qui concerne les coûts de calcul élevés impliqués dans l’évaluation des applications industrielles, l’un des objectifs de ce travail est d’améliorer les performances des simulations de frettage utilisant une approche d’enrichissement. L'idée est de tirer parti du fait que les champs mécaniques autour des bords de contact dans des configurations de contact cylindriques dans des conditions de frottement sont similaires à ceux trouvés près du fond de fissure dans les problèmes de mécanique de rupture élastique linéaire. Cette similitude rend attrayante l’idée d’enrichir les simulations de frettage par éléments finis via le framework X-FEM, ce qui nous permet de travailler avec des maillages plus grossiers tout en conservant une bonne précision. Comme nous le montrerons dans ce travail, il est possible de travailler avec des maillages jusqu'à 10 fois plus grossiers que si une méthode par élements finis classique était utilisée, permettant une forte amélioration des performances de calcul.Ce travail étudiera également l’influence de la prise en compte des effets de l’usure dans la prévision de la durée de vie en fatigue. Par conséquent, des simulations par éléments finis du fretting-fatigue ont été effectuées en tenant compte de la mise à jour de la géométrie due à l'enlèvement de matière et les résultats ont été comparés aux données expérimentales et aux simulations par éléments finis dans lesquels les effets de l'usure ont été négligés (stratégie simplificatrice généralement adoptée pour évaluer les problèmes de fatigue de frottement). Les critères de fatigue multiaxiaux conventionnels associés à la théorie des distances critiques ont été utilisés pour prédire la vie. Les résultats ont montré que, pour les données évaluées ici, lorsque des essais de fretting-fatigue ont été menés sur un alliage Ti-6Al-4V dans des conditions de glissement partiel, considérer les effets de l'usure pourraient augmenter légèrement la précision des prévisions de durée de vie. Cependant, cette amélioration n’est peut-être pas digne d’intérêt si nous prenons en compte les coûts de calcul élevés dans les analyses d’usure. / This work has been undertaken in the context of an international research cooperation between the University of Brasilia, the Brazilian Space Agency (AEB), the ENS Paris-Saclay and the SAFRAN group. The main subject of this cooperation is the investigation of fretting fatigue, which is a contact problem in conjunction with fatigue loads responsible for reducing considerably components’ fatigue life due to the high stress concentration, wear and non-proportional loading conditions involved in such problems. Regarding the high computational costs involved when assessing industrial applications, one of the aims of this work is to improve the performance of fretting simulations making use of an enrichment approach. The idea is to take advantage of the fact that the mechanical fields around the contact edges in cylindrical contact configurations under fretting conditions are similar to the ones found close to the crack tip in linear elastic fracture mechanics problems. This similarity makes attractive the idea of enriching finite element fretting simulations through the X-FEM framework, which enables us to work with coarser meshes while keeping a good accuracy. As it will be shown in this work, it is possible to work with meshes up to 10 times coarser than it should be if a conventional FE method was used allowing a strong improvement of the computational performances.This work will also investigate the influence of considering wear effects in the prediction of fretting fatigue lives. Therefore, fretting fatigue FE simulations have been carried considering the geometry update due to the material removal and results were compared to both experimental data and FE simulations where wear effects were neglected (simplifying strategy usually adopted when evaluating fretting fatigue problems). Conventional multiaxial fatigue criteria in association with the Theory of Critical Distances have been used in order to predict life. Results have shown that, for the data here assessed, where fretting fatigue tests were conducted on a Ti-6Al-4V alloy under partial slip conditions, considering wear effects might slightly increase the accuracy of life predictions. However, this slight improvement may not be worthwhile regarding the increase in the computational cost when compared to standard approaches where wear is neglected.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Verhalten polyelektrolytischer Gele und Hydrogelschichtsysteme auf Basis der Kontinuumsmechanik zu modellieren. Die Untersuchung des Materialverhaltens gegenüber externer Stimulation erfolgt anhand numerischer Simulationen, wodurch Einblicke in den komplexen Quellprozess und darin auftretende Phänomene gewährt werden. Die vorgenommene Modellierung und Simulation gestattet dabei eine Optimierung der Systemeigenschaften für den Anwendungsfall. Anwendungsfehler und die Anzahl nötiger Versionen zur Systemgestaltung können hierdurch effektiv verringert werden. Hydrogele stellen wichtige Vertreter aus der Klasse intelligenter Materialien dar, d.h. sie sind in der Lage auf Umwelteinflüsse durch eine reversible Änderung ihrer Materialeigenschaften zu reagieren. Sie bestehen aus einer mit Wasser gefüllten Polymermatrix, in welcher ionische Ladungsträger vorliegen. Dabei sind mobile Ladungsträger im Wasser enthalten. Die Materialeigenschaften von Hydrogelen beruhen auf ihrer chemischen Zusammensetzung und können jeweils spezifisch für ihren Anwendungsfall angepasst werden. So reagieren polyelektrolytische Hydrogele mit einem reversiblen Quell- bzw. Schrumpfungsprozess auf externe elektrische Felder und die Änderung der chemischen Zusammensetzung im umgebenden Lösungsmittelbad. Die reversible Volumenänderung gegenüber externer Stimuli eröffnet Hydrogelen ein breites Anwendungsfeld. Insbesondere sind sie für die Entwicklung neuer Messsysteme relevant, da über klassische Messgrößen hinaus auch sehr spezifische chemische Größen untersucht werden können. Auch eignen sich Hydrogele als aktive Komponenten mikrofluidischer Ventile, welche auf die Zusammensetzung des Fluides reagieren. Da sie keine externe Ansteuerung bzw. Energieversorgung benötigen, sind sie leichter miniaturisierbar als klassische Ventile. Aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte sind Hydrogele prinzipiell auch für die Entwicklung leichter und energieeffizienter Aktoren geeignet. Hierbei stellt die von der Größe des Hydrogels abhängige Reaktionszeit bislang jedoch eine Hürde dar, wodurch ihr Einsatz in kleinskaligen Anwendungen wahrscheinlicher ist. Die Kombination mehrerer Schichten aus Hydrogelen ermöglicht hierbei die Anwendung als Biegeaktoren bzw. Messsysteme mit erhöhter Genauigkeit. Da ein fundiertes Wissen über die komplexen Vorgänge im Hydrogel eine große Rolle bei der Weiterentwicklung neuartiger Anwendungen spielt, wird in dieser Arbeit das komplexe Materialverhalten numerisch abgebildet. Hierbei wird insbesondere Wert auf die Interaktion der chemischen, elektrischen sowie der mechanischen Domäne gelegt. Dabei wird a priori angenommen, dass die komplizierte Mikrostruktur des porösen Hydrogels als Kontinuum darstellbar ist und die relevanten Phänomene über Feldgleichungen abgebildet werden können. Es wird eine Einführung über polyelektrolytische Hydrogele und Hydrogelschichtsysteme gegeben, wobei insbesondere auf deren mikrostrukturellen Aufbau und daraus ableitbare Einsatzgebiete eingegangen wird. Mittels eines Überblicks über Modellierungsansätze in der publizierten Literatur werden die hier verwendeten Modellierungsansätze motiviert und in das Umfeld bestehender Vorarbeiten eingeordnet. Nach der Einführung notwendiger Grundlagen der physikalischen Chemie wird die Modellbildung mit der gewählten Kinematik, den Bilanzgleichungen und den Materialgleichungen zur Beschreibung von Hydrogelen und Hydrogelschichtsystemen vorgestellt. Die Bilanzgleichungen umfassen hierbei die Massenerhaltung des Polymers und der ionischen Spezies, die Impuls- und Drehimpulsbilanz sowie die Maxwell-Gleichungen. Nach der Beschreibung geeigneter Materialgleichungen folgt eine Zusammenstellung des gekoppelten chemo-elektro-mechanischen Feldproblems. Zur Lösung des gekoppelten Feldproblems wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) genutzt. Die Validierung des erstellten Modells wird anhand eines Quellexperiments von Frijns et al. durchgeführt. Durch den Vergleich mit einem auf der Theorie Poröser Medien (TPM) basierenden Modells kann das hier verwendete Modell abgeglichen werden, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen beider Modelle herrscht. Basierend auf den Vorarbeiten von Wallmersperger et al. und Attaran et al. wurde das hier genutzte Modell um einen zeitlichen Term in der Beschreibung der Referenzkonzentration erweitert. Hieraus resultiert eine qualitative Verbesserung in der Darstellung des zeitlichen Quellverlaufes bei chemischer Stimulation. In Anlehnung an vorhergehende Arbeiten auf dem Gebiet erfolgt die Kopplung von der mechanischen Domäne zur chemischen Domäne über eine vom Verzerrungszustand abhängige Konzentration gebundener Ladungsträger. Hier durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass diese Rückkopplung auch unter der Annahme kleiner Deformationen Relevanz besitzt und nicht vernachlässigt werden sollte. Anders als z.B. mit der TPM oder mit dem Flory-Rehner Modell ist es unter Verwendung des hier entwickelten Modells möglich, Grenzschichtphänomene zwischen Gel und Lösungsmittelbad aufzulösen. Durch die Untersuchung der Grenzschicht zeigt sich eine annähernd lineare Abhängigkeit der Grenzschichtdicke von der relativen Permittivität des Hydrogels. Auch lässt sich ein Zusammenhang zwischen der Konzentration gebundener Ladungsträger und der Grenzschichtdicke identifizieren. Um das Potential der gewählten Methode zu demonstrieren, wird anhand des Beispiels eines einfachen zweischichtigen Hydrogel-Biegebalkens eine Untersuchung über die inneren Vorgänge im Schichtsystem durchgeführt. Die Untersuchung gewährt hierbei Einblicke z.B. in den zeitlichen Verlauf des elektrischen Potentials, der Konzentration mobiler Ionen sowie der resultierenden Verzerrungen. In einem abschließenden numerischen Beispiel wird die Kontaktkraft sowie die auftretenden mechanischen Spannungen in einem Greifersystem, bestehend aus zwei hydrogelbasierten Biegeaktoren, ausgewertet. / Aim of this work is to model the behavior of polyelectrolyte gels and hydrogel-layer systems based on continuum mechanics. For this, numerical simulations are conducted to gain an insight into the complex phenomena occurring during the swelling process of hydrogels. The process of modeling and simulation is important to enhance the understanding of these systems and to improve the properties of hydrogel-based applications. Also, errors resulting from a lack of knowledge as well as from the number of required experimental works can be reduced significantly. Hydrogels belong to the class of smart materials. Therefore, they show a response to changes in their environment by a reversible change of material properties. Polyelectrolyte hydrogels consist of a polymer network with fixed ionic groups. Within the void of the polymer matrix, interstitial water containing mobile ions is present. The properties of hydrogels depend on their chemical composition and can be adjusted for the specified application. They exhibit a reversible swelling or deswelling process when subjected to electric fields or changes of the chemical composition of the surrounding solution bath. This reversible volume change opens a wide field of potential applications. The most promising field of application seems to be in the realms of measurement systems, since hydrogels can be used for the investigation of very specific chemical or biochemical measures. In addition, hydrogels can be used as active components in microfluidic devices, which open and close depending on the chemical composition of the bypassing fluid. Without a need for external control and energy supply, they are suitable for miniaturisation. As a consequence of their high energy density, hydrogels are also relevant candidates for the development of lightweight and energy efficient actuator systems. Due to their size-dependent reaction time, their use in small-scale actuatoric devices is the most promising in this field. the combination of multiple hydrogel layers can be used to increase the sensitivity of hydrogel-based measurement devices. Hydrogel-layer systems can also be used for actuatoric devices, such as gripper devices or microfluidic valves. In the presented model, the interaction between the electrical, chemical and the mechanical fields are respected. It is assumed, that the complex microstructure of hydrogels may be treated as a continuum and that the relevant phenomena can be described using field equations. A brief introduction on polyelectrolyte gels and hydrogel-layer systems is given. Here, their microstructure is described and relevant applications are summarized. By giving a brief literature review, the modeling approaches of this thesis are motivated and arranged within the field of existing models. After an introduction of relevant basics of physical chemistry, the model formulation is presented. Here, the chosen kinematics as well as the used balance equations and material laws are given. They include the conservation of mass for the polymer and the ionic species, the conservation of linear momentum and angular momentum as well as the Maxwell equations. After presenting suitable material laws, the field equations of the fully coupled chemo-electro-mechanical field problem are summarized. The numerical solution of the field problem is obtained by applying the Finite-Element-Method (FEM). The validation of the presented model is conducted by a comparison with experimental results of Frijns et al. After this, the used model is compared with the Theory of Porous Media (TPM), which results in a good agreement of both approaches. Since the used model represents an extension of the preliminary work of Wallmersperger et al. and Attaran et al., differences in the models are discussed. By extending the previous models by an additional temporal term in the description of the reference concentration, a qualitative improvement of the prediction of the time behavior under chemical stimulation is achieved. As done in preliminary works, the mechanical and the chemical domains are coupled by a strain dependent concentration of fixed charges. It can be shown, that this backcoupling is of significance also for small deformations. In contrast to the TPM and the Flory-Rehner model, phenomena occurring in the interface layer between adjacent domains can be investigated using the presented model. An almost linear dependence between the relative permittivity of the hydrogel and the thickness of the boundary layer is observed. It also depends on the concentration of fixed charges in the polymer network. To demonstrate the potential of the applied method, a numerical investigation of a two-layered hydrogel bending actuator is investigated. The results give an insight for example into the time-dependent distribution of the electric potential, the concentration of mobile ions as well as the resulting strains. In another numerical example, the contact force in a gripper consisting of two hydrogel-based bending actuators is evaluated.

Der moderne Entwicklungsprozess von Bauteilen umfasst nicht nur Aspekte der funktionsgerechten Dimensionierung, sondern berücksichtigt auch Materialien, die auf Umgebungsbedingungen reagieren oder deren Verhalten sich von außen regeln lassen kann. Im Allgemeinen weisen diese Materialien mechanische Eigenschaften auf, die von mindestens einem weiteren physikalischen Feld, das zum Beispiel elektrischer, magnetischer oder chemischer Natur sein kann, aufgrund dem Material eigener innerer Wechselwirkungen beeinflusst werden. In der Literatur wird für diese Klasse von Materialien häufig der Begriff smart materials oder intelligent materials verwendet [Leo07]. Für die Forschung stellten diese Materialien in den letzten Jahren ein außerordentlich spannendes Aufgabenfeld dar, sodass eine Vielzahl von Materialien klassifiziert werden konnte [BC04] und auf Basis ihrer charakteristischen Eigenschaften neuartige Sensor- und Aktorsysteme entstanden sind [GA10]. Ein Beispiel ist das in Abbildung 1.1 dargestellte Modell eines Chemosensors auf Basis eines polyelektrolyten Gels, der am Institut für Festkörperelektronik der TU Dresden entwickelt wurde.

Der Vortrag demonstriert am Beispiel eines Designraumes die Kombination aus einem FE-Werkzeug mit parametrischen Untersuchungen.