In the last half of the XX century and the first years of the XXI century a large amount of methods for the determination of mechanical and tribological properties of materials on the micro- and nano-scale were developed. However, some problems and disadvantages are kept up to now. The combined application of normal and lateral forces allows to extend the possibilities of conventional contact mechanical approaches for investigations of mechanical and tribological behaviour of bulk and coated materials. Due to the unique construction of the Lateral Force Unit (LFU) the lateral force can be applied to the sample during normal indentation by the commercial nanoindenter UMIS 2000. Thus, the presented thesis reports the detailed study of the LFU capabilities for the determination of mechanical properties and tribological behavior on the micro-scale. At first it was found that the most appropriate standard position for the correct combined application of normal and lateral forces is the LFU inclination by 3.3° with respect to the UMIS stage. This standard position allows to minimize the influence of different factors on the measuring process. It was shown that the shape of normal displacement-time curves is the most convenient after the thermal drift correction for the simplification of the determination of such parameters as the maximal normal displacement and the residual normal deformation obtained by lateral force application. It was found that the crack formation can be detected as the observation of sudden change of lateral displacement in lateral force-displacement curve together with normal displacement in normal displacement-time curve. These investigations were performed for single-crystal sapphire. For the first time the crack in single-crystal sapphire was detected by the contact mechanical method in situ. The critical tensile stress for the crack formation in single-crystal sapphire was determined as 9.68+-0.22 GPa. It was established that the onset of plastic deformation can be detected by the observation of shape change of lateral force-displacement curve together with the appearance of residual normal deformation in normal displacement-time curve. These investigations were done for bulk BK7 glass and silicon dioxide film with thickness of 951 nm on silicon substrate. The yield strength for the silicon dioxide film was evaluated as 6.83+-0.02 GPa. It was found that the static friction of materials couples can be evaluated by the analysis of lateral force-displacement curves with the error of 5-10 %. The static friction coefficients for fused silica, BK7 glass, single-crystal sapphire as well as SiO2, DLC and CrN0.08 coatings were determined against diamond, tungsten carbide and sapphire spherical indenter with different radii. The effect of normal load on static friction for fused silica and BK7 glass against 10.5 µm diamond spherical indenter was also studied. It was found that the onset of plastic deformation leads to a significant change of static friction. / In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts und während den ersten Jahren des 21. Jahrhunderts wurden zahlreiche Methoden zur Untersuchung mechanischer und tribologischer Materialeigenschaften auf der Mikro- und Nanometerskala entwickelt. Trotz der Fortschritte auf diesem Gebiet blieben vielfältige Fragestellungen unbeantwortet oder waren mit den vorhandenen experimentellen Untersuchungsmethoden nicht zugänglich. Mit der kombinierten Belastung aus Lateral- und Normalkräften wurden die etablierten Messverfahren um einen viel versprechenden Ansatz zur Charakterisierung mechanischer sowie tribologischer Eigenschaften erweitert, der sowohl für Massiv- als auch Schichtmaterialien anwendbar ist. Die einzigartige Konstruktion einer Lateralkrafteinheit bietet als separates Bauteil die Möglichkeit während eines Standardeindringversuches mittels des kommerziellen Nanoindenters UMIS 2000 bei normaler Last, eine laterale Belastung zu überlagern. Die vorliegende Arbeit zeigt eine detaillierte Studie der Einsatzmöglichkeiten der Lateralkrafteinheit hinsichtlich der Charakterisierung mechanischer Eigenschaften und tribologischen Materialverhaltens auf der Mikrometerskala. Zunächst wurde herausgefunden, dass eine Verkippung der Lateralkrafteinheit von 3,3° gegenüber dem UMIS-Rahmen notwendig ist, um eine hochgenaue und definierte Belastung aus lateraler und normaler Kraft auf die Probe auszuüben. Mit dieser durchgeführten Korrektur der Ausrichtung gelang es weitere auf den Messprozess einwirkende Effekte zu minimieren. Nach der Korrektur der thermischen Drift scheinen die gemessenen Normalverschiebungs-Zeit-Kurven für die Bestimmung von mechanischen Parametern wie maximaler Verschiebung oder bleibender Eindrucktiefe bei lateraler Belastung geeignet zu sein. Als ein weiteres Ergebnis gelang es, durch die kombinierte Belastung der Kraftkomponenten Bruchversagen nachzuweisen. Das Materialversagen wurde durch eine abrupte Änderung der lateralen Verschiebung im Last-Verschiebungs-Diagramm angezeigt. Mit dieser Methode wurde erstmalig in-situ das Bruchversagen am Beispiel des einkristallinen Saphirs detektiert. Die kritische Zugspannung, die zur Bruchbildung bei Saphir führte, war 9,68+-0,22 GPa. Die Analyse der Kurvenform der Kraft-Verschiebungs-Kurven für die Lateralbelastung im Zusammenhang mit dem Auftreten von bleibender Deformation in den zugehörigen Verschiebungs-Zeit-Kurven der normalen Belastung liefert den Beginn der plastischen Deformation. Massive BK7-Glasproben sowie SiO2-Schichten wurden untersucht. Für die Fließspannung der SiO2-Schicht wurde ein Wert von 6,83+-0,02 GPa ermittelt. Der Haftreibungskoeffizient für verschiedene Materialpaarungen wurde aus den Last-Verschiebungs-Kurven mit einer Genauigkeit von 5-10 % berechnet. Zu den untersuchten Materialien gehörten Quarz, einkristallines Saphir, BK7-Glas sowie SiO2-, DLC- und CrN0.08-Schichten, die mit Diamant, Wolframkarbid und Saphir-Indentern gepaart wurden. Zusätzlich wurde der Einfluss der Normallast auf den Haftreibungskoeffizienten für Quarz und BK7-Glas gegen Diamant studiert. Es zeigte sich, dass der Beginn der plastischen Deformation zu signifikanten Änderungen der Haftreibung führt.

Background: Scoring models are widely established in the intensive care unit (ICU). However, the importance in patients with ruptured abdominal aortic aneurysm (RAAA) remains unclear. Our aim was to analyze scoring systems as predictors of survival in patients undergoing open surgical repair (OSR) for RAAA. Methods: This is a retrospective study in critically ill patients in a surgical ICU at a university hospital. Sixty-eight patients with RAAA were treated between February 2005 and June 2013. Serial measurements of Sequential Organ Failure Assessment score (SOFA), Simplified Acute Physiology Score II (SAPS II) and Simplified Therapeutic Intervention Scoring System-28 (TISS-28) were evaluated with respect to in-hospital mortality. Eleven patients had to be excluded from this study because 6 underwent endovascular repair and 5 died before they could be admitted to the ICU. Results: All patients underwent OSR. The initial, highest, and mean of SOFA and SAPS II scores correlated significant with in-hospital mortality. In contrast, TISS-28 was inferior and showed a smaller area under the receiver operating curve. The cut-off point for SOFA showed the best performance in terms of sensitivity and specificity. An initial SOFA score below 9 predicted an in-hospital mortality of 16.2% (95% CI, 4.3–28.1) and a score above 9 predicted an in-hospital mortality of 73.7% (95% CI, 53.8–93.5, p < 0.01). Trend analysis showed the largest effect on SAPS II. When the score increased or was unchanged within the first 48 h (score >45), the in-hospital mortality rate was 85.7% (95% CI, 67.4–100, p < 0.01) versus 31.6% (95% CI, 10.7–52.5, p = 0.01) when it decreased. On multiple regression analysis, only the mean of the SOFA score showed a significant predictive capacity with regards to mortality (odds ratio 1.77; 95% CI, 1.19–2.64; p < 0.01). Conclusion: SOFA and SAPS II scores were able to predict in-hospital mortality in RAAA within 48 h after OSR. According to cut-off points, an increase or decrease in SOFA and SAPS II scores improved sensitivity and specificity.

In the last half of the XX century and the first years of the XXI century a large amount of methods for the determination of mechanical and tribological properties of materials on the micro- and nano-scale were developed. However, some problems and disadvantages are kept up to now. The combined application of normal and lateral forces allows to extend the possibilities of conventional contact mechanical approaches for investigations of mechanical and tribological behaviour of bulk and coated materials. Due to the unique construction of the Lateral Force Unit (LFU) the lateral force can be applied to the sample during normal indentation by the commercial nanoindenter UMIS 2000. Thus, the presented thesis reports the detailed study of the LFU capabilities for the determination of mechanical properties and tribological behavior on the micro-scale. At first it was found that the most appropriate standard position for the correct combined application of normal and lateral forces is the LFU inclination by 3.3° with respect to the UMIS stage. This standard position allows to minimize the influence of different factors on the measuring process. It was shown that the shape of normal displacement-time curves is the most convenient after the thermal drift correction for the simplification of the determination of such parameters as the maximal normal displacement and the residual normal deformation obtained by lateral force application. It was found that the crack formation can be detected as the observation of sudden change of lateral displacement in lateral force-displacement curve together with normal displacement in normal displacement-time curve. These investigations were performed for single-crystal sapphire. For the first time the crack in single-crystal sapphire was detected by the contact mechanical method in situ. The critical tensile stress for the crack formation in single-crystal sapphire was determined as 9.68+-0.22 GPa. It was established that the onset of plastic deformation can be detected by the observation of shape change of lateral force-displacement curve together with the appearance of residual normal deformation in normal displacement-time curve. These investigations were done for bulk BK7 glass and silicon dioxide film with thickness of 951 nm on silicon substrate. The yield strength for the silicon dioxide film was evaluated as 6.83+-0.02 GPa. It was found that the static friction of materials couples can be evaluated by the analysis of lateral force-displacement curves with the error of 5-10 %. The static friction coefficients for fused silica, BK7 glass, single-crystal sapphire as well as SiO2, DLC and CrN0.08 coatings were determined against diamond, tungsten carbide and sapphire spherical indenter with different radii. The effect of normal load on static friction for fused silica and BK7 glass against 10.5 µm diamond spherical indenter was also studied. It was found that the onset of plastic deformation leads to a significant change of static friction. / In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts und während den ersten Jahren des 21. Jahrhunderts wurden zahlreiche Methoden zur Untersuchung mechanischer und tribologischer Materialeigenschaften auf der Mikro- und Nanometerskala entwickelt. Trotz der Fortschritte auf diesem Gebiet blieben vielfältige Fragestellungen unbeantwortet oder waren mit den vorhandenen experimentellen Untersuchungsmethoden nicht zugänglich. Mit der kombinierten Belastung aus Lateral- und Normalkräften wurden die etablierten Messverfahren um einen viel versprechenden Ansatz zur Charakterisierung mechanischer sowie tribologischer Eigenschaften erweitert, der sowohl für Massiv- als auch Schichtmaterialien anwendbar ist. Die einzigartige Konstruktion einer Lateralkrafteinheit bietet als separates Bauteil die Möglichkeit während eines Standardeindringversuches mittels des kommerziellen Nanoindenters UMIS 2000 bei normaler Last, eine laterale Belastung zu überlagern. Die vorliegende Arbeit zeigt eine detaillierte Studie der Einsatzmöglichkeiten der Lateralkrafteinheit hinsichtlich der Charakterisierung mechanischer Eigenschaften und tribologischen Materialverhaltens auf der Mikrometerskala. Zunächst wurde herausgefunden, dass eine Verkippung der Lateralkrafteinheit von 3,3° gegenüber dem UMIS-Rahmen notwendig ist, um eine hochgenaue und definierte Belastung aus lateraler und normaler Kraft auf die Probe auszuüben. Mit dieser durchgeführten Korrektur der Ausrichtung gelang es weitere auf den Messprozess einwirkende Effekte zu minimieren. Nach der Korrektur der thermischen Drift scheinen die gemessenen Normalverschiebungs-Zeit-Kurven für die Bestimmung von mechanischen Parametern wie maximaler Verschiebung oder bleibender Eindrucktiefe bei lateraler Belastung geeignet zu sein. Als ein weiteres Ergebnis gelang es, durch die kombinierte Belastung der Kraftkomponenten Bruchversagen nachzuweisen. Das Materialversagen wurde durch eine abrupte Änderung der lateralen Verschiebung im Last-Verschiebungs-Diagramm angezeigt. Mit dieser Methode wurde erstmalig in-situ das Bruchversagen am Beispiel des einkristallinen Saphirs detektiert. Die kritische Zugspannung, die zur Bruchbildung bei Saphir führte, war 9,68+-0,22 GPa. Die Analyse der Kurvenform der Kraft-Verschiebungs-Kurven für die Lateralbelastung im Zusammenhang mit dem Auftreten von bleibender Deformation in den zugehörigen Verschiebungs-Zeit-Kurven der normalen Belastung liefert den Beginn der plastischen Deformation. Massive BK7-Glasproben sowie SiO2-Schichten wurden untersucht. Für die Fließspannung der SiO2-Schicht wurde ein Wert von 6,83+-0,02 GPa ermittelt. Der Haftreibungskoeffizient für verschiedene Materialpaarungen wurde aus den Last-Verschiebungs-Kurven mit einer Genauigkeit von 5-10 % berechnet. Zu den untersuchten Materialien gehörten Quarz, einkristallines Saphir, BK7-Glas sowie SiO2-, DLC- und CrN0.08-Schichten, die mit Diamant, Wolframkarbid und Saphir-Indentern gepaart wurden. Zusätzlich wurde der Einfluss der Normallast auf den Haftreibungskoeffizienten für Quarz und BK7-Glas gegen Diamant studiert. Es zeigte sich, dass der Beginn der plastischen Deformation zu signifikanten Änderungen der Haftreibung führt.

The cutting of foods is characterized by deformation, fracture and friction processes, and the viscoelastic properties of the cutting materials determine their rate-dependent cutting behavior. This is responsible for uncontrolled fracture and deformation events with increasing cutting velocity. There is a significant information deficit regarding the assignment of material properties and cutting parameters, as well as regarding a process description for industrial high-speed cutting. The aim of the work is the analysis of the velocity-dependent cutting behavior of foods up to the high-speed range. The focus is on the deformation and fracture phenomena, analysed by methods of classical material analysis but also associated cutting experiments performed in the range from low to high cutting velocities. For high-speed analyses, a test station enabling cutting velocities of up to 10 m/s was designed. To identify relevant material and cutting parameters and to establish a systematic experimental program, elastomer-based model systems with controllable viscoelastic profiles were developed. The results of the respective investigations were further verified for foods. The velocity-dependent deformation behavior during cutting could be described by dynamic-mechanical material analyses in the frequency range. Cutting force slopes at the beginning of the cutting process correlated with the complex moduli and were furthermore dependent on the cutting velocity; this dependency corresponded to the frequency behavior from material analysis. The fracture properties could be attributed to ductile (polymeric systems) or brittle behavior (cellular plant systems). Confectionary products had a strong temperature- and time-dependent behavior with ductile-brittle transition within the experimental conditions. The results obtained demonstrate that there is a significant relationship between viscoelasticity and velocity-dependent cutting behavior. They allow a phenomenological process description of high-speed cutting and can be used as a basis for the balancing of cutting forces and as input parameters for numerical analyses of the cutting process. / Das Schneiden von Lebensmitteln ist geprägt durch Deformations-, Bruch- und Reibvorgänge. Dabei bestimmen die viskoelastischen Eigenschaften der Schneidgüter deren geschwindigkeitsabhängiges Schneidverhalten. Dies führt mit zunehmender Schneidgeschwindigkeit zu unkontrollierten Bruch- und Deformationsereignissen. Dabei besteht ein Informationsdefizit bei der konkreten Zuweisung von Materialeigenschaften und Schneidparametern sowie einer Verfahrensbeschreibung für das industrielle Hochgeschwindigkeitsschneiden. Ziel der Arbeit ist die Analyse des geschwindigkeitsabhängigen Schneidverhaltens von Lebensmitteln bis in den Hochgeschwindigkeitsbereich. Der Fokus richtet sich auf die Untersuchung der Teilphänomene Deformation und Bruch durch Methoden der klassischen Materialanalyse sowie zugeordnete Schneidexperimente im Bereich von niedrigen bis hohen Schneidgeschwindigkeiten. Für entsprechende Hochgeschwindigkeitsanalysen wurde ein Versuchsstand mit Schneidgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/s konzipiert. Zur Identifikation relevanter Material- und Schneidparameter und zur Aufstellung des systematischen Versuchsprogramms wurden Modellsysteme auf Elastomerbasis mit steuerbarem viskoelastischen Profil entwickelt. Die Ergebnisse wurden für Lebensmittel verifiziert. Das geschwindigkeitsabhängige Deformationsverhalten beim Schneiden konnte durch dynamisch-mechanische Materialanalysen im Frequenzbereich beschrieben werden. Dabei korrelierten Kraftanstiege zu Beginn des Schneidvorganges mit den Komplexmoduln. Die Anstiege zeigten eine Abhängigkeit von der Geschwindigkeit; diese entsprach dem Frequenzverhalten aus der Materialanalyse. Die Brucheigenschaften konnten produktspezifisch duktilem (polymere Systeme) oder sprödem Verhalten (zelluläre, pflanzliche Systeme) zugeordnet werden. Zuckerwaren zeigten ein stark temperatur - und zeitabhängiges Verhalten mit duktil-sprödem Übergang innerhalb der Versuchsbedingungen. Die gewonnenen Erkenntnisse demonstrieren den Zusammenhang von Viskoelastizität und geschwindigkeitsabhängigem Schneidverhalten. Sie erlauben eine phänomen ologische Verfahrensbeschreibung des Hochgeschwindigkeitsschneidens und können als Basis für die Bilanzierung von Schneidkräften und als Eingangsparameter für numerische Analysen des Schneidvorganges dienen.

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[EN] Small dwelling and urban form. German modern city bases. Small dwelling and urban form are the main concepts in which this research is based. The intention is to determine the characteristics of the German city where the modern architecture of Neues Bauen is developed. The small dwelling, as a new type lacking in an immediate historical precedent, arises from the need to house a new class of the industrial proletariat. The urban form as a different configuration which the city acquires. This is a result of the transformations that its growth demands in order to adapt to a new social reality. In Germany, as in the rest of Europe, the origin of the small dwelling came from the need to improve the living conditions of the worker. A reaction that was produced mainly from philanthropy but also as a guarantee in keeping some established social conditions. The movement for housing reform, set out by private initiatives, effectively solves new forms for a small, hygienic and functional dwelling that was accessible to a part of the working masses, establishing solid and functional criteria that would be maintained as the principles of a typology in the configuration of the modern dwelling at the beginning of the 20th century. The great German city, represented mainly by Berlin in this research, outlines its expansion through an imported urban idea that has, as its main interest, the monumental expression of the urban space. With a system originated in the interior reform processes of the French city, it outlines the exterior expansion of the German city as a continued imposing construction, in which the small dwelling only constitutes a dense internal filling. This "petrous sea", as Muthesius defines a city that extends concentrated to its limits, would be seen as incompatible with the small dwelling that was needed. Once this inconsistency was recognized and with a new scientific approach to the construction of the city, a transformation process was begun towards a new urban model that took into consideration the need for a small and healthy dwelling and returns to the citizen the contact with nature, a sense that is a deeply ingrained in German people. From the ideas and actions of the leading figures in this process, gathered in original documents, the research advances in the recognition of the typical and essential characteristics of a German city, that, at the start of the third decade of the 20th century, bases its modern quality in common criteria relative to the separation of urban functions, the insertion of green in the city and the value of public space. On this modern German city of first post-war Europe, the specific solution of the architecture of Neues Bauen will be built. / [ES] Vivienda pequeña y forma urbana. Fundamentos de la ciudad moderna alemana. Vivienda pequeña y forma urbana son los conceptos sobre los que se fundamenta esta investigación que quiere determinar las características de la ciudad alemana en la que se desarrolla la arquitectura moderna del Neues Bauen. La vivienda pequeña como un nuevo tipo carente de un antecedente histórico inmediato, que surge de la necesidad de alojar a la nueva clase del proletariado industrial. La forma urbana como la distinta configuración que adquiere la ciudad, consecuencia de las transformaciones que exige su crecimiento para adecuarse a una nueva realidad social. En Alemania, como en el resto de los países de Europa, la vivienda pequeña tiene su origen al reconocerse la necesidad de mejora de las condiciones de vida del trabajador. Una reacción que se produce desde la filantropía principalmente, pero también como garantía del mantenimiento de unas condiciones sociales establecidas. El movimiento para la reforma de la vivienda, planteado desde iniciativas particulares, resuelve de manera eficaz nuevas formas para una vivienda pequeña, higiénica, funcional y accesible a una parte de esta masa obrera, estableciendo sólidos criterios funcionales que se mantienen como principios de una tipología en la configuración de la vivienda moderna en los comienzos del siglo XX. La gran ciudad alemana, representada en esta investigación por Berlín principalmente, plantea su expansión sobre una idea urbana importada, que tiene en la expresión monumental del espacio urbano su mayor interés. Con un sistema originado en los procesos de reforma interior de la ciudad francesa, se traza la ampliación exterior de la ciudad alemana como un continuo edificado imponente, en el que la vivienda pequeña sólo constituye un relleno interior denso. Este "mar pétreo", como define Muthesius a una ciudad que se extiende concentrada hasta su límite, se mostrará incompatible con la vivienda pequeña que se necesita. Desde el reconocimiento de esta incoherencia y con una nueva aproximación científica a la construcción de la ciudad, se inicia el proceso de transformación hacia un nuevo modelo urbano que considere la necesidad de la vivienda pequeña saludable y retorne al ciudadano el contacto con la naturaleza, un sentimiento vernáculo de gran arraigo en el pueblo alemán. A partir del estudio de las ideas y actuaciones de los protagonistas de este proceso, recogidas en documentos originales, la investigación avanza en el reconocimiento de las características propias y fundamentales de una ciudad alemana que, en el comienzo de la tercera década del siglo XX, basa su cualidad de moderna en criterios comunes relativos a la separación de las funciones urbanas, la inserción del verde en la ciudad y el valor del espacio público. Sobre esta ciudad moderna alemana de la primera posguerra europea se construirá la específica solución de la arquitectura del Neues Bauen. / [CAT] Habitatge petit i forma urbana. Fonaments de la ciutat moderna alemanya. Habitatge petit i forma urbana són els conceptes sobre els quals es fonamenta aquest treball de recerca, que vol determinar les característiques de la ciutat alemanya en la qual es desenvolupa l'arquitectura moderna del Neues Bauen. L'habitatge petit com un nou tipus mancat d'un antecedent històric immediat, que sorgeix de la necessitat d'allotjar la nova classe del proletariat industrial. La forma urbana com la diferent configuració que adquireix la ciutat, conseqüència de les transformacions que exigeix el creixement d'aquesta per a adequar-se a una nova realitat social. A Alemanya, com a la resta dels països d'Europa, l'habitatge petit té l'origen en el reconeixement de la necessitat de millora de les condicions de vida dels treballadors. Una reacció que es produeix principalment des de la filantropia, però també com a garantia del manteniment d'unes condicions socials establides. El moviment per a la reforma de l'habitatge, plantejat des d'iniciatives particulars, resol de manera eficaç noves formes per a un habitatge petit, higiènic, funcional i accessible a una part d'aquesta massa obrera, i estableix uns criteris funcionals sòlids que es mantenen com a principis d'una tipologia en la configuració de l'habitatge modern en els inicis del segle xx. La gran ciutat alemanya, representada en aquest treball per Berlín principalment, es planteja l'expansió sobre una idea urbana importada que té el major interès en l'expressió monumental de l'espai urbà. Amb un sistema originat en els processos de reforma interior de la ciutat francesa, l'ampliació exterior de la ciutat alemanya es traça com un contínuum edificat imposant, en el qual l'habitatge petit només constitueix un farciment interior dens. Aquesta "mar pètria", com Muthesius defineix una ciutat que s'estén concentrada fins al límit, es mostrarà incompatible amb l'habitatge petit que es necessita. Des del reconeixement d'aquesta incoherència i amb una nova aproximació científica a la construcció de la ciutat, s'inicia el procés de transformació cap a un nou model urbà que considere la necessitat de l'habitatge petit saludable i retorne al ciutadà el contacte amb la natura, un sentiment vernacle de gran arrelament en el poble alemany. A partir de l'estudi de les idees i actuacions dels protagonistes d'aquest procés, recollides en documents originals, la recerca avança en el reconeixement de les característiques pròpies i fonamentals d'una ciutat alemanya que, al començament de la tercera dècada del segle xx, basa la seua qualitat de moderna en criteris comuns relatius a la separació de les funcions urbanes, la inserció del verd a la ciutat i el valor de l'espai públic. Sobre aquesta ciutat moderna alemanya de la primera postguerra europea es construirà la solució específica de l'arquitectura del Neues Bauen. / Bosch Abarca, J. (2016). Vivienda pequeña y forma urbana. Fundamentos de la ciudad moderna alemana [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61453 / TESIS

The presented work documents the influence of Voronoi block size and shape as well as internal mesh size on the calibrated fracture toughness KIC. It is documented that Voronoi based procedures have an inevitable error of up to ± 30%. On the other hand, this approach is able to reproduce complex fracture pattern in a realistic manner with reasonable computational power. The work propose a KIC calibration procedure and documents based on the comparison with lab tests, that crack propagation, fracture pattern as well as stress-strain behavior of brittle solids can be duplicated by calibrated Voronoi based DEM simulations. The thesis also documents a swelling law for the DEM code UDEC including parameter determination and validation on lab tests with swelling cement. Finally, calibrated concrete models with one or two holes under different boundary conditions are used to predict swelling induced cracking. Numerical predictions were compared with corresponding lab tests and showed satisfying results.

The phase-field formulation for fracture based on the framework of representative crack elements is extended to transient thermo-mechanics. The finite element formulation is derived starting from the variational principle of total virtual power. The intention of this manuscript is to demonstrate the potential of the framework for multi-physical fracture models and complex processes inside the crack. The present model at hand allows to predict realistic deformation kinematics and heat fluxes at cracks. At the application of fully coupled, transient thermo-elasticity to a pre-cracked plate, the opened crack yields thermal isolation between both parts of the plate. Inhomogeneous thermal strains result in a curved crack surface, inhomogeneous recontact and finally heat flow through the crack regions in contact. The novel phase-field framework further allows to study processes inside the crack, which is demonstrated by heat radiation between opened crack surfaces. Finally, numerically calculated crack paths at a disc subjected to thermal shock load are compared to experimental results from literature and a curved crack in a three-dimensional application are presented.

Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Simulation von Betonstrukturen beliebiger Geometrie unter überwiegender Zugbelastung. Die Modellierung erfolgt auf Makroebene als Kontinuum und zur Lösung des mechanischen Feldproblems wird die Finite-Elemente-Methode verwendet. Ein neues Materialmodell für Beton und eine Erweiterung der Bruchenergetischen Regularisierung werden vorgestellt. Die Arbeit ist in zwei Teile gegliedert. Im ersten Teil wird ein lokales, anisotropes Schädigungsmodell abgeleitet, wobei als Schädigungsvariable ein symmetrischer Tensor zweiter Stufe gewählt wird. Die Verwendung einer Normalenregel im Raum der dissipativen Kräfte zur Bestimmung der Schädigungsevolution und die Definition der Schädigungsgrenzflächen im Raum der dissipativen Kräfte gewährleisten die Gültigkeit der Hauptsätze der Thermodynamik und des Prinzips der maximalen Dissipationsrate. Vorteilhaft ist die Symmetrie der Materialtangente, die sich aus diesem Vorgehen ergibt. Eine Formulierung mit drei entkoppelten Schädigungsgrenzflächen wird vorgeschlagen. Eine wichtige Forderung bei der Ableitung des Materialmodells war die Verwendung einer möglichst geringen Anzahl von Materialparametern, welche darüber hinaus aus wenigen Standardversuchen bestimmbar sein sollten. Das Schädigungsmodell enthält als Materialparameter den Elastizitätsmodul, die Querdehnzahl, die Zugfestigkeit und die auf eine Einheitsfläche bezogene Bruchenergie. Im zweiten Teil der Arbeit stehen Lokalisierung und Regularisierung im Fokus der Betrachtungen. Aufgrund der lokalen Formulierung des Materialmodells tritt bei Finite-Elemente Simulationen eine Netzabhängigkeit der Simulationsergebnisse auf. Um dieser Problematik zu begegnen und netzunabhängige Simulationen zu erreichen, werden Regularisierungstechniken angewendet. In dieser Arbeit wird die Bruchenergetische Regularisierung eingesetzt, die durch die Einführung einer äquivalenten Breite in ein lokal formuliertes Stoffgesetz gekennzeichnet ist. Die spezielle Wahl eines Wertes für die äquivalente Breite beruht auf der Forderung, dass in der Simulation die korrekte Bruchenergie je Einheitsfläche für den Bruchprozess verbraucht wird, d.h. die Energiedissipation der Realität entspricht. In vorliegender Arbeit wird die neue These aufgestellt, dass die Energiedissipation nur für den Fall korrekt abgebildet wird, wenn die im Stoffgesetz enthaltene äquivalente Breite in jedem Belastungsinkrement der Breite des Bereiches entspricht, in dem in der Simulation Energie dissipiert wird. In einer Simulation wird in den Bereichen Energie dissipiert, in denen die Schädigung im aktuellen Belastungsinkrement zunimmt. In vorliegender Arbeit werden die energiedissipierenden Bereiche daher als Pfad der Schädigungsrate bezeichnet. Um Erkenntnisse über die Entwicklung des Pfades der Schädigungsrate über den Belastungsverlauf zu erhalten, wurden umfangreiche Untersuchungen anhand von Simulationen eines beidseitig gekerbten Betonprobekörpers unter kombinierter Zug-Schubbeanspruchung durchgeführt, wobei die gewählten Werte für die äquivalente Breite variiert wurden. Es wurde stets eine Diskretisierung mit linearen Verschiebungselementen verwendet, wobei die Bereiche mit zu erwartender Schädigung feiner und regelmäßig mit Elementen quadratischer Geometrie diskretisiert wurden. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass die Breite des Pfades der Schädigungsrate abhängig ist von der Schädigung am betrachteten Materialpunkt, dem von Schädigungsrichtung und Elementkante eingeschlossenen Winkel, der Elementgröße und den Materialparametern. Um die geforderte Übereinstimmung von äquivalenter Breite und der Breite des Pfades der Schädigungsrate zu erreichen, werden neue Ansätze für die äquivalente Breite vorgeschlagen, die die erwähnten Einflüsse berücksichtigen. Simulationen unter Verwendung der neuen Ansätze für die äquivalente Breite führen zu einer guten Übereinstimmung von äquivalenter Breite und der Breite des Pfades der Schädigungsrate in der Simulation. Die Ergebnisse der Simulationen, wie z.B. Last-Verformungsbeziehung und Rissverläufe, sind netzunabhängig und stimmen gut mit den experimentellen Beobachtungen überein. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird eine Erweiterung der Bruchenergetischen Regularisierung vorgeschlagen: die Adaptive Bruchenergetische Regularisierung. Im abschließenden Kapitel der Arbeit werden mit der vorgeschlagenen Theorie, dem neuen Schädigungsmodell und der Adaptiven Bruchenergetischen Regularisierung, noch zwei in der Literatur gut dokumentierte Versuche simuliert. Die Simulationsergebnisse entsprechen den experimentellen Beobachtungen. / This doctoral thesis deals with the simulation of predominantly tensile loaded plain concrete structures. Concrete is modeled on the macro level and the Finite Element Method is applied to solve the resulting mechanical field problem. A new material model for concrete based on continuum damage mechanics and an extended regularization technique based on the fracture energy approach are presented. The thesis is subdivided into two parts. In the first part, a local, anisotropic damage model for concrete is derived. This model uses a symmetric second-order tensor as the damage variable, which enables the simulation of orthotropic degradation. The validity of the first and the second law of thermodynamics as well as the validity of the principle of maximum dissipation rate are required. Using a normal rule in the space of the dissipative forces, which are the thermodynamically conjugated variables to the damage variables, and the definition of the loading functions in the space of the dissipative forces guarantee their validity. The suggested formulation contains three decoupled loading functions. A further requirement in the derivation of the model was the minimization of the number of material parameters, which should be determined by a small number of standard experiments. The material parameters of the new damage model are the Young’s modulus, the Poisson’s ratio, the tensile strength and the fracture energy per unit area. The second part of the work focuses on localization and regularization. If a Finite Element simulation is performed using a local material model for concrete, the results of the Finite Element simulation are mesh-dependent. To attain mesh-independent simulations, a regularization technique must be applied. The fracture energy approach, which is characterized by introducing a characteristic length in a locally formulated material model, is used as regularization technique in this work. The choice of a value for the characteristic length is founded by the requirement, that the fracture energy per unit area, which is consumed for the fracture process in the simulation, must be the same as in experiment, i.e. the energy dissipation must be correct. In this dissertation, the new idea is suggested that the correct energy dissipation can be only attained if the characteristic length in the material model coincides in every loading increment with the width of the energy-dissipating zone in the simulation. The energy-dissipating zone in a simulation is formed by the integration points with increasing damage and obtains the name: damage rate path. Detailed investigations based on simulations of a double-edge notched specimen under mixed-mode loading are performed with varying characteristic lengths in order to obtain information concerning the evolution of the damage rate path during a simulation. All simulations were performed using displacement-based elements with four nodes. The range with expected damage was always finer and regularly discretized. The results of the simulations show that the width of the damage rate path depends on the damage at the specific material point, on the angle between damage direction and element edges, on the element size and on the material parameters. Based on these observations, new approaches for the characteristic length are suggested in order to attain the coincidence of the characteristic length with the width of the damage rate path. Simulations by using the new approaches yield a sufficient coincidence of the characteristic length with the width of the damage rate path. The simulations are mesh-independent and the results of the simulation, like load-displacement curves or crack paths, correspond to the experimental results. Based on all new information concerning the regularization technique, an extension of the fracture energy approach is suggested: the adaptive fracture energy approach. The validity and applicability of the suggested theory, the new anisotropic damage model and the adaptive fracture energy approach, are verified in the final chapter of the work with simulations of two additional experiments, which are well documented in the literature. The results of the simulations correspond to the observations in the experiments.

Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Simulation von Betonstrukturen beliebiger Geometrie unter überwiegender Zugbelastung. Die Modellierung erfolgt auf Makroebene als Kontinuum und zur Lösung des mechanischen Feldproblems wird die Finite-Elemente-Methode verwendet. Ein neues Materialmodell für Beton und eine Erweiterung der Bruchenergetischen Regularisierung werden vorgestellt. Die Arbeit ist in zwei Teile gegliedert. Im ersten Teil wird ein lokales, anisotropes Schädigungsmodell abgeleitet, wobei als Schädigungsvariable ein symmetrischer Tensor zweiter Stufe gewählt wird. Die Verwendung einer Normalenregel im Raum der dissipativen Kräfte zur Bestimmung der Schädigungsevolution und die Definition der Schädigungsgrenzflächen im Raum der dissipativen Kräfte gewährleisten die Gültigkeit der Hauptsätze der Thermodynamik und des Prinzips der maximalen Dissipationsrate. Vorteilhaft ist die Symmetrie der Materialtangente, die sich aus diesem Vorgehen ergibt. Eine Formulierung mit drei entkoppelten Schädigungsgrenzflächen wird vorgeschlagen. Eine wichtige Forderung bei der Ableitung des Materialmodells war die Verwendung einer möglichst geringen Anzahl von Materialparametern, welche darüber hinaus aus wenigen Standardversuchen bestimmbar sein sollten. Das Schädigungsmodell enthält als Materialparameter den Elastizitätsmodul, die Querdehnzahl, die Zugfestigkeit und die auf eine Einheitsfläche bezogene Bruchenergie. Im zweiten Teil der Arbeit stehen Lokalisierung und Regularisierung im Fokus der Betrachtungen. Aufgrund der lokalen Formulierung des Materialmodells tritt bei Finite-Elemente Simulationen eine Netzabhängigkeit der Simulationsergebnisse auf. Um dieser Problematik zu begegnen und netzunabhängige Simulationen zu erreichen, werden Regularisierungstechniken angewendet. In dieser Arbeit wird die Bruchenergetische Regularisierung eingesetzt, die durch die Einführung einer äquivalenten Breite in ein lokal formuliertes Stoffgesetz gekennzeichnet ist. Die spezielle Wahl eines Wertes für die äquivalente Breite beruht auf der Forderung, dass in der Simulation die korrekte Bruchenergie je Einheitsfläche für den Bruchprozess verbraucht wird, d.h. die Energiedissipation der Realität entspricht. In vorliegender Arbeit wird die neue These aufgestellt, dass die Energiedissipation nur für den Fall korrekt abgebildet wird, wenn die im Stoffgesetz enthaltene äquivalente Breite in jedem Belastungsinkrement der Breite des Bereiches entspricht, in dem in der Simulation Energie dissipiert wird. In einer Simulation wird in den Bereichen Energie dissipiert, in denen die Schädigung im aktuellen Belastungsinkrement zunimmt. In vorliegender Arbeit werden die energiedissipierenden Bereiche daher als Pfad der Schädigungsrate bezeichnet. Um Erkenntnisse über die Entwicklung des Pfades der Schädigungsrate über den Belastungsverlauf zu erhalten, wurden umfangreiche Untersuchungen anhand von Simulationen eines beidseitig gekerbten Betonprobekörpers unter kombinierter Zug-Schubbeanspruchung durchgeführt, wobei die gewählten Werte für die äquivalente Breite variiert wurden. Es wurde stets eine Diskretisierung mit linearen Verschiebungselementen verwendet, wobei die Bereiche mit zu erwartender Schädigung feiner und regelmäßig mit Elementen quadratischer Geometrie diskretisiert wurden. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass die Breite des Pfades der Schädigungsrate abhängig ist von der Schädigung am betrachteten Materialpunkt, dem von Schädigungsrichtung und Elementkante eingeschlossenen Winkel, der Elementgröße und den Materialparametern. Um die geforderte Übereinstimmung von äquivalenter Breite und der Breite des Pfades der Schädigungsrate zu erreichen, werden neue Ansätze für die äquivalente Breite vorgeschlagen, die die erwähnten Einflüsse berücksichtigen. Simulationen unter Verwendung der neuen Ansätze für die äquivalente Breite führen zu einer guten Übereinstimmung von äquivalenter Breite und der Breite des Pfades der Schädigungsrate in der Simulation. Die Ergebnisse der Simulationen, wie z.B. Last-Verformungsbeziehung und Rissverläufe, sind netzunabhängig und stimmen gut mit den experimentellen Beobachtungen überein. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird eine Erweiterung der Bruchenergetischen Regularisierung vorgeschlagen: die Adaptive Bruchenergetische Regularisierung. Im abschließenden Kapitel der Arbeit werden mit der vorgeschlagenen Theorie, dem neuen Schädigungsmodell und der Adaptiven Bruchenergetischen Regularisierung, noch zwei in der Literatur gut dokumentierte Versuche simuliert. Die Simulationsergebnisse entsprechen den experimentellen Beobachtungen. / This doctoral thesis deals with the simulation of predominantly tensile loaded plain concrete structures. Concrete is modeled on the macro level and the Finite Element Method is applied to solve the resulting mechanical field problem. A new material model for concrete based on continuum damage mechanics and an extended regularization technique based on the fracture energy approach are presented. The thesis is subdivided into two parts. In the first part, a local, anisotropic damage model for concrete is derived. This model uses a symmetric second-order tensor as the damage variable, which enables the simulation of orthotropic degradation. The validity of the first and the second law of thermodynamics as well as the validity of the principle of maximum dissipation rate are required. Using a normal rule in the space of the dissipative forces, which are the thermodynamically conjugated variables to the damage variables, and the definition of the loading functions in the space of the dissipative forces guarantee their validity. The suggested formulation contains three decoupled loading functions. A further requirement in the derivation of the model was the minimization of the number of material parameters, which should be determined by a small number of standard experiments. The material parameters of the new damage model are the Young’s modulus, the Poisson’s ratio, the tensile strength and the fracture energy per unit area. The second part of the work focuses on localization and regularization. If a Finite Element simulation is performed using a local material model for concrete, the results of the Finite Element simulation are mesh-dependent. To attain mesh-independent simulations, a regularization technique must be applied. The fracture energy approach, which is characterized by introducing a characteristic length in a locally formulated material model, is used as regularization technique in this work. The choice of a value for the characteristic length is founded by the requirement, that the fracture energy per unit area, which is consumed for the fracture process in the simulation, must be the same as in experiment, i.e. the energy dissipation must be correct. In this dissertation, the new idea is suggested that the correct energy dissipation can be only attained if the characteristic length in the material model coincides in every loading increment with the width of the energy-dissipating zone in the simulation. The energy-dissipating zone in a simulation is formed by the integration points with increasing damage and obtains the name: damage rate path. Detailed investigations based on simulations of a double-edge notched specimen under mixed-mode loading are performed with varying characteristic lengths in order to obtain information concerning the evolution of the damage rate path during a simulation. All simulations were performed using displacement-based elements with four nodes. The range with expected damage was always finer and regularly discretized. The results of the simulations show that the width of the damage rate path depends on the damage at the specific material point, on the angle between damage direction and element edges, on the element size and on the material parameters. Based on these observations, new approaches for the characteristic length are suggested in order to attain the coincidence of the characteristic length with the width of the damage rate path. Simulations by using the new approaches yield a sufficient coincidence of the characteristic length with the width of the damage rate path. The simulations are mesh-independent and the results of the simulation, like load-displacement curves or crack paths, correspond to the experimental results. Based on all new information concerning the regularization technique, an extension of the fracture energy approach is suggested: the adaptive fracture energy approach. The validity and applicability of the suggested theory, the new anisotropic damage model and the adaptive fracture energy approach, are verified in the final chapter of the work with simulations of two additional experiments, which are well documented in the literature. The results of the simulations correspond to the observations in the experiments.