Das Klimaziel, die Erwärmung der Erdatmosphäre bis 2100 auf 2°C zu begrenzen, erfordert bis 2050 eine weltweite Energieversorgung ohne Kohlendioxidausstoß. Mit anderen Maßnahmen ist die erforderliche Verminderung nicht zu erreichen, da bestimmte industrielle Prozesse und Verkehrsvorgänge in absehbarer Zeit kaum ohne Ausstoß von CO2 gefahren werden können. Nach dem UN-Klimarat muss die Trendwende in den nächsten zehn Jahren erfolgen, um in den Reduktionspfad einschwenken zu können. Wir verstehen Klimaschutz als gemeinsame globale Aufgabe, an der sich die Länder Brandenburg, Sachsen-Anhalt und Sachsen vorbildlich beteiligen müssen. Klimaziele ernst nehmen, heißt anzuerkennen, dass Industriestaaten wie Deutschland ihre Emissionen bis zur Jahrhundertmitte um 90 Prozent reduzieren müssen. Der Atomausstieg darf deshalb nicht zur Renaissance der Braunkohle führen, da eine klimaverträgliche und generationengerechte Energieversorgung nur ohne Braunkohleverstromung möglich ist. Entgegen der Behauptungen der Landesregierungen von Brandenburg, Sachsen-Anhalt und Sachsen ist sie als Brückentechnologie ungeeignet, weil sie die durch den Umbau der Energieversorgung schrittweise zu erreichenden Klimaziele sofort wieder zunichte machen würde. Selbst die wenig ambitionierten und teilweise schon wieder in Frage gestellten Klimaziele für 2020 der Regierungen in Brandenburg (Reduktion der energiebedingten Emissionen um 5,6 Mio. Tonnen gegenüber 2006)1, Sachsen-Anhalt (Reduktion der Treibhausgasemissionen um 6,9 Mio. Tonnen gegenüber 2005)2 und Sachsen (Reduktion der energiebedingten Emissionen im Emissionshandelsbereich um 6,9 Mio. Tonnen gegenüber 2005)3 lassen sich nur mit der Abschaltung von Braunkohlekraftwerken erreichen. Neue Kraftwerke würden alle Klimaschutzbemühungen konterkarieren.:Einführung.................................................................................................................3 1. Braunkohleausstieg bis 2030................................................................................5 1.1 Braunkohle beschleunigt den Klimawandel........................................................5 1.2 CCS ist keine Lösung..........................................................................................6 1.3 Braunkohleverstromung ist teuer für die Gesellschaft........................................8 1.4 Braunkohle wird zunehmend unwirtschaftlich.....................................................9 1.5. Braunkohleabbau vernichtet Dörfer und vertreibt Menschen...........................10 1.6. Die bestehenden Tagebaue reichen bis zum Ende des Kohlezeitalters aus. .11 1.7 Arbeitsplätze in der Braunkohle .......................................................................13 2. Erneuerbaren Energien gehört die Zukunft.............................................14 2.1 Das Märchen von der Grundlast.......................................................................14 2.2 Die Erneuerbaren können den kompletten Strombedarf decken......................14 2.3 Erdgas als Übergangstechnik auf dem Weg zu 100% Erneuerbare Energien 16 2.4 Chancen für den Arbeitsmarkt und die Wirtschaft.............................................18 2.5 Ausblick.............................................................................................................18

Für Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen und großen Drehmomentanforderungen wie z. B. Windenergiegeneratoren, Aufzugs-, Lüfter- und Radnabenmotoren werden häufig elektrische Direktantriebe in Außenläuferbauweise eingesetzt. Im Vergleich zur Innenläuferausführung ist die Abführung der Statorverluste aufgrund der schlechteren Konvektionsbedingungen im Luftspalt und an den Wicklungsköpfen sowie des geringen Wärmedurchganges in den Lagern erschwert. Die Anbindung des Stators an eine große Konvektionsoberfläche fehlt. Im Hinblick auf die maximal zulässige Wicklungstemperatur ist eine Einschränkung der elektromagnetischen Ausnutzung notwendig und bei Luftkühlung liegen erreichbare Ausnutzungsziffern meist im Bereich C < 2 kVA·min/m^3. Eine Alternative bietet die Methode der Statorrohrinnenkühlung, wobei ca. 80 % der Statorverluste über ein im innenliegenden Bauraum des Stators integriertes Kühlsystem abgeführt werden. Im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise sind durch die intensivierte Luftkühlung Ausnutzungsziffern C > 3 kVA·min/m^3 realisierbar. Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Ableitung von Auslegungskriterien für Außenläufermaschinen mit einer intensivierten Statorrohrinnenkühlung, wobei als Anwendungsbeispiel ein Kleinwindenergiegenerator, der eine geöffnete Rotornabe besitzt und durch die natürliche Windströmung gekühlt wird, dient. Aus der hochpoligen Ausführung der permanentmagneterregten Synchronmaschine ergeben sich geringere magnetische Flüsse pro Pol und der innere Bauraum kann aufgrund der geringeren Rückenhöhe zur Kühlung genutzt werden. Für die Festlegung der Abmessungen des Aktiv- und des Kühlsystemvolumens der Maschine ist eine gekoppelte Erwärmungsberechnung erforderlich. Diesbezüglich wird die Erstellung eines elektromagnetisch-strömungsmechanisch-thermisch gekoppelten Berechnungsmodells, das auf analytischen Ersatznetzwerken basiert und durch die Daten numerischer Teilmodelle gestützt wird, vorgestellt. Dabei sind die Schwerpunkte die Berechnungen des Arbeitspunktes des magnetischen Kreises, der Belastungskennlinien des Generators im Inselbetrieb, der lokalen Verlustverteilung, des Kühlluftvolumenstromes im Arbeitspunkt des Kühlsystems und der stationären Erwärmung der Maschine. Die Berechnung der Kühlsystemerwärmung erfolgt mit einem Subwärmequellennetz, wodurch der lokale konvektive Wärmeübergang und die Wärmeleitung im Kühlkörper berücksichtigt werden. Weitere Schwerpunkte der thermischen Modellierung sind u. a. die Berechnung der Wärmeübergänge im Luftspalt und in den Wicklungskopfbereichen, die Bestimmung der spezifischen Ersatzwärmeleitfähigkeiten der orthotropen Wärmeleitgebiete der Wicklung und des Elektroblechpaketes sowie die Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten. Experimentelle Untersuchungen in Form von Maschinenprüfungen an einem Prototyp des Kleinwindenergiegenerators sowie Windkanalmessungen an einem Strömungsmodell dienen der Verifikation der Berechnungen. Ausgehend von den Ergebnissen durchgeführter Parameterstudien zur Magnetkreis- und Wicklungsausführung in Kombination mit der Kühlsystemauslegung werden Schlussfolgerungen für die Projektierung der Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung zusammengefasst.:Kurzfassung Abstract Nomenklatur Verzeichnis der Formelzeichen und Indizes Abkürzungsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Motivation 1.2 Aufgaben- und Zielstellung 1.3 Einordnung in der Fachliteratur 1.4 Struktur der Dissertation 2 Elektromagnetische und thermische Modellierung 2.1 Kopplung der physikalischen Modellebenen 2.2 Elektromagnetisches Modell und Betriebsverhalten 2.2.1 Experimentelle Prototypuntersuchung 2.2.2 Analytisches elektromagnetisches Modell 2.2.3 Ersatzschaltbildparameter, Zeigerbild und Belastungskennlinie 2.2.4 Numerisches elektromagnetisches Modell 2.3 Komponenten des Verlustmodells 2.3.1 Unterteilung der Verlustanteile 2.3.2 Verluste im Leerlaufbetrieb des Generators 2.3.3 Verluste im Belastungsbetrieb des Generators 2.4 Verifikation der Berechnungsergebnisse 2.5 Elektromagnetische Ausnutzung und Erwärmungsmodell 2.5.1 Analyse der elektromagnetischen Ausnutzung von Außenläufermaschinen 2.5.2 Stand der Technik in Bezug auf die Kühlung von Außenläufermaschinen 2.5.3 Erwärmungsmodell von Außenläufermaschinen mit Statorrohrinnenkühlung 2.5.4 Schlussfolgerungen für die Steigerung der elektromagnetischen Ausnutzung 3 Mechanismen des Wärmetransportes 3.1 Wärmeleitung 3.2 Wärmeübergang durch Konvektion 3.2.1 Beschreibung des konvektiven Wärmeüberganges 3.2.2 Stoffeigenschaften und Ähnlichkeitskennzahlen 3.2.3 Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3.2.4 Turbulenzmodellierung 3.2.5 Wärmeübertragungsmodellierung 3.2.6 Wandeffekte und Berechnung der Grenzschicht 3.3 Wärmeübergang durch Strahlung 4 Wärmeübergang im Luftspalt 4.1 Analyse der Fachliteratur 4.1.1 Unterscheidung der Strömungsform 4.1.2 Untersuchung des Wärmeüberganges 4.2 Modellierung des glatten Luftspaltes 4.2.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.2.2 Ergebnisauswertung und Ableitung empirischer Beziehungen 4.3 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen oder Pollücken 4.3.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.3.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen und Pollücken 4.4.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.4.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4.3 Berechnung für ausgewählte Anwendungen 4.5 Schlussfolgerungen für die analytische Berechnung 5 Statorrohrinnenkühlung von Außenläufermaschinen 5.1 Beschreibung der Kühlsystemkonfigurationen 5.2 Strömungsmechanisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.2.1 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes im Gesamtmodell 5.2.2 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes aus aktivem und passivem Modell 5.2.3 Experimentelle Untersuchung des strömungsmechanischen Verhaltens 5.2.4 Abhängigkeiten des Kühlluftvolumenstromes 5.3 Gekoppeltes thermisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.3.1 Berechnung des Wärmeüberganges bei Rohrströmung 5.3.2 Berechnung der Kühlsystemerwärmung 5.3.3 Experimentelle Untersuchung des thermischen Verhaltens 5.3.4 Abhängigkeiten des Erwärmungsverhaltens 5.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung des Kühlsystems 6 Erwärmungsberechnung und Auslegungskriterien statorrohrgekühlter Außenläufermaschinen 6.1 Analytisches thermisches Modell 6.1.1 Wärmeübergänge an den Wicklungsköpfen und der Innenseite der Lagerschilde 6.1.2 Wärmeübergänge am Rotorjoch und der Außenseite der Lagerschilde 6.1.3 Orthotrope Wärmeleitung in der Wicklung 6.1.4 Orthotrope Wärmeleitung im Blechpaket 6.1.5 Wärmedurchgang in den Lagern 6.1.6 Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten 6.2 Gekoppelte Erwärmungsberechnung 6.2.1 Analytische Berechnung der Temperaturverteilung und der Wärmeströme 6.2.2 Numerische Berechnung der stationären Enderwärmung des Stators 6.3 Elektromagnetische und kühltechnische Optimierung des KWEGs 6.3.1 Analytische Variantenrechnung zur elektromagnetischen Optimierung 6.3.2 Analytische Variantenrechnung zur kühltechnischen Optimierung 6.3.3 Numerische Nachrechnung der Neuauslegung des KWEGs 6.3.4 Anwendung des KWEGs in einer Kleinwindenergieanlage im Inselbetrieb 6.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung einer Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung 7 Fazit und Ausblick 7.1 Zusammenfassung der wissenschaftlichen Ergebnisse 7.2 Ausblick auf weiterführende Entwicklungsarbeiten Anhang A Konvergenz- und Berechnungsgitteranalyse der numerischen Berechnungen am Beispiel des Luftspaltwärmeüberganges B Simulationsumfang des Luftspaltkonvektionswiderstandes von Außenläufern mit Nutschlitzen oder Pollücken C Experimentelle Prototypuntersuchung des KWEGs im Inselbetrieb bei Variation der Belastungsart D Auswahlkriterien zur Auslegung der Zweischicht-Zahnspulenwicklung E Schnittzeichnung des Kleinwindenergiegenerators Literaturverzeichnis / Electrical direct drives with outer rotor construction are often used for applications with low rotational speed and high torque requirements such as wind energy generators, elevators, fans and wheel hub motors. Compared to the internal rotor construction, it is more difficult to dissipate the stator losses due to the unfavorable convection conditions in the air gap and at the end windings and the low heat transfer in the bearings. The stator lacks contact to a large convection surface. The maximum permissible winding temperature necessitates reducing electromagnetic utilization, with air cooling the achievable utilization numbers are usually in the range C < 2 kVA∙min/m^3. An alternative method is stator tube inner cooling, whereby approx. 80 % of the stator losses are dissipated via a cooling system integrated in the internal volume of the stator. Compared to the conventional machine design, utilization numbers C > 3 kVA∙min/m^3 are feasible for the intensified air-cooling. This thesis aims to derive design criteria for outer rotor machines with intensified stator tube inner cooling. A small wind energy generator with an open rotor hub, cooled by the natural wind flow, serves as an application example. The high-pole design of the permanent magnet synchronous machine results in lower magnetic fluxes per pole, and the internal volume can be utilized for cooling due to the thinner back-iron. A coupled heating calculation is required to determine the dimensions of the active volume and the cooling system volume. The realization of an electromagnetic-fluid-mechanical-thermal coupled calculation model is presented. The model is based on analytical equivalent networks and is supported by the data of numerical sub-models. The key aspects are the calculations of the operating point of the magnetic circuit, the load characteristics of the generator in isolated operation mode, the local loss distribution, the cooling air volume flow in the operating point of the cooling system and the stationary heating of the machine. The cooling system heating is calculated with a sub-heat source network, whereby the local convective heat transfer and the heat conduction in the heat sink are considered. Additional key aspects of thermal modelling include calculating heat transfer in the air gap and in the end winding regions, determining the specific equivalent thermal conductivities of the orthotropic heat conduction areas of the winding and the laminated core and considering insulating layers, joint gaps and glue gaps. Experimental investigations in the form of machine testing on a prototype of the small wind turbine generator and wind tunnel measurements on a flow model verify the calculations. Based on the results of parameter studies on the magnetic circuit and winding design in combination with the cooling system configuration, conclusions for the design of the outer rotor machine with intensified stator tube inner cooling are summarized.:Kurzfassung Abstract Nomenklatur Verzeichnis der Formelzeichen und Indizes Abkürzungsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Motivation 1.2 Aufgaben- und Zielstellung 1.3 Einordnung in der Fachliteratur 1.4 Struktur der Dissertation 2 Elektromagnetische und thermische Modellierung 2.1 Kopplung der physikalischen Modellebenen 2.2 Elektromagnetisches Modell und Betriebsverhalten 2.2.1 Experimentelle Prototypuntersuchung 2.2.2 Analytisches elektromagnetisches Modell 2.2.3 Ersatzschaltbildparameter, Zeigerbild und Belastungskennlinie 2.2.4 Numerisches elektromagnetisches Modell 2.3 Komponenten des Verlustmodells 2.3.1 Unterteilung der Verlustanteile 2.3.2 Verluste im Leerlaufbetrieb des Generators 2.3.3 Verluste im Belastungsbetrieb des Generators 2.4 Verifikation der Berechnungsergebnisse 2.5 Elektromagnetische Ausnutzung und Erwärmungsmodell 2.5.1 Analyse der elektromagnetischen Ausnutzung von Außenläufermaschinen 2.5.2 Stand der Technik in Bezug auf die Kühlung von Außenläufermaschinen 2.5.3 Erwärmungsmodell von Außenläufermaschinen mit Statorrohrinnenkühlung 2.5.4 Schlussfolgerungen für die Steigerung der elektromagnetischen Ausnutzung 3 Mechanismen des Wärmetransportes 3.1 Wärmeleitung 3.2 Wärmeübergang durch Konvektion 3.2.1 Beschreibung des konvektiven Wärmeüberganges 3.2.2 Stoffeigenschaften und Ähnlichkeitskennzahlen 3.2.3 Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3.2.4 Turbulenzmodellierung 3.2.5 Wärmeübertragungsmodellierung 3.2.6 Wandeffekte und Berechnung der Grenzschicht 3.3 Wärmeübergang durch Strahlung 4 Wärmeübergang im Luftspalt 4.1 Analyse der Fachliteratur 4.1.1 Unterscheidung der Strömungsform 4.1.2 Untersuchung des Wärmeüberganges 4.2 Modellierung des glatten Luftspaltes 4.2.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.2.2 Ergebnisauswertung und Ableitung empirischer Beziehungen 4.3 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen oder Pollücken 4.3.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.3.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4 Modellierung des Luftspaltes mit Nutschlitzen und Pollücken 4.4.1 Modellerstellung und numerische Berechnung 4.4.2 Ergebnisauswertung und Ableitung eines Korrekturfaktors 4.4.3 Berechnung für ausgewählte Anwendungen 4.5 Schlussfolgerungen für die analytische Berechnung 5 Statorrohrinnenkühlung von Außenläufermaschinen 5.1 Beschreibung der Kühlsystemkonfigurationen 5.2 Strömungsmechanisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.2.1 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes im Gesamtmodell 5.2.2 Berechnung des Kühlluftvolumenstromes aus aktivem und passivem Modell 5.2.3 Experimentelle Untersuchung des strömungsmechanischen Verhaltens 5.2.4 Abhängigkeiten des Kühlluftvolumenstromes 5.3 Gekoppeltes thermisches Berechnungsmodell des Kühlsystems 5.3.1 Berechnung des Wärmeüberganges bei Rohrströmung 5.3.2 Berechnung der Kühlsystemerwärmung 5.3.3 Experimentelle Untersuchung des thermischen Verhaltens 5.3.4 Abhängigkeiten des Erwärmungsverhaltens 5.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung des Kühlsystems 6 Erwärmungsberechnung und Auslegungskriterien statorrohrgekühlter Außenläufermaschinen 6.1 Analytisches thermisches Modell 6.1.1 Wärmeübergänge an den Wicklungsköpfen und der Innenseite der Lagerschilde 6.1.2 Wärmeübergänge am Rotorjoch und der Außenseite der Lagerschilde 6.1.3 Orthotrope Wärmeleitung in der Wicklung 6.1.4 Orthotrope Wärmeleitung im Blechpaket 6.1.5 Wärmedurchgang in den Lagern 6.1.6 Berücksichtigung von Isolationsschichten, Füge- und Klebespalten 6.2 Gekoppelte Erwärmungsberechnung 6.2.1 Analytische Berechnung der Temperaturverteilung und der Wärmeströme 6.2.2 Numerische Berechnung der stationären Enderwärmung des Stators 6.3 Elektromagnetische und kühltechnische Optimierung des KWEGs 6.3.1 Analytische Variantenrechnung zur elektromagnetischen Optimierung 6.3.2 Analytische Variantenrechnung zur kühltechnischen Optimierung 6.3.3 Numerische Nachrechnung der Neuauslegung des KWEGs 6.3.4 Anwendung des KWEGs in einer Kleinwindenergieanlage im Inselbetrieb 6.4 Schlussfolgerungen für die Projektierung einer Außenläufermaschine mit intensivierter Statorrohrinnenkühlung 7 Fazit und Ausblick 7.1 Zusammenfassung der wissenschaftlichen Ergebnisse 7.2 Ausblick auf weiterführende Entwicklungsarbeiten Anhang A Konvergenz- und Berechnungsgitteranalyse der numerischen Berechnungen am Beispiel des Luftspaltwärmeüberganges B Simulationsumfang des Luftspaltkonvektionswiderstandes von Außenläufern mit Nutschlitzen oder Pollücken C Experimentelle Prototypuntersuchung des KWEGs im Inselbetrieb bei Variation der Belastungsart D Auswahlkriterien zur Auslegung der Zweischicht-Zahnspulenwicklung E Schnittzeichnung des Kleinwindenergiegenerators Literaturverzeichnis

Die vorliegende Arbeit stellt eine neuartige Methode zur Charakterisierung der Deformationseigenschaften sowie des Rissverhaltens von Elastomeren unter komplexer mehrachsiger Belastung dar. Dazu wurden experimentelle und theoretischen Arbeiten durchgeführt, die einen Deformationsvorgang unter einer mehrachsigen Belastung sowie das Risswachstumsverhalten aus der energetischen Sicht beschreiben. Für die Untersuchungen wurde zunächst ein neues Klemmsystem für die Prüfmaschine „Biaxial-Tester“ von Fa. Coesfeld GmbH & Co. KG (Dortmund, Germany) entworfen und realisiert, um die experimentellen Untersuchungen in einem erweiterten Amplituden-Frequenz-Bereich zu ermöglichen. Zuerst wurden die bekannten Analysemethoden für die Untersuchungen von Materialien unter mehrachsiger Belastung durchgeführt. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen an verschiedenen Elastomeren wurden mit dem „Erweiterten Röhrenmodell“ parametrisiert. Für die Analyse des Risswachstumsverhaltens unter multiaxialer Belastung wurde das Konzept des „J-Integral“ angewendet. Die Methode kann durch einen wesentlichen Beitrag an im Bulk dissipativer Energie in verformten Elastomeren nur sehr bedingt angewendet werden. Der Großteil der Arbeit konzentrierte sich auf die Untersuchung und Beschreibung des Materialverhaltens aus energetischer Sicht. Mit Hilfe von mehrachsigen dynamischen Untersuchungen wurde herausgearbeitet, dass, unabhängig vom Verformungszustand, die gleiche Energiemenge dissipiert wird, wenn der Betrag der von-Mises-Vergleichsdehnung gleich ist. Damit konnte nachgewiesen werden, dass die unterschiedliche Höhe der dissipativen Effekte eine Funktion des Verformungszustandes ist. Diese Effekte beeinflussen auch die Situation an der Rissspitze bei zyklischer Belastung. Die Zusammenhänge zwischen der von-Mises-Dehnung, der dissipativen Erwärmung und der Rissausbreitung wurden analysiert und zur Charakterisierung des Materialverhaltens an der Rissspitze verwendet. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war Bestimmung der Spannungs- bzw. Dehnungssituation an der Rissspitze, sowie der Weiterreißenergie für das Risswachstum. Die dissipierte Energie in den homogen belasteten Bereichen einer gekerbten Probe und in der Nähe der Rissspitze korrelieren mit dem Risswachstumsverhalten. Die Abhängigkeit der Risswachstumsgeschwindigkeit und des thermischen Zustands an der Rissspitze von der von-Mises-Dehnung wurden sowohl für den Fall eines stabilen Riss¬wachstums (für gefüllten Lösungs-Styrol-Butadien-Kautschuk) und auch für Doppelrissbildung bzw. Rissverzweigung (gefüllter Naturkautschuk) bestimmt. Ein physikalisch motiviertes Modell wurde dargestellt zur Bestimmung der Dehnung an der Rissspitze. Damit wurde der Zusammenhang zwischen Dehnung, Energiedissipation und Temperatur des Elastomers in der Nähe der Rissspitze bestimmt. Bei der Auswertung des Risswachstums im Fall einer Doppelrissbildung wurde festgestellt, dass das Auftreten von Doppelrissen in dem Material vom Belastungszustand abhängt und sich die in dem homogen gedehnten Probenbereich gespeicherte elastische Energie auf die Rissspitzen verteilt. Dabei müssen die Länge und Winkel des Risses bzw. der Risse berücksichtigt werten. Die dargestellte Methode für die Auswertung der Weiterreißenergie über den Zusammenhang zwischen Energiedissipation und von-Mises-Dehnung oder Gleichgewichts-temperaturdifferenzen, wurde mit der klassischen Methode von Rivlin & Thomas verglichen, dabei wurde eine gute Übereinstimmung gefunden. Mit dem entwickelten Ansatz zur Erfassung des dissipativen Materialverhaltens bei komplexen Belastungssituationen durch eine, z. B. mittels Bildkorrelationsanalyse ermittelte, von-Mises-Dehnung oder eine ortsaufgelöste Temperaturmessung lässt sich das lokale Dissipationsverhalten des Materials abzuschätzen. Dadurch können sowohl die Materialeigenschaften als auch das Risswachstums in einem komplexen Belastungszustand unabhängig von der Art der Belastung und unabhängig davon, ob es einen einzelnen oder mehrere Risse gibt, analysiert werden.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis i Abbildungsverzeichnis v Tabellenverzeichnis ix 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Aufgaben und Ziele der Arbeit 2 2 Stand der Technik und theoretische Grundlagen 5 2.1 Elastomere Werkstoffe 5 2.1.1 Elastomermatrix 6 2.1.2 Füllstoffe 7 2.2 Eigenschaften unter einer multiaxialen Belastung 8 2.2.1 Multiaxiale Spannung und Deformation 8 2.1.1 Vergleichsdehnung und Vergleichsspannung 12 2.2.2 Biaxialität 14 2.3 Materialmodelle 14 2.3.1 Hyperelastizität 15 2.3.2 Viskoelastizität 21 2.4 Globale Energiebilanz bei der Verformung 25 2.4.1 Verformungsenergie und Hystereseverhalten 25 2.4.2 Thermodynamik und Entropieelastizität 26 2.4.3 Entropie- und energieelastische Anteile der inneren Energie und dissipative Erwärmung 30 2.5 Bruchmechanische Konzepte 31 2.5.1 Mechanik des Risswachstums 31 2.5.2 Charakteristisches Bruchverhalten von Elastomeren. Globale Methode 33 2.5.3 Invariantes J-Integral. Lokale Methode 34 2.5.4 Ermüdungsrissverhalten von Elastomeren 35 3 Geräte und Materialien 39 3.1 Erweiterter Biaxial-Tester 39 3.1.1 Prüfkörper 40 3.1.2 Optisches System 40 3.1.3 Thermographie 41 3.2 Weitere Prüfsysteme 43 3.3 Untersuchte Materialien 43 4 Deformations- und Bruchverhalten bei multiaxialer Belastung 45 4.1 Konstitutive Beschreibung der Materialeigenschaften 45 4.1.1 Mullins Effekt. Einfluss auf die Parametrisierung 45 4.1.2 Untersuchung der Eigenschaften im quasistatischen multiaxialen Belastungszustand 50 4.2 Charakterisierung des Bruchverhaltens. Pfadabhängigkeit der lokalen Methode 53 4.2.1 Vergleich der globalen und lokalen Methoden zur Berechnung der Weiterreißenergie 54 4.2.2 J-Integral für multiaxiale Belastung 55 4.2.3 Zusammenfassung der Ergebnisse 58 5 Energetische Charakterisierung des Deformationsprozesses 59 5.1 Energiebilanz bei der homogenen Deformation 59 5.2 Dehnungsbestimmung an der Rissspitze 62 5.3 Experimentelles Vorgehen für die Bestimmung der Energiebeiträge 62 5.3.1 Durchführung der multiaxialen Untersuchungen 63 5.3.2 Experimenteller Ablauf 63 5.4 Materialverhalten unter einer homogenen Verformung 65 5.4.1 Gleichgewichtszustand 65 5.4.2 Mechanische Charakterisierung des mehrachsigen Spannungszustandes 68 5.4.3 Wärmeentwicklung und energetische Beiträge 73 5.5 Materialverhalten von SBR50 unter inhomogener Belastung 82 5.5.1 Risswachstumsgeschwindigkeit bei einem kontinuierlichen Risswachstum 83 5.5.2 Maximaltemperatur in der Nähe der Rissspitze 84 5.5.3 Dehnung und Temperatur an der Rissspitze 88 5.6 Inhomogene Belastung und instabiles Risswachstum bei NR20 93 5.6.1 Doppelrissbildung 93 5.6.2 Temperaturentwicklung bei Doppelrissbildung 95 5.6.3 Risswachstumsgeschwindigkeit 99 5.6.4 Globale Energie und Risswachstum 101 5.6.5 Weiterreißenergie bei einer Doppelrissbildung 102 5.7 Zusammenfassung der energetischen Untersuchungen 104 6 Zusammenfassung und Ausblick 107 6.1 Zusammenfassung 107 6.2 Bedeutung der Ergebnisse für die praktische Nutzung 110 7 Literaturverzeichnis 111 8 Eidesstattliche Erklärung 119 9 Anhang 121

Harmonic distorted voltage waveforms can lead to excessive heat in the insulation of electrical equipment. The prospectively increasing number of power electronic devices in electrical grids requires the careful examination of the conse- quences of harmonics, which are introduced due to the operating principle of the semiconductor switches. Investigations of the thermal breakdown of solid dielectrics that may occur as a consequence of harmonic distortion on the voltage waveform of electrical grids are presented in this contribution. A thermo-electrical multi-frequency model allows the calculation of the overtemperature in the material. The calculations are confirmed by breakdown experiments of phenolic paper and epoxy resin. Generally, the additional dielectric losses due to the harmonic voltage distortion increase the possibility of exceeding the thermal equilibrium. However, modern insulation materials like the investigated epoxy resin have very low loss factors which is favourable for good thermal performance even with severely distorted voltages.

Die Anforderungen an Baumaterialien steigen durch immer schlankere und höhere Tragwerke. Im Massivbau geht daher seit längerem die Materialentwicklung hin zu hochfesten und ultrahochfesten Betonen. Neben der steigenden statischen Beanspruchung nimmt gleichzeitig, bedingt durch immer ausgereiztere Konstruktionen, die Bedeutung der Ermüdungsfestigkeit zu. Deswegen liegt der Fokus der Forschung im Bereich der Hochleistungsbetone aktuell vor allem auf der Widerstandsfähigkeit gegenüber zyklischen Beanspruchungen. Dabei wurde in verschiedenen Forschungsvorhaben bei höheren Prüfgeschwindigkeiten bei Druckschwellversuchen zur Erzeugung von Wöhlerlinien eine Erwärmung der Probekörper festgestellt. Diese Arbeit widmet sich dieser Thematik bezogen auf ultrahochfesten Beton. Mit einer umfangreichen Parameterstudie konnte ein Überblick über maßgebende Einflussgrößen auf den Erwärmungsprozess gegeben werden. Als wichtigste Ursachen für die Temperaturerzeugung wurde zum einen ein inneres Reibungspotenzial festgestellt, welches mit geringer werdendem Größtkorn und durch wachsende Schädigung ansteigt. Zum anderen ist die eingetragene Energie pro Lastwechsel entscheidend. Anders als die Ermüdungsfestigkeit von Beton, die vor allem von der Oberspannung abhängig ist, ist die Erwärmung pro Lastwechsel von der Spannungsamplitude abhängig. Die Prüfgeschwindigkeit beeinflusst die messbare Erwärmung hingegen nur durch die Veränderung des Zeitraums, der pro Lastwechsel zur Temperaturabgabe zur Verfügung steht. Die Temperaturgenerierung pro Lastwechsel ist hingegen frequenzunabhängig. Ein negativer Einfluss der Probekörpererwärmung zeigt sich vor allem bei der deutlichen Reduzierung der Bruchlastwechselzahlen im Vergleich zu Versuchen, bei denen kein deutlicher Temperaturanstieg zu verzeichnen war. Basierend auf bisherigen Arbeiten zu hochfesten Betonen schlagen deswegen verschiedene Autoren eine Anpassung des Versuchsablaufs zur Begrenzung der Temperaturentwicklung im Probekörper vor. Die vorliegende Arbeit zeigt im Gegensatz dazu eine Methode auf, bei der die Erwärmung zugunsten einer zeiteffizienten Prüfung zugelassen und anschließend bei der Auswertung berücksichtigt wird. Als eine Hauptursache für das vorzeitige Versagen bei starker Erwärmung wurde die statische Druckfestigkeit, welche temperaturabhängig ist, ausgemacht. Steigt die Temperatur, reduziert sich gleichzeitig die Druckfestigkeit. Dies führt bei kraftgesteuerten Druckschwellversuchen mit konstantem Lastspiel zu einer Veränderung des bezogenen Spannungsspiels. Vor allem die stark steigende bezogene Oberspannung führt schlussendlich zu einem vorzeitigen Ermüdungsversagen. Da die Temperatur bei den Versuchen, die vor den rechnerischen Erwartungswerten versagen, stetig bis zum Versagenszeitpunkt ansteigt, ist der Probekörper einer sich über die Versuchsdauer veränderlichen bezogenen Beanspruchung ausgesetzt. Bei der Versuchsauswertung kann ein veränderliches Lastspiel nicht für die Einordnung in Wöhlerdiagramme verwendet werden. Weil die Verwendung der Lasteingangsgrößen zu einer Unterschätzung der Ermüdungsfestigkeit führt, muss eine Ermittlung eines äquivalenten konstanten Spannungsspiels erfolgen, welches die Festigkeitsveränderung des Betons berücksichtigt. Anhand der durchgeführten Druckschwellversuche und der temperaturabhängigen Druckfestigkeit wurde eine analytische Methode entwickelt, mit der unter Verwendung der anfänglichen Lastamplitude sowie der gemessenen maximalen Temperatur eine angepasste Oberspannung berechnet und dann die erreichte Bruchlastwechselzahl in ein Wöhlerdiagramm eingetragen werden kann. Diese Methode wird für den vertieft untersuchten ultrahochfesten Beton für eine Vielzahl von Lastkonfigurationen sowie zusätzlich für Versuchsergebnisse eines hochfesten Betons abschließend verifiziert.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Aufbau 1 1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 Stand des Wissens 5 2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Ermüdungsbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Betonermüdung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.3 Ultrahochfester Beton (UHPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.4 UHPC unter Ermüdungsbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Einfluss der Temperatur auf die statische Druckfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1 Wissenschaftliche Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.2 Regelung nach fib Model Code 2010 (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3 Betonerwärmung bei zyklischen Versuchen – Wissensstand bis 2017 . . . . . . . . 18 2.3.1 Einflussparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3.2 Temperaturentwicklung im Probekörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4 Zielstellung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.5 Betonerwärmung bei zyklischen Versuchen - Wissensstand ab 2017 . . . . . . . . 24 2.5.1 Elsmeier - Parameterstudie zur Erwärmung von hochfesten Vergussbetonen 24 2.5.2 Bode - Energetische Auswertung von Ermüdungsversuchen . . . . . . . . . 28 2.5.3 Schneider - Frequenzeinfluss auf den Ermüdungswiderstand von hochfestem Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.5.4 Markert - Feuchte- und Wärmeeinfluss auf die Ermüdungsschädigung von HPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.6 Zusammenfassung und Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3 Eigene Forschung 37 3.1 Grundlagen zur Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.1 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 Herstellung, Lagerungsbedingungen und Probekörpervorbereitung . . . . . 39 3.1.3 Probengeometrie und Messapplikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.4 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.5 Betonchargen und Versuchsmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2 Auswertung von Temperaturmesswerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 Temperaturentwicklung und -verteilung im Probekörper . . . . . . . . . . . . . . 46 3.4 Parameterstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.1 “Experimental Investigations on the Temperature Increase of Ultra-High Performance Concrete under Fatigue Loading“ Deutscher et al. (2019) . . 49 3.4.2 “Experimental Investigations on Temperature Generation and Release of Ultra-High Performance Concrete during Fatigue Tests“ Deutscher et al. (2020a) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.4.3 “Heating rate with regard to temperature release of UHPC under cyclic compressive loading“ Deutscher et al. (2021a) . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.4.4 “Influence of the compressive strength of concrete on the temperature increase due cyclic loading“ Deutscher et al. (2020b) . . . . . . . . . . . . 98 3.4.5 Ergänzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.4.6 Zusammenfassung der Parameterstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.5 Vergleich mit dem Stand des Wissens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.5.1 Spannungsspiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.5.2 Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.5.3 Größtkorn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.5.4 Betonfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.5.5 Probenalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.6 Berücksichtigung der Temperatur bei der Versuchsbewertung . . . . . . . . . . . 122 3.6.1 “Influence of temperature on the compressive strength of high performance and ultra-high performance concretes“ Deutscher et al. (2021b) . . . . . . 123 3.6.2 “Consideration of the heating of high-performance concretes during cyclic tests in the evaluation of results“ Deutscher (2021) . . . . . . . . . . . . . 134 3.6.3 Verifizierung an einem HPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4 Zusammenfassung und Ausblick 153 4.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 5 Allgemeine Ergänzungen A1 5.1 Materialkennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A1 5.1.1 UHPC 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A1 5.1.2 UHPC 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A3 5.2 Druckfestigkeit unter Temperatureinfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A4 5.2.1 Klimakammerlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A4 5.2.2 Wasserlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A5 5.2.3 getrocknet im Trockenofen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A5 5.3 zyklische Druckschwellversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A5 5.3.1 UHPC 1 Charge I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A7 5.3.2 UHPC 2 Charge II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A11 5.3.3 UHPC 1 Charge III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A16 5.3.4 Mörtel Charge IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A20 5.3.5 NC 1 Charge V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A21 5.3.6 UHPC 1 Charge VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A22 5.3.7 UHPC 1 Charge VII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A23 5.3.8 NC 2 Charge VIII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A28 5.4 Restfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A30 5.4.1 UHPC 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A30 5.4.2 UHPC 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A31 / Due to ever slimmer and higher load-bearing structures the requirements on building materials are increasing. On the part of concrete, the development is therefore moving towards high-strength and ultra-high-strength concretes. In addition to the increasing static stress, the importance of fatigue strength is also increasing due to increasingly sophisticated constructions. Therefore, the focus in materials research is currently on resistance to cyclic stresses, especially in the area of high-performance concretes. Various reasearchers has been detected a heating of test specimens at higher load-speed during pressure swell tests to generate Wöhler lines. For this reason, this study is focused on the heating in relation to ultra-high-strength concrete. Using a comprehensive parameter study, an overview of the significant influencing variables on the heating process could be given. On the one hand, an internal friction potential which increases with decreasing maximum grain size and due to growing damage, could be indetified as an important causes of temperature generation. On the other hand, the applied energy per load cycle is decisive. Unlike the fatigue strength of concrete, which mainly depends on the maximum stress, the heating per load cycle is dependent on the amplitude. The load frequency only influences the measurable heating by changing the time period available per load change for temperature release. But the heating per load cycle is independent of the load frequency. A negative influence of the specimen heating could be observed in the significant reduction of the number of cycles to failure compared to tests in which there is no significant increase in temperature. Based on previous studies on high-strength concretes, various authors propose an adaptation of the test procedure to minimise the temperature development in the specimen. The present work proposes a method in which heating is allowed in favour of time-efficient testing and the maximum temperature is taken into account in the results. The static compressive strength, which is temperature-dependent, could be identified as a main cause of premature failure in the case of strong heating. If the temperature increases, the compressive strength is reduced simultaneously. This leads to a change in the related stress cycle in force-controlled pressure swell tests with constant load cycle. The increasing related maximum stresslevel causes finally a premature fatigue failure. All tests that fail before the calculated expected value heat up until failure. This leads to a permanently changing stress amplitude over the duration of the test. In the evaluation, a changeable load cycle cannot be used for the classification in Wöhler diagrams. Due to the fact that the use of the load input values leads to an underestimation of the fatigue strength, an equivalent constant stress cycle must be determined, which takes into account the strength change of the concrete. Based on the pressure swell tests carried out and the temperature-dependent compressive strength, an analytical method was developed. Using the initial load amplitude as well as the measured maximum temperature, an adjusted maximum stress level can be calculated. The achieved number of cycles to failure can be entered in a Wöhler diagram with the calculated maximum stress level. This method is finally verified for the ultra-high strength concrete investigated in further detail for a wide range of load configurations and additionally for test results of a high-strength concrete.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Aufbau 1 1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 Aufbau der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 Stand des Wissens 5 2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Ermüdungsbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Betonermüdung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.3 Ultrahochfester Beton (UHPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.4 UHPC unter Ermüdungsbeanspruchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.2 Einfluss der Temperatur auf die statische Druckfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.1 Wissenschaftliche Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.2 Regelung nach fib Model Code 2010 (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3 Betonerwärmung bei zyklischen Versuchen – Wissensstand bis 2017 . . . . . . . . 18 2.3.1 Einflussparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.3.2 Temperaturentwicklung im Probekörper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.4 Zielstellung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.5 Betonerwärmung bei zyklischen Versuchen - Wissensstand ab 2017 . . . . . . . . 24 2.5.1 Elsmeier - Parameterstudie zur Erwärmung von hochfesten Vergussbetonen 24 2.5.2 Bode - Energetische Auswertung von Ermüdungsversuchen . . . . . . . . . 28 2.5.3 Schneider - Frequenzeinfluss auf den Ermüdungswiderstand von hochfestem Beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.5.4 Markert - Feuchte- und Wärmeeinfluss auf die Ermüdungsschädigung von HPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.6 Zusammenfassung und Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3 Eigene Forschung 37 3.1 Grundlagen zur Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.1 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 Herstellung, Lagerungsbedingungen und Probekörpervorbereitung . . . . . 39 3.1.3 Probengeometrie und Messapplikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.4 Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.1.5 Betonchargen und Versuchsmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2 Auswertung von Temperaturmesswerten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 Temperaturentwicklung und -verteilung im Probekörper . . . . . . . . . . . . . . 46 3.4 Parameterstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.4.1 “Experimental Investigations on the Temperature Increase of Ultra-High Performance Concrete under Fatigue Loading“ Deutscher et al. (2019) . . 49 3.4.2 “Experimental Investigations on Temperature Generation and Release of Ultra-High Performance Concrete during Fatigue Tests“ Deutscher et al. (2020a) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.4.3 “Heating rate with regard to temperature release of UHPC under cyclic compressive loading“ Deutscher et al. (2021a) . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.4.4 “Influence of the compressive strength of concrete on the temperature increase due cyclic loading“ Deutscher et al. (2020b) . . . . . . . . . . . . 98 3.4.5 Ergänzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.4.6 Zusammenfassung der Parameterstudie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.5 Vergleich mit dem Stand des Wissens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.5.1 Spannungsspiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.5.2 Frequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.5.3 Größtkorn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.5.4 Betonfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.5.5 Probenalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.6 Berücksichtigung der Temperatur bei der Versuchsbewertung . . . . . . . . . . . 122 3.6.1 “Influence of temperature on the compressive strength of high performance and ultra-high performance concretes“ Deutscher et al. (2021b) . . . . . . 123 3.6.2 “Consideration of the heating of high-performance concretes during cyclic tests in the evaluation of results“ Deutscher (2021) . . . . . . . . . . . . . 134 3.6.3 Verifizierung an einem HPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4 Zusammenfassung und Ausblick 153 4.1 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 5 Allgemeine Ergänzungen A1 5.1 Materialkennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A1 5.1.1 UHPC 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A1 5.1.2 UHPC 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A3 5.2 Druckfestigkeit unter Temperatureinfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A4 5.2.1 Klimakammerlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A4 5.2.2 Wasserlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A5 5.2.3 getrocknet im Trockenofen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A5 5.3 zyklische Druckschwellversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A5 5.3.1 UHPC 1 Charge I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A7 5.3.2 UHPC 2 Charge II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A11 5.3.3 UHPC 1 Charge III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A16 5.3.4 Mörtel Charge IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A20 5.3.5 NC 1 Charge V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A21 5.3.6 UHPC 1 Charge VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A22 5.3.7 UHPC 1 Charge VII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A23 5.3.8 NC 2 Charge VIII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A28 5.4 Restfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A30 5.4.1 UHPC 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A30 5.4.2 UHPC 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A31

Globaler Temperaturanstieg, Ozeanversauerung und Sauerstoffmangel (temperaturbedingte Stressoren), spielen eine wichtige Rolle während Klimawandel. Die kombinierten Auswirkungen wirken sich negativ auf marine Lebensgemeinschaften und Ökosystemen aus und verschärfen die Effekte anderer Stressoren. Es gibt für den aktuellen und vergangenen Erwärmungsphasen Belege für veränderte Artenverteilung, Lebensraumverlust, Artensterben und verminderte physiologische Leistungen von Organismen. Die spezifischen Mechanismen werden diskutiert. Umweltveränderungen in der Erdvergangenheit bieten die Gelegenheit, die Dynamik von Ökosystemkrisen vor, zu untersuchen. Diese Arbeit integriert verschiedenen Disziplinen um unser Verständnis der Rolle temperaturbedingter Stressoren für marine benthische Ökosysteme zu verbessern. Das Toarcian Event (Unterjura) wurde aufgrund seiner geologischen, geochemischen und paläontologischen Überlieferung ausgewählt. Hochaufgelöste quantitative taxonomische, paläoökologische und geochemische Daten von benthischen Makroinvertebraten wurden analysiert. Ziel ist es, die Mechanismen ökologischer Veränderungen unter Temperaturstress zu bewerten, mit Schwerpunkt auf Körpergrößenmuster sowie Veränderungen in der Zusammensetzung und Struktur von Lebensgemeinschaften, und die Rolle von Umweltstressoren als Ursachen der biotischen Krise abzuschätzen. Der Temperaturanstieg führte zu dem Verlust an biologischer Vielfalt und zu der Verringerung der Körpergröße der Organismen vor und während der biotischen Krise. Die Struktur der Gemeinschaften wurde in Bezug auf die taxonomische und ökologische Zusammensetzung neu organisiert. Die Reaktion auf Umweltstress war innerhalb und zwischen den taxonomischen Gruppen unterschiedlich, wobei Brachiopoden stark betroffen waren. Diese Ergebnisse verbessern unser Verständnis der biotischen Reaktionen auf temperaturbedingte Stressoren und können zur Vorhersage Veränderungen Ökosysteme bei den aktuellen Erwärmungstrends beitragen. / Global warming, oceanic acidification and deoxygenation (temperature-related stressors) play an important role during climate change. The combined impact of these stressors is known to negatively affect marine biota and ecosystems, often exacerbating the impact of other stressors. Under the current and past climate change, there is record of altered species distribution, habitat loss, extinctions and decreased physiological performance of organisms. Despite the increasing evidence, the specific mechanisms through which climate change influences ecological patterns are debated. Past environmental perturbations represent an opportunity to investigate the dynamics of ecosystem and biotic crises across Earth history. This work integrates different disciplines to increase our understanding on the role played by temperature-related stressors on marine benthic biota and ecosystems. The Toarcian Event (Early Jurassic) was chosen for its well-preserved geological, geochemical and palaeontological record. High-resolution quantitative faunal and geochemical data from benthic marine macroinvertebrates were investigated. The aims are to identify and evaluate the mechanisms of faunal and ecological shifts under a temperature-related stressor scenario, with focus on body size patterns and ecosystem change and recovery, and to estimate the role of environmental stressors as proximate causes of the biotic crisis. Temperature increase led to biodiversity loss and reduced body size of organisms during and possibly before the event. Moreover, the structure of marine communities was reorganized in terms of taxonomic and ecological composition. The response to environmental stress was variable within and between taxonomical groups, with brachiopods severely affected. These findings increase our understanding of biotic responses and ecosystem and biodiversity shifts under temperature stress, hopefully contributing to the prediction of ecosystem changes under the current warming scenario.

Seit der industriellen Revolution haben Menschen durch Verbrennung von fossilen Energieträgern die Treibhausgaskonzentration in der Atmosphäre erhöht. Die daraus folgende Erderwärmung hat weitreichende Folgen für das Klima, unter anderem häufigere und intensivere Wetterextreme. Wegen ihrer gravierenden Auswirkungen auf die Gesellschaft, ist es von allgemeinem Interesse zu verstehen, wie der menschengemachte Klimawandel diese Wetterextreme beeinflusst. In dieser kumulativen Dissertation analysiere ich erst zwei komplexe Wettereignisse, die die Nahrungsmittelproduktion in Europa beeinträchtigen: Frosttage nach dem Beginn der Apfelblüte und Feuchte Frühsommerperioden nach warmen Wintern. In einer dritten Studie untersuche ich wie dynamische Klimaveränderungen in den mittleren Breiten der Nordhalbkugel zu beständigerem Sommerwetter beitragen. Schließlich beschäftige ich mich mit tropischen Stürmen im Nordatlantik und damit, wie sie von der globalen Erwärmung beeinflusst werden. Eine zentrale methodische Herausforderung in diesem Forschungsfeld ist, dass Wetterextreme per Definition selten sind und dass es aufgrund der starken internen Klimavariabilität schwierig ist, die Veränderungen zu quantifizieren, die auf den menschgemachten Klimawandel zurück zu führen sind. In dieser Arbeit verfolge ich zweigegenläufige Ansätze um mit dieser Herausforderung um zu gehen: 1) Ich verwende große Klimasimulationsensembles um den Effekt der internen Klimavariabilität aus zu glätten und dadurch die erzwungenen Veränderungen beim Apfelfrost und in der Persistenz zu ergründen. 2) Mit Methoden, die auf Beobachtungsdaten beruhen, quantifiziere ich den Einfluss der internen Klimavariabilität auf tropische Zyklone um dann einschätzen zu können, in welchem Maß der beobachtete Anstieg der tropischen Zyklonaktivität im Atlantik der internen Klimavariabilität oder erzwungenen Veränderungen zugeschrieben werden kann. / Since the industrial revolution, humans have increased the greenhouse gas concentration of the atmosphere by burning fossil fuels. The resulting global warming has far reaching impacts on the climate system including increasingly frequent and intense weather extremes. Due to the severe impacts these weather extremes cause to societies, there is a strong interest in understanding how anthropogenic climate change affects weather extremes. In this cumulative thesis I first study two compound weather extremes that affect food production in Europe: frost days after apple blossom and wet early summers after warm winters. In a third study I quantify how dynamic changes in the climate system contribute to more persistent summer weather extremes in the northern hemispheric mid-latitudes. Finally, I analyze tropical cyclones in the Atlantic basin and changes in tropical cyclone activity as a result of global warming. One central methodological challenge in the research field is that weather extremes are rare by definition and that due to the strong internal climate variability it is difficult to quantify changes that are forced by anthropogenic climate change. In this thesis I explore two divergent approaches to this challenge: 1) Using large ensemble climate simulations I smooth out the effect of internal variability thereby exposing the forced change in apple frost and weather persistence. 2) Using observation based approaches, I quantify the contributions of internal climate variability on tropical cyclones in order to subsequently estimate to which extent the observed increase in tropical cyclone activity in the Atlantic can be attributed to internal climate variability or forced changes.

The Joule heating of carbon fiber-based textiles enables an energy- and cost-efficient processing of carbon fiber reinforced thermoplastic parts. This article introduces a new method to pass direct current into a dry, not pre-consolidated hybrid yarn textile based on recycled carbon fibers and polyamide 6 fibers. The aim is to melt polyamide fibers, subsequently impregnate carbon fibers, and finally consolidate the material to form a composite part in a single process step. To increase the reliability of this technology, the electrical properties and the behavior of the material during the heating process must be thoroughly investigated. It will be addressed how the material is characterized during the process and how the changing resistivity of the textile affects the current flow between the electrodes to generate intrinsic heat. Moreover, a method to determine the effective material resistivity by finite element simulation on the fiber scale based on a CT scan is presented. Thus, a validated material model with respect to the temperature development in the textile based on ρ = ρ (T) was established.

Inhalt: Nachhaltiger Stadtumbau und Erneuerbare Energien - Ansatz und Konzepte einer ökologischen Stadtentwicklung Wohnprojekt Dresden Pillnitz - Innovatives Energiekonzept für zwei Mehrfamilienhäuser in Passivhausbauweise Tiefbautechnik in der Praxis - Die spektakuläre Gablenzbach-Sanierung Mauern für die Ewigkeit - Rekonstruktion, Sanierung und Neubau von Mauerwerksbauten Wärmebrückenbeheizung - Ein Widerspruch? Solares Heizen mit Großanlagen - Chancen und Perspektiven Bauphysikalische Wertung von belüfteten und nicht belüfteten Dächern Kritische Aspekte zum sommerlichen Wärmeschutz – Vorbemessung

Aufgrund fluiddynamischer Effekte bei der Schnellerwärmung für die Warmumformung wird die Applikation der Technologie erschwert. Die vorliegende Arbeit thematisiert diesen Effekt und evaluiert die Triebkräfte sowohl numerisch als auch im Experiment. Aufbauend darauf werden Vermeidungsstrategien aufgezeigt und experimentell validiert um eine Verschiebung der Beschichtung zu verhindern. Es können insbesondere die temperatursensitive Marangonikraft als auch die magnethydrodynamische Wirkung der Lorentzkraft bei einer induktiven Erwärmung als Haupttriebkräfte identifiziert werden, die sich aufgrund identischer Kraftvektorrichtungen überlagern und verstärken. Es hat sich gezeigt, dass für den vorliegenden Fall einer 20-30 μm dünnen AlSi-Beschichtung die Marangonikraft gegenüber der Lorentzkraft um einen Faktor von mindestens 68 überwiegt. Ein vergleichbarer Effekt ist auch bei konduktiver Erwärmung zu beobachten. Hinsichtlich möglicher Vermeidungsstrategien einer globalen Beschichtungsverschiebung bietet die Applikation von lokalen Flussbarrieren mittels Laser, Induktion oder Walztexturierung, sowie das Vermeiden einer freien Flüssigkeitsoberfläche durch Aufbringen einer Zusatzbeschichtung, das größte Potential. In der zweiten Versionierung der Dissertationsschrift wurde auf S. IV im Vorwort, sowie auf S.72, Kapitel 4.2 eine ergänzende Nennung eines Instituts und Kooperationspartners hinzugefügt. / The application of fast heating technologies for hot forming is hindered by fluiddynamic effects and a resulting coating shift. Present thesis investigates this effect to evaluate the driving forces numerically as well as experimentally. Based on this evaluation, strategies are developed and investigated to avoid a global displacement of the AlSi-coating. In case of inductive fast heating the main driving force is represented by a superposition of Lorentzian forces as well as surface tension related Marangoni forces with a force vector pointing from hot to cold regions on the blank. The numerical evaluation shows that in case of 20-30 μm thin layers of AlSi the Marangoni force is at least 68 times higher than the Lorentz force and therefore represents the main driving force. A comparable effect is observable in case of conduction heating. Local flow barriers realized by Laser, inductive heating or texturing as well as the avoidance of a free liquid-surface due to application of additional coating layers show huge potential to prevent a global coating flow.