Diese Arbeit ist das Ergebnis von mehr als 35 Jahren Erfahrung mit Hochspannungsfreileitungen, 25 Jahre davon sind durch die intensive Beschäftigung mit Silikonverbundisolatoren stark geprägt worden. Verbundisolatoren werden inzwischen als gleichwertige Alternative zu Porzellan- und Glasisolatoren anerkannt und weltweit in großen Stückzahlen eingesetzt. Durch die Verschiedenartigkeit seiner Komponenten ist die Wechselwirkung zwischen mechanischer und elektrischer Integrität bei einem Verbundisolator von großer Bedeutung. Man denke z.B. an die Auswirkung von Rissen im glasfaserverstärkten Kern, die durch unzureichende mechanische Auslegung entstehen und Teilentladungen bzw. im schlimmsten Fall einen inneren Durchschlag verursachen können. In diesem Sinne untersucht diese Arbeit , nach einer kurzen Einleitung, die verschiedenen Bauarten von Verbundisolatoren, d.h. Verbundlangstäbe, Verbundstützer, Isoliertraversen für Kompaktleitungen und Phasenabstandshalter; insbesondere für letztere werden neue Erkenntnisse zu deren mechanischen Bemessung hier erstmalig veröffentlicht.:1 Einleitung 1.1 Vorteile und Entwicklung von Verbundisolatoren 1.2 Erfahrungen mit Verbundisolatoren 1.3 Einsatz von Verbundisolatoren in Hochspannungsfreileitungen 1.4 Einsatz von Verbundisolatoren bei elektrischen Apparaten und Freiluftschaltanlagen. 1.5 Stand der Normung 2 Verbundlangstabisolatoren 2.1 Anwendungen von Verbundlangstabisolatoren 2.2 Das Verhalten von Verbundlangstabisolatoren unter mechanischer Beanspruchung 2.2.1 Die Dauerstandfestigkeit von Verbundlangstabisolatoren 2.2.1.1 Die Dauerkraftkurve von Verbundisolatoren nach IEC 61109/92 2.2.1.2 Mechanisches Modell für das Langzeitverhalten von Verbundisolatoren 2.3 Verhalten von Verbundlangstabisolatoren bei dynamischer Belastung 2.4 Auslegung und Montage von Endarmaturen für Verbundlangstäbe 2.4.1 Entwicklung und Stand der Technik der Metallarmaturen 2.4.2 Grundsätzliche Überlegungen zu der Auslegung von Pressarmaturen 2.4.3 Montagetechnik von Pressarmaturen 2.4.4 Berechnungssystematik 2.4.5 Einfache analytische Methode 2.4.6 Fortgeschrittene analytische Methode 2.4.6.1 Verpressung 2.4.6.2 Relaxation 2.4.6.3 Zugbelastung/Pull-out 2.4.7 Numerische Simulation 2.4.7.1 Finite Elemente Modell 2.4.7.2 Rechenergebnisse der Simulation 2.4.7.3 Ergebnisse der numerischen Versagenssimulation 2.4.7.4 Versuchsergebnisse 2.4.7.5 Sensitivitätsanalyse 2.5 Formelzeichen und Abkürzungen 3 Verbundstützisolatoren 3.1 Wesentliche Eigenschaften 3.2 Anwendungen von Verbundstützisolatoren 3.3 Das Verhalten von Verbundstützisolatoren unter Biegung 3.3.1 Allgemeines 3.3.2 Einführung einer Schadensgrenze (damage limit) 3.3.2.1 Versuche zur Bestimmung der Schadensgrenze 3.3.2.2 Versuch zur Bestimmung der maximalen Betriebsbiegelast (MDCL) 3.3.2.3 Bestimmung der MDCL und der SCL im gleichen Versuch 3.4 Herstellerangaben zum SCL/MDCL Konzept 3.5 Das sichere Verhalten beim Versagen von Verbundstützern (safe failure mode) 3.6 Kombinierte Belastungen 3.6.1 Lastdiagramme 3.6.2 Beispiele 3.6.2.1 Horizontale Lage des Isolators 3.6.2.2 Isolator bildet einen Winkel von β = 15° zur Horizontalen 3.6.3 Computersimulation 3.6.4 Versuche 3.7 Dynamische Belastungen 3.7.1 Prüflinge 3.7.2 Prüfverfahren 3.7.3 Versuchsergebnisse 3.8 Konstruktive Anforderungen der Endarmaturen 3.9 Analytische Berechnungsmethoden 3.9.1 Einfache analytische Methode 3.9.2 Fortgeschrittene analytische Methode 3.9.2.1 Radiale Druckspannung an der Öffnung der Metallarmatur 3.9.2.2 Axialspannung im GFK-Stab innerhalb der Metallarmatur 3.9.2.3 Schubspannung in der neutralen Achse des Stabes 3.10 Numerische Simulation 3.10.1 Finite Elemente Modell 3.10.2 Versuchsanordnung 3.11 Das Versagensverhalten von Verbundstützisolatoren 3.12 Sensitivitätsanalyse 3.13 Formelzeichen und Abkürzungen 4 Isoliertraversen für Kompaktleitungen 4.1 Einleitung 4.2 Grundsätze der Kompaktierung 4.2.1 Einfluss der Seilaufhängung auf das Mastbild 4.2.2 Möglichkeiten der Leitungskompaktierung 4.2.2.1 V-Ketten 4.2.2.2 Leitungsstützer (horizontal) 4.2.2.3 Abgehängter Leitungsstützer 4.2.2.4 Isoliertraverse 4.3 Die mechanische Auslegung von Isoliertraversen 4.3.1 Die starr gelagerte Isoliertraverse 4.3.2 Die gelenkig gelagerte Isoliertraverse (horizontal-V) 4.3.3 Dynamische Belastungen 4.3.4 Stabilitätsuntersuchungen 4.4 Innovative Anwendungen von Kompaktleitungen 4.4.1 420 kV Leitung mit Hohlkörperisolatoren in der Schweiz 4.4.2 Notgestänge mit Verbundisolatoren 4.4.3 Erste 420 kV Doppelleitung mit Volkernverbundtraversen 4.5 Formelzeichen und Abkürzungen 5 Phasenabstandshalter 5.1 Einleitung 5.2 CIGRE Umfrage 5.2.1 Auswertung Fragebogen 5.2.2 Betriebserfahrungen 5.3 Anschlusstechnik 5.4 Mechanische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.4.1 Galloping 5.4.1.1 Galloping Amplituden 5.4.1.2 Bauweisen 5.4.1.3 Einbauempfehlungen 5.4.1.4 Belastungen der PAH durch Galloping 5.4.2 Abwurf von Eislasten 5.4.2.1 Stosskräfte auf die PAH . 5.4.3 Elektrodynamische Kurzschlusskräfte 5.4.4 Das Knickverhalten von Phasenabstandshaltern 5.5 Elektrische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.5.1 Mindestlänge 5.5.2 Koronaeffekte 5.5.3 Verschmutzung 5.6 Anwendungen 5.6.1 Kompaktleitung für Mittelspannung 5.6.2 Phasenabstandshalter gegen Seiltanzen durch Eisabwurf 5.6.3 Der Tennisschlägermast 5.7 Formelzeichen und Abkürzungen 6 Ausblick 7 Anhang IEC Normen betreffend Verbundisolatoren 8 Quellenverzeichnis. / This work is the result of more than 35 years of experience with high-voltage overhead lines, 25 years of which have been devoted to silicone composite insulators. Composite insulators are nowadays regarded as an equivalent alternative to porcelain and glass insulators and are used worldwide in large quantities. Due to the diverse properties of the individual insulator components, the interaction between mechanical and electrical integrity in a composite insulator is of paramount importance. For example, cracks in the glass fiber reinforced core, caused by poor mechanical design, can lead to partial discharges and in the worst case to a catastrophic internal electrical breakdown ('flashunder'). In this sense this publication examines, after a short introduction, the different types of composite insulators, i.e. composite long rods, composite posts, insulating cross-arms for compact lines and phase-to-phase spacers; for the latter a new mechanical design concept considering large deflection theory is presented here for the first time.:1 Einleitung 1.1 Vorteile und Entwicklung von Verbundisolatoren 1.2 Erfahrungen mit Verbundisolatoren 1.3 Einsatz von Verbundisolatoren in Hochspannungsfreileitungen 1.4 Einsatz von Verbundisolatoren bei elektrischen Apparaten und Freiluftschaltanlagen. 1.5 Stand der Normung 2 Verbundlangstabisolatoren 2.1 Anwendungen von Verbundlangstabisolatoren 2.2 Das Verhalten von Verbundlangstabisolatoren unter mechanischer Beanspruchung 2.2.1 Die Dauerstandfestigkeit von Verbundlangstabisolatoren 2.2.1.1 Die Dauerkraftkurve von Verbundisolatoren nach IEC 61109/92 2.2.1.2 Mechanisches Modell für das Langzeitverhalten von Verbundisolatoren 2.3 Verhalten von Verbundlangstabisolatoren bei dynamischer Belastung 2.4 Auslegung und Montage von Endarmaturen für Verbundlangstäbe 2.4.1 Entwicklung und Stand der Technik der Metallarmaturen 2.4.2 Grundsätzliche Überlegungen zu der Auslegung von Pressarmaturen 2.4.3 Montagetechnik von Pressarmaturen 2.4.4 Berechnungssystematik 2.4.5 Einfache analytische Methode 2.4.6 Fortgeschrittene analytische Methode 2.4.6.1 Verpressung 2.4.6.2 Relaxation 2.4.6.3 Zugbelastung/Pull-out 2.4.7 Numerische Simulation 2.4.7.1 Finite Elemente Modell 2.4.7.2 Rechenergebnisse der Simulation 2.4.7.3 Ergebnisse der numerischen Versagenssimulation 2.4.7.4 Versuchsergebnisse 2.4.7.5 Sensitivitätsanalyse 2.5 Formelzeichen und Abkürzungen 3 Verbundstützisolatoren 3.1 Wesentliche Eigenschaften 3.2 Anwendungen von Verbundstützisolatoren 3.3 Das Verhalten von Verbundstützisolatoren unter Biegung 3.3.1 Allgemeines 3.3.2 Einführung einer Schadensgrenze (damage limit) 3.3.2.1 Versuche zur Bestimmung der Schadensgrenze 3.3.2.2 Versuch zur Bestimmung der maximalen Betriebsbiegelast (MDCL) 3.3.2.3 Bestimmung der MDCL und der SCL im gleichen Versuch 3.4 Herstellerangaben zum SCL/MDCL Konzept 3.5 Das sichere Verhalten beim Versagen von Verbundstützern (safe failure mode) 3.6 Kombinierte Belastungen 3.6.1 Lastdiagramme 3.6.2 Beispiele 3.6.2.1 Horizontale Lage des Isolators 3.6.2.2 Isolator bildet einen Winkel von β = 15° zur Horizontalen 3.6.3 Computersimulation 3.6.4 Versuche 3.7 Dynamische Belastungen 3.7.1 Prüflinge 3.7.2 Prüfverfahren 3.7.3 Versuchsergebnisse 3.8 Konstruktive Anforderungen der Endarmaturen 3.9 Analytische Berechnungsmethoden 3.9.1 Einfache analytische Methode 3.9.2 Fortgeschrittene analytische Methode 3.9.2.1 Radiale Druckspannung an der Öffnung der Metallarmatur 3.9.2.2 Axialspannung im GFK-Stab innerhalb der Metallarmatur 3.9.2.3 Schubspannung in der neutralen Achse des Stabes 3.10 Numerische Simulation 3.10.1 Finite Elemente Modell 3.10.2 Versuchsanordnung 3.11 Das Versagensverhalten von Verbundstützisolatoren 3.12 Sensitivitätsanalyse 3.13 Formelzeichen und Abkürzungen 4 Isoliertraversen für Kompaktleitungen 4.1 Einleitung 4.2 Grundsätze der Kompaktierung 4.2.1 Einfluss der Seilaufhängung auf das Mastbild 4.2.2 Möglichkeiten der Leitungskompaktierung 4.2.2.1 V-Ketten 4.2.2.2 Leitungsstützer (horizontal) 4.2.2.3 Abgehängter Leitungsstützer 4.2.2.4 Isoliertraverse 4.3 Die mechanische Auslegung von Isoliertraversen 4.3.1 Die starr gelagerte Isoliertraverse 4.3.2 Die gelenkig gelagerte Isoliertraverse (horizontal-V) 4.3.3 Dynamische Belastungen 4.3.4 Stabilitätsuntersuchungen 4.4 Innovative Anwendungen von Kompaktleitungen 4.4.1 420 kV Leitung mit Hohlkörperisolatoren in der Schweiz 4.4.2 Notgestänge mit Verbundisolatoren 4.4.3 Erste 420 kV Doppelleitung mit Volkernverbundtraversen 4.5 Formelzeichen und Abkürzungen 5 Phasenabstandshalter 5.1 Einleitung 5.2 CIGRE Umfrage 5.2.1 Auswertung Fragebogen 5.2.2 Betriebserfahrungen 5.3 Anschlusstechnik 5.4 Mechanische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.4.1 Galloping 5.4.1.1 Galloping Amplituden 5.4.1.2 Bauweisen 5.4.1.3 Einbauempfehlungen 5.4.1.4 Belastungen der PAH durch Galloping 5.4.2 Abwurf von Eislasten 5.4.2.1 Stosskräfte auf die PAH . 5.4.3 Elektrodynamische Kurzschlusskräfte 5.4.4 Das Knickverhalten von Phasenabstandshaltern 5.5 Elektrische Auslegung von Phasenabstandshaltern 5.5.1 Mindestlänge 5.5.2 Koronaeffekte 5.5.3 Verschmutzung 5.6 Anwendungen 5.6.1 Kompaktleitung für Mittelspannung 5.6.2 Phasenabstandshalter gegen Seiltanzen durch Eisabwurf 5.6.3 Der Tennisschlägermast 5.7 Formelzeichen und Abkürzungen 6 Ausblick 7 Anhang IEC Normen betreffend Verbundisolatoren 8 Quellenverzeichnis.

Ziel der Arbeit war es, den Einfluss der Platzierung der Restauration im Rohling auf die mechanischen Eigenschaften und die Scherfestigkeit zu dualhärtenden Befestigungskompositen zu untersuchen sowie Unterschiede in der Bruchfestigkeit zwischen zwei Multilayerkeramiken zu ermitteln. Material und Methodik: Es wurden 160 zylindrische Prüfkörper aus der Multilayerkeramik Katana Zirconia ML hergestellt, um mechanische Eigenschaften wie Dichte, Biegefestigkeit und Härte zu bestimmen. Eine Gruppe wurde künstlich gealtert. Die Bruchfestigkeit von 32 Kronen (Katana Zirconia ML, Ceramill Zolid FX Multilayer) wurde vor und nach thermischer sowie mechanischer Belastung untersucht. Zur Bestimmung der Scherfestigkeit wurden 512 quadratische Prüfkörper hergestellt, die verschiedenen thermischen Belastungen ausgesetzt wurden. Die Scherfestigkeit wurde mit einer Universalprüfmaschine bestimmt und die Brucharten (adhäsiv, kohäsiv, gemischt) wurden analysiert. Ergebnisse: Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen den Schichten oder der Alterung bei Dichte, Biegefestigkeit und Härte. Katana Zirconia ML zeigte höhere Bruchfestigkeit als Ceramill Zolid FX Multilayer. Die Scherfestigkeit von Panavia V5 zu Katana Zirconia ML war nicht durch thermische Belastung beeinflusst, jedoch bei Ceramill Zolid FX Multilayer. Der Haftverbund von Visalys CemCore war durch thermische Belastung beeinflusst, während Panavia V5 zu beiden Keramiken höhere Werte aufwies. Katana Zirconia ML hatte höhere Scherfestigkeitswerte als Ceramill Zolid FX Multilayer. Schlussfolgerung: Multilayerkeramik stellt eine arbeitsverringernde Alternative für den Seitenzahnbereich dar, ohne mechanische und ästhetische Einbußen. Die Platzierung im Rohling hat keinen Einfluss auf die Eigenschaften, jedoch ist der Haftverbund vom Befestigungskomposit abhängig. / The aim of the work was to investigate the influence of the placement of the restoration in the blank on the mechanical properties and the shear bond strength of dual-curing luting composites and to determine differences in the fracture strength between two multilayer ceramics. Material and method: 160 cylindrical test specimens were made from the multilayer ceramic Katana Zirconia ML to determine mechanical properties such as density, flexural strength and hardness. One group was artificially aged. The breaking strength of 32 crowns (Katana Zirconia ML, Ceramill Zolid FX Multilayer) was examined before and after thermal and mechanical loading. To determine the shear bond strength, 512 square test specimens were produced and subjected to various thermal loads. The shear bond strength was determined using a universal testing machine and the fracture types (adhesive, cohesive, mixed) were analyzed. Results: There was no significant difference between layers or aging in density, flexural strength and hardness. Katana Zirconia ML showed higher breaking strength than Ceramill Zolid FX Multilayer. The shear bond strength of Panavia V5 to Katana Zirconia ML was not affected by thermal loading, but was affected in combination with Ceramill Zolid FX Multilayer. The adhesive bond of Visalys CemCore was influenced by thermal stress, while Panavia V5 had higher shear bond strength to both ceramics. Katana Zirconia ML had higher shear bond strength than Ceramill Zolid FX Multilayer. Conclusion: Multilayer ceramics represent a labor-reducing alternative for the posterior region, without mechanical and aesthetic losses. The placement in the blank has no influence on the properties, but the adhesive bond depends on the fixing composite.

Ziel der Arbeit ist es, die Herstellung von Bauteilen aus Titan- und Titanlegierungen über das additive Fertigungsverfahren des 3D-Siebdrucks zu evaluieren. Zur Beurteilung der resultierenden mechanischen Eigenschaften werden im Rahmen dieser Dissertation das Reintitan und die Legierung Ti6Al4V als Modelllegierungen verwendet. Gasverdüste vorlegierte Pulver werden in einer wässrigen Druckpaste aus organischem Binder und Rheologieadditiven dispergiert und anschließend schichtweise durch photopolymerisch beschichtete Siebe gedruckt. Der Fokus liegt auf der Ermittlung prozessbedingter Einflüsse und der resultierenden Prozessgrenzen. Anschließend erfolgt das Herauslösen der organischen Pastenbestandteile mittels Lösemittelextraktion sowie thermischer Entbinderung und das finale Sintern zu nahezu dichten Bauteilen. Die Ergebnisse aus Maßhaltigkeits- und Gefügeuntersuchungen und der Ermittlung ausgewählter mechanischer Eigenschaften der gedruckten Titanproben werden vergleichend mit konventionellen und anderen Additiven Verfahren bewertet. Es folgt eine Diskussion zu festigkeits- und duktilitätssteigernden Maßnahmen. Unter Verwendung geeigneter Prozessparameter wird das temporäre Zulegieren von Wasserstoff und seine Auswirkung auf den Kornfeinungsgrad und die mechanischen Eigenschaften evaluiert. Zur Verminderung der versprödend wirkenden hohen Sauerstoffgehalte im Titan und Ti6Al4V erfolgt eine Parameterstudie zur elektrolytischen Reduktion in einer Salzschmelze. Hierfür wird anhand eines vereinfachten Systems ein diffusionsgesteuertes Modell zur Abschätzung von Reduktionszeiten in den beiden Werkstoffen entwickelt und beurteilt. Mechanische Prüfungen sind Grundlage für eine Bewertung des neuen Prozesses zur elektrolytischen Nachreinigung von Bauteilen.

Über die additive Fertigung, oftmals bezeichnet als 3D-Druck, lassen sich Bauteile nahezu beliebiger geometrischer Komplexität herstellen. Gleichzeitig lassen die Prozessrandbedingungen die direkte Einstellung der Mikrostruktur in den verwendeten metallischen Werkstoffen zu. Hieraus ergeben sich weitreichende Möglichkeiten bezüglich der Eigenschaftsoptimierung aktueller Hochleistungswerkstoffe.

Die Schriftenreihe „Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen“ behandelt Themengebiete der Werkstoffwissenschaft und -technik, der Oberflächentechnik sowie deren industriellen Anwendungen. Es werden aktuelle Forschungsergebnisse aus den vier Professuren des Instituts für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik der TU Chemnitz vorgestellt: Professur Elektronenmikroskopie und Mikrostrukturanalytik, Professur Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Professur Werkstoff- und Oberflächentechnik, Professur Werkstoffwissenschaft. Weiterhin sind in der Schriftenreihe die Tagungsbände des jährlich am Institut stattfindenden „Werkstofftechnischen Kolloquium“ enthalten. Die einzelnen Bände beschäftigen sich mit den Forschungsgebieten Galvanische Metallabscheidung, Anodisieren, Thermisches und Kaltgas-Spritzen, Löten, Verbundwerkstoffe, Werkstoffverbunde, Wärmebehandlung, CVD-Beschichtungen/PVD-Beschichtungen, Simulation in der Beschichtungstechnik, Organisches Beschichten (Pulverbeschichten, Lackieren, Sol-Gel-Verfahren), Elektrochemisches Strukturieren, Thermomechanische Behandlung und Mechanische Werkstoffeigenschaften. / The book series „Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen“ outlines up-to-date topics of material science and engineering, surface engineering as well as resulting industrial applications. Mainly, recent research results of the departments Composite Materials and Surface Engineering/Functional Materials of the Institute of Material Science and Engineering of Chemnitz University of Technology are presented. In addition, the book series includes the proceedings of the annual in-house conference “Werkstofftechnisches Kolloquium”. The separate volumes concentrate on the following fields of scientific research: Galvanised Coating, Anodising, Thermal and Cold Spraying, Soldering and Brazing, Composite Materials, Composite Structures, Thermal and Thermomechanical Treatment, CVD and PVD Coating, Simulation of Coating Processes, Organic coating (Powder Coating, Varnishing, Sol-Gel Processes), Electrochemical Structuring and Mechanical Material Properties.

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The increasing need for regional development has led engineers to find safe ways to construct the infrastructure of transportation on soft soils. Soft soil is not able to sustain external loads without having large deformations. The geotechnical properties of soft soil which is known for its low bearing capacity, high water content, high compressibility and long term settlement as well. In pavement engineering, either highway or runway as an infrastructure, a pavement encompasses three important parts namely traffic load, pavement and subgrade. Traffic load generated from tire pressure of vehicle and/or airplane wheels are usually around 550 kPa even more on the surface of the pavement. Pavement generally comprises granular materials with unbounded or bounded materials located between traffic load and subgrade, distributing the load to surface of subgrade. One of the promising soil improvement techniques is a piled embankment. When geosynthetics layer is unrolled over piles, it is known as geosynthetics supported piled embankment. Particularly in deep soft soil, when piles do not reach a hard stratum due to large thickness of the soft soil, the construction is an embankment on floating piles. Furthermore, because of different stiffness between piles and subsoil, soil arching effect would be developed there. By using Finite Element analysis, some findings resulted from experimental works and several field tests around the world as field case studies are verified. Some important findings are as follows: the stress concentration ratio is not a single value, but it would be changed depending on the height of embankment, consolidation process of subsoil, surcharge of traffic load, and tensile modulus of geosynthetics as well. Ratio height of embankment to clear piles spacing (h/s) around 1.4 can be used as a critical value to distinguish between low embankment and high embankment. When geosynthetics is applied to reinforce a pavement/embankment, the vertical distance of geosynthetics layers and number of geosynthetics layers depend on the quality of pavement material. The lower layer of geosynthetics withstands a tensile stress higher than upper layer. Primary reinforcements for geosynthetics in piled embankments are located at span between piles with maximum strains at zones of adjacent piles. Traffic load that passes through on the surface of the pavement can reduce the soil arching, but it can be restored during the off peak hours. Settlements of embankments on floating piles can accurately be modelled using the consolidation calculation type, whereas the end-bearing piles may be used the plastic calculation type. Longer piles can be effectively applied to reduce a creep. By applying length of floating piles more than 20% of soft soil depth, it would have a significant impact to reduce a creep on a deep soft soil.

‘Coupled process’ implies that one process affects the initiation and progress of the others and vice versa. The deformation and damage behaviors of rock under loading process change the fluid flow field within it, and lead to altering in permeable characteristics; on the other side inner fluid flow leads to altering in pore pressure and effective stress of rock matrix and flow by influencing stress strain behavior of rock. Therefore, responses of rock to natural or man-made perturbations cannot be predicted with confidence by considering each process independently. As far as hydro-mechanical behavior of rock is concerned, the researchers have always been making efforts to develop the model which can represent the permeable characteristics as well as stress-strain behaviors during the entire damage process. A brittle low porous granite was chosen as the study object in this thesis, the aim is to establish a corresponding constitutive law including the relation between permeability evolution and mechanical deformation as well as the rock failure behavior under hydro-mechanical coupled conditions based on own hydro-mechanical coupled lab tests. The main research works of this thesis are as follows: 1. The fluid flow and mechanical theoretical models have been reviewed and the theoretical methods to solve hydro-mechanical coupled problems of porous medium such as flow equations, elasto-plastic constitutive law, and Biot coupled control equations have been summarized. 2. A series of laboratory tests have been conducted on the granite from Erzgebirge–Vogtland region within the Saxothuringian segment of Central Europe, including: permeability measurements, ultrasonic wave speed measurements, Brazilian tests, uniaxial and triaxial compression tests. A hydro-mechanical coupled testing system has been designed and used to conduct drained, undrained triaxial compression tests and permeability evolution measurements during complete loading process. A set of physical and mechanical parameters were obtained. 3. Based on analyzing the complete stress-strain curves obtained from triaxial compression tests and Hoek-Brown failure criterion, a modified elemental elasto-plastic constitutive law was developed which can represent strength degradation and volume dilation considering the influence of confining pressure. 4. The mechanism of HM-coupled behavior according to the Biot theory of elastic porous medium is summarized. A trilinear evolution rule for Biot’s coefficient based on the laboratory observations was deduced to eliminate the error in predicting rock strength caused by constant Biot’s coefficient. 5. The permeability evolution of low porous rock during the failure process was described based on literature data and own measurements, a general rule for the permeability evolution was developed for the laboratory scale, a strong linear relation between permeability and volumetrical strain was observed and a linear function was extracted to predict permeability evolution during loading process based on own measurements. 6. By combining modified constitutive law, the trilinear Biot’s coefficient evolution model and the linear relationship between permeability and volumetrical strain, a fully hydro-mechanical coupled numerical simulation scheme was developed and implemented in FLAC3D. A series of numerical simulations of triaxial compression test considering the hydro-mechanical coupling were performed with FLAC3D. And a good agreement was found between the numerical simulation results and the laboratory measurements under 20 MPa confining pressure and 10 MPa fluid pressure, the feasibility of this fully hydro-mechanical coupled model was proven.

Die Schriftenreihe „Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen“ behandelt Themengebiete der Werkstoffwissenschaft und -technik, der Oberflächentechnik sowie deren industriellen Anwendungen. Es werden vorrangig aktuelle Forschungsergebnisse der Professuren Verbundwerkstoffe und Oberflächentechnik/Funktionswerkstoffe des Instituts für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik der TU Chemnitz vorgestellt. Weiterhin sind in der Schriftenreihe die Tagungsbände des jährlich am Institut stattfindenden „Werkstofftechnischen Kolloquium“ enthalten. Die einzelnen Bände beschäftigen sich mit den Forschungsgebieten Galvanische Metallabscheidung, Anodisieren, Thermisches und Kaltgas-Spritzen, Löten, Verbundwerkstoffe, Werkstoffverbunde, Wärmebehandlung, CVD-Beschichtungen/PVD-Beschichtungen, Simulation in der Beschichtungstechnik, Organisches Beschichten (Pulverbeschichten, Lackieren, Sol-Gel-Verfahren), Elektrochemisches Strukturieren, Thermomechanische Behandlung und Mechanische Werkstoffeigenschaften. / The book series „Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen“ outlines up-to-date topics of material science and engineering, surface engineering as well as resulting industrial applications. Mainly, recent research results of the departments Composite Materials and Surface Engineering/Functional Materials of the Institute of Material Science and Engineering of Chemnitz University of Technology are presented. In addition, the book series includes the proceedings of the annual in-house conference “Werkstofftechnisches Kolloquium”. The separate volumes concentrate on the following fields of scientific research: Galvanised Coating, Anodising, Thermal and Cold Spraying, Soldering and Brazing, Composite Materials, Composite Structures, Thermal and Thermomechanical Treatment, CVD and PVD Coating, Simulation of Coating Processes, Organic coating (Powder Coating, Varnishing, Sol-Gel Processes), Electrochemical Structuring and Mechanical Material Properties.

Die Zielstellung dieser Dissertation besteht darin, einen Beitrag zur Charakterisierung sowohl der Ausgangsmaterialien (Naturfasern, Polymere) als auch ihrer Verbundeigenschaften zu leisten. Morphologische Unterschiede der Fasern, im wesentlichen bedingt durch Erntezeitpunkt, Röstdauer und Verarbeitungsbedingungen, haben Einfluss auf die mechanischen Kennwerte als auch auf das Faser/Matrix-Interface des Verbundwerkstoffs. Durch unterschiedliche Verfahren (Thermoanalyse, Ubbelohde-Viskosimetrie, NMR-Spektroskopie, Einzelfaserzugversuch) werden sowohl das Degradationsverhalten als auch die Prozessgrenzen bestimmt. Zur Einschätzung des Grenzflächenzustands werden oberflächensensitive Verfahren (BET-Verfahren, Zeta-Potentialbestimmung, IR-Spektroskopie, Rasterelektronen-mikroskopie) angewendet. Die Charakterisierung der durch Compoundieren und Spritzgießen, bzw. durch Konsolidieren von Hybridvliesen hergestellten Verbunde erfolgt mittels quasi-statischer bzw. dynamisch-mechanischer Methoden (DMA). Fraktographische rasterelektronenmikroskopische und IR-spektroskopische Untersuchungen belegen die Veränderung des Interfaces durch geeignete Faserbehandlung, Prozessparameter und Haftvermittlung. Die vorliegende Arbeit weist die effektive Verstärkungswirkung der Naturfasern Flachs bzw. Hanf in hochpolymeren Matrices zuverlässig nach. / The objectives of this dissertation are the characterization of the components (natural fibers, polymers) and the resulting properties of the composites. Due to differences in fiber morphology, mainly caused by the date of harvest, retting and fiber separation procedures, the mechanical properties and the fiber/matrix interface are effected. The degradation and the limits of the process are characterized by means of thermal analysis, Ubbelohde viscosimetry, NMR spectroscopy and single fiber tensile test. Surface sensitive methods (BET measurements, zeta potential measurements, IR-spectroscopy) were applied to evaluate the fiber/matrix interface. The composites were first manufactured by compounding and injection molding as well as by consolidation of hybrid nonwovens and characterized by means of quasi statical and dynamic-mechanical methods. The effect of adequate fiber treatements, process parameters and coupling agents becomes obvious applying fractographic SEM and IR spectroscopic measurements. The gained results indicate the strengthening effect of natural fibers like flax and hemp on the performance of high polymers.