Ein Beitrag zur realitätsnahen Modellierung und Analyse von stahlfaserverstärkten Stahlbeton- und Stahlbetonflächentragwerken

Das Werkstoffverhalten von stahlfaserfreiem bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton unter biaxialle Druck- Zugbeanspruchung wurde experimentell und theoretisch untersucht. Die Basis der experimentellen Untersuchungen waren zahlreiche Versuche, die in der Vergangenheit an faserfreiem Stahlbetonscheiben zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens von gerissenem Stahlbeton im ebenen Spannungszustand durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass infolge einer Querzugbeanspruchung eine Abminderung der biaxialen Druckfestigkeit entsteht. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sind zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften des Betons, Stahlbetonscheiben aus stahlfaserverstärktem Beton hergestellt worden. Die aus der Literatur bekannten Werkstoffmodelle für Beton sowie Stahlbeton, im ungerissenen und gerissenen Zustand wurden hinsichtlich der in der Vergangenheit ermittelten Materialeigenschaften des Betons bzw. Stahlbetons unter proportionalen sowie nichtproportionalen äußeren Belastungen erklärt und kritisch untersucht. In den frischen Beton wurden Stahlfasern hinzugegeben. Dadurch konnte die Festigkeits- und die Materialsteifigkeitsabminderung infolge Rissbildung, die zur Schädigung des Verbundwerkstoffs Beton führt, reduziert werden. Man konnte sehen, dass der Druckfestigkeitsabminderungsfaktor und insbesondere die zur maximal aufnehmbaren Zylinderdruckfestigkeit gehörende Stauchung, durch Zugabe von Stahlfasern besser begrenzt wird. Die experimentelle Untersuchungen wurden an sechs faserfreien und sieben stahlfaserverstärkten Stahlbetonscheiben unter Druck-Zugbelastung zur Bestimmung des Verhaltens des gerissenen faserfreien und stahlfaserverstärkten Stahlbetons durchgeführt. Die aus eigenen Versuchen ermittelten Materialeigenschaften des Betons, des stahlfaserverstärkten Betons und Stahlbetons im gerissenen Zustand wurden dargelegt und diskutiert. Bei der Rissbildung des quasi- spröden Werkstoffs Beton und dem stahlfaserverstärkten Beton wurde neben dem plastischen Fließen, auch die Abnahme des Elastizitätsmoduls festgestellt. Die Abminderung der aufnehmbaren Festigkeit und der zugehörigen Verzerrung lässt sich nicht mit der klassischen Fließtheorie der Plastizität ohne Modifizierung des Verfestigungsgesetzes erfassen. Es wurden auf elasto-plastischen Werkstoffmodellen basierende konstitutive Beziehungen für den faserfreien sowie den stahlfaserverstärkten Beton vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit eine auf dem elasto-plastischen Werkstoffmodell basierende konstitutive Beziehung für Beton und den stahlfaser-verstärkten Beton im gerissenen Zustand formuliert. Die formulierten Werkstoffmodelle wurden mittels dem in einer modularen Form aufgebauten nichtlinearen Finite Elemente Programm DIANA zu numerischen Untersuchungen an ausgewählten experimentell untersuchten Flächentragwerken, wie scheibenartigen-, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem sowie stahlfaserverstärktem Beton verwendet. Das entwickelte elasto-plastische Modell ermöglichte durch eine modifizierte effektive Spannungs-Verzerrungs-Beziehung für das Verfestigungsmodell, nicht nur die Erfassung des plastischen Fließens sondern auch die Berücksichtigung der Schädigung der Elastizitätsmodule infolge Mikrorissen sowie Makrorissen im Hauptzugspannungs-Hauptdruckspannungs-Bereich. Es wurde bei den numerischen Untersuchungen zur Ermittlung des Last-Verformungsverhaltens von scheibenartigen, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, im Vergleich mit den aus Versuchen ermittelten Ergebnissen, eine gute Übereinstimmung festgestellt.

Influence of the electronic shell structure on the elastic scattering of heavy ions

The interatomic potential of the system I - I at intermediate and small distances is calculated from atomic DFS electron densities within a statistical model. Structures in the potential, due to the electronic shells, are investigated. Calculations of the elastic differential scattering cross section for small angles and several keV impact energies show a detailed peak pattern which can be correlated to individual electronic shell interaction.

Theoretical evidence for quasi-molecular structure at small internuclear distances in elastic ion-atom scattering

The potential energy curve of the system Ne-Ne is calculated for small internuclear distances from 0.005 to 3.0 au using a newly developed relativistic molecular Dirac-Fock-Slater code. A significant structure in the potential energy curve is found which leads to a nearly complete agreement with experimental differential elastic scattering cross sections. This demonstrates the presence of quasi-molecular effects in elastic ion-atom collisions at keV energies.

Elastic nuclear scattering at intermediate and relativistic energies

The classical scattering cross section of two colliding nuclei at intermediate and relativistic energies is reevaluated. The influence of retardation and magnetic field effects is taken into account. Corrections due to electron screening as well as due to attractive nuclear forces are discussed. This paper represents an addendum to [l].

Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Stabstahl und Fasern bewehrtem Ultrahochfesten Beton (UHPC)

Ultrahochfester Beton (UHPC) ist ein sehr gefügedichter zementgebundener Werkstoff, der sich nicht nur durch eine hohe Druckfestigkeit, sondern auch durch einen hohen Widerstand gegen jede Form physikalischen oder chemischen Angriffs auszeichnet. Duktiles Nachbruchverhalten bei Druckversagen wird meist durch die Zugabe dünner kurzer Fasern erreicht. In Kombination mit konventioneller Betonstahl- oder Spannbewehrung ermöglicht UHPC die Ausführung sehr schlanker, weitgespannter Konstruktionen und eröffnet zugleich neue Anwendungsgebiete, wie zum Beispiel die flächenhafte Beschichtung von Brückendecks. Durch das Zusammenwirken kontinuierlicher Bewehrungselemente und diskontinuierlich verteilter kurzer Fasern ergeben sich unter Zugbeanspruchung Unterschiede gegenüber dem bekannten Stahl- und Spannbeton. In der vorliegenden Arbeit wird hierzu ein Modell entwickelt und durch eine umfangreiche Versuchsreihe abgesichert. Ausgangspunkt sind experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Verbundverhalten von Stabstählen in einer UHPC-Matrix und zum Einfluss einer Faserzugabe auf das Reiß- und Zugtragverhalten von UHPC. Die Modellbildung für UHPC-Zugelemente mit gemischter Bewehrung aus Stabstahl und Fasern erfolgt auf der Grundlage der Vorgänge am diskreten Riss, die daher sehr ausführlich behandelt werden. Für den elastischen Verformungsbereich der Stabbewehrung (Gebrauchslastbereich) kann damit das Last-Verformungs-Verhalten für kombiniert bewehrte Bauteile mechanisch konsistent unter Berücksichtigung des bei UHPC bedeutsamen hohen Schwindmaßes abgebildet werden. Für die praktische Anwendung wird durch Vereinfachungen ein Näherungsverfahren abgeleitet. Sowohl die theoretischen als auch die experimentellen Untersuchungen bestätigen, dass der faserbewehrte UHPC bei Kombination mit kontinuierlichen Bewehrungselementen selbst kein verfestigendes Verhalten aufweisen muss, um insgesamt verfestigendes Verhalten und damit eine verteilte Rissbildung mit sehr keinen Rissbreiten und Rissabständen zu erzielen. Diese Beobachtungen können mit Hilfe der bisher zur Verfügung stehenden Modelle, die im Wesentlichen eine Superposition isoliert ermittelter Spannungs-Dehnungs-Beziehungen des Faserbetons und des reinen Stahls vorsehen, nicht nachvollzogen werden. Wie die eigenen Untersuchungen zeigen, kann durch ausreichend dimensionierte Stabstahlbewehrung zielgerichtet und ohne unwirtschaftlich hohe Fasergehalte ein gutmütiges Verhalten von UHPC auf Zug erreicht werden. Die sichere Begrenzung der Rissbreiten auf deutlich unter 0,1 mm gewährleistet zugleich die Dauerhaftigkeit auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen. Durch die Minimierung des Material- und Energieeinsatzes und die zu erwartende lange Nutzungsdauer lassen sich so im Sinne der Nachhaltigkeit optimierte Bauteile realisieren.

A Multi-scale Model for Copper Dishing in Chemical-Mechanical Polishing

The present success in the manufacture of multi-layer interconnects in ultra-large-scale integration is largely due to the acceptable planarization capabilities of the chemical-mechanical polishing (CMP) process. In the past decade, copper has emerged as the preferred interconnect material. The greatest challenge in Cu CMP at present is the control of wafer surface non-uniformity at various scales. As the size of a wafer has increased to 300 mm, the wafer-level non-uniformity has assumed critical importance. Moreover, the pattern geometry in each die has become quite complex due to a wide range of feature sizes and multi-level structures. Therefore, it is important to develop a non-uniformity model that integrates wafer-, die- and feature-level variations into a unified, multi-scale dielectric erosion and Cu dishing model. In this paper, a systematic way of characterizing and modeling dishing in the single-step Cu CMP process is presented. The possible causes of dishing at each scale are identified in terms of several geometric and process parameters. The feature-scale pressure calculation based on the step-height at each polishing stage is introduced. The dishing model is based on pad elastic deformation and the evolving pattern geometry, and is integrated with the wafer- and die-level variations. Experimental and analytical means of determining the model parameters are outlined and the model is validated by polishing experiments on patterned wafers. Finally, practical approaches for minimizing Cu dishing are suggested.

Non-linear mechanical behavior of the elastomer polydimethylsiloxane (PDMS) used in the manufacture of microfluidic devices

Polydimethylsiloxane (PDMS) is the elastomer of choice to create a variety of microfluidic devices by soft lithography techniques (eg., [1], [2], [3], [4]). Accurate and reliable design, manufacture, and operation of microfluidic devices made from PDMS, require a detailed characterization of the deformation and failure behavior of the material. This paper discusses progress in a recently-initiated research project towards this goal. We have conducted large-deformation tension and compression experiments on traditional macroscale specimens, as well as microscale tension experiments on thin-film (≈ 50µm thickness) specimens of PDMS with varying ratios of monomer:curing agent (5:1, 10:1, 20:1). We find that the stress-stretch response of these materials shows significant variability, even for nominally identically prepared specimens. A non-linear, large-deformation rubber-elasticity model [5], [6] is applied to represent the behavior of PDMS. The constitutive model has been implemented in a finite-element program [7] to aid the design of microfluidic devices made from this material. As a first attempt towards the goal of estimating the non-linear material parameters for PDMS from indentation experiments, we have conducted micro-indentation experiments using a spherical indenter-tip, and carried out corresponding numerical simulations to verify how well the numerically-predicted P(load-h(depth of indentation) curves compare with the corresponding experimental measurements. The results are encouraging, and show the possibility of estimating the material parameters for PDMS from relatively simple micro-indentation experiments, and corresponding numerical simulations.

A Multi-scale Model for Copper Dishing in Chemical-Mechanical Polishing

The present success in the manufacture of multi-layer interconnects in ultra-large-scale integration is largely due to the acceptable planarization capabilities of the chemical-mechanical polishing (CMP) process. In the past decade, copper has emerged as the preferred interconnect material. The greatest challenge in Cu CMP at present is the control of wafer surface non-uniformity at various scales. As the size of a wafer has increased to 300 mm, the wafer-level non-uniformity has assumed critical importance. Moreover, the pattern geometry in each die has become quite complex due to a wide range of feature sizes and multi-level structures. Therefore, it is important to develop a non-uniformity model that integrates wafer-, die- and feature-level variations into a unified, multi-scale dielectric erosion and Cu dishing model. In this paper, a systematic way of characterizing and modeling dishing in the single-step Cu CMP process is presented. The possible causes of dishing at each scale are identified in terms of several geometric and process parameters. The feature-scale pressure calculation based on the step-height at each polishing stage is introduced. The dishing model is based on pad elastic deformation and the evolving pattern geometry, and is integrated with the wafer- and die-level variations. Experimental and analytical means of determining the model parameters are outlined and the model is validated by polishing experiments on patterned wafers. Finally, practical approaches for minimizing Cu dishing are suggested.

Peeling, healing and bursting in a lubricated elastic sheet

We consider the dynamics of an elastic sheet lubricated by the flow of a thin layer of fluid that separates it from a rigid wall. By considering long wavelength deformations of the sheet, we derive an evolution equation for its motion, accounting for the effects of elastic bending, viscous lubrication and body forces. We then analyze various steady and unsteady problems for the sheet such as peeling, healing, levitating and bursting using a combination of numerical simulation and dimensional analysis. On the macro-scale, we corroborate our theory with a simple experiment, and on the micro-scale, we analyze an oscillatory valve that can transform a continuous stream of fluid into a series of discrete pulses.

Admission control schemes for TCP elastic traffic in class-based networks

En aquesta tesi proposem dos esquemes de xarxa amb control d'admissió per al trànsit elàstic TCP amb mecanismes senzills. Ambdós esquemes són capaços de proporcionar throughputs diferents i aïllament entre fluxos, on un "flux" es defineix com una seqüència de paquets relacionats dins d'una connexió TCP. Quant a l'arquitectura, ambdós fan servir classes de paquets amb diferents prioritats de descart, i un control d'admissió implícit, edge-to-edge i basat en mesures. En el primer esquema, les mesures són per flux, mentre que en el segon, les mesures són per agregat. El primer esquema aconsegueix un bon rendiment fent servir una modificació especial de les fonts TCP, mentre que el segon aconsegueix un bon rendiment amb fonts TCP estàndard. Ambdós esquemes han estat avaluats satisfactòriament a través de simulació en diferents topologies de xarxa i càrregues de trànsit.

Simplification, approximation and deformation of large models

The high level of realism and interaction in many computer graphic applications requires techniques for processing complex geometric models. First, we present a method that provides an accurate low-resolution approximation from a multi-chart textured model that guarantees geometric fidelity and correct preservation of the appearance attributes. Then, we introduce a mesh structure called Compact Model that approximates dense triangular meshes while preserving sharp features, allowing adaptive reconstructions and supporting textured models. Next, we design a new space deformation technique called *Cages based on a multi-level system of cages that preserves the smoothness of the mesh between neighbouring cages and is extremely versatile, allowing the use of heterogeneous sets of coordinates and different levels of deformation. Finally, we propose a hybrid method that allows to apply any deformation technique on large models obtaining high quality results with a reduced memory footprint and a high performance.

Life-cycle simulations of shallow frontal waves and the impact of deformation strain

The life-cycle of shallow frontal waves and the impact of deformation strain on their development is investigated using the idealised version of the Met Office non-hydrostatic Unified Model which includes the same physics and dynamics as the operational forecast model. Frontal wave development occurs in two stages; first, a deformation strain is applied to a front and a positive potential vorticity (PV) strip forms, generated by latent heat release in the frontal updraft; second, as the deformation strain is reduced the PV strip breaks up into individual anomalies. The circulations associated with the PV anomalies cause shallow frontal waves to form. The structure of the simulated frontal waves is consistent with the conceptual model of a frontal cyclone. Deeper frontal waves are simulated if the stability of the atmosphere is reduced. Deformation strain rates of different strengths are applied to the PV strip to determine whether a deformation strain threshold exists above which frontal wave development is suppressed. An objective method of frontal wave activity is defined and frontal wave development was found to be suppressed by deformation strain rates $\ge 0.4\times10^{-5}\mbox{s}^{-1}$. This value compares well with observed deformation strain rate thresholds and the analytical solution for the minimum deformation strain rate needed to suppress barotropic frontal wave development. The deformation strain rate threshold is dependent on the strength of the PV strip with strong PV strips able to overcome stronger deformation strain rates (leading to frontal wave development) than weaker PV strips.

The impact of deformation strain on the formation of banded clouds in idealized modeling experiments

Experiments are performed using an idealized version of an operational forecast model to determine the impact on banded frontal clouds of the strength of deformational forcing, low-level baroclinicity, and model representation of convection. Line convection is initiated along the front, and slantwise bands extend from the top of the line-convection elements into the cold air. This banding is attributed primarily to M adjustment. The cross-frontal spreading of the cold pool generated by the line convection leads to further triggering of upright convection in the cold air that feeds into these slantwise bands. Secondary low-level bands form later in the simulations; these are attributed to the release of conditional symmetric instability. Enhanced deformation strain leads to earlier onset of convection and more coherent line convection. A stronger cold pool is generated, but its speed is reduced relative to that seen in experiments with weaker deformational strain, because of inhibition by the strain field. Enhanced low-level baroclinicity leads to the generation of more inertial instability by line convection (for a given capping height of convection), and consequently greater strength of the slantwise circulations formed by M adjustment. These conclusions are based on experiments without a convective-parametrization scheme. Experiments using the standard or a modified scheme for this model demonstrate known problems with the use of this scheme at the awkward 4 km grid length used in these simulations. Copyright © 2008 Royal Meteorological Society

Deforming glassy polystyrene: Influence of pressure, thermal history, and deformation mode on yielding and hardening

The toughness of a polymer glass is determined by the interplay of yielding, strain softening, and strain hardening. Molecular-dynamics simulations of a typical polymer glass, atactic polystyrene, under the influence of active deformation have been carried out to enlighten these processes. It is observed that the dominant interaction for the yield peak is of interchain nature and for the strain hardening of intrachain nature. A connection is made with the microscopic cage-to-cage motion. It is found that the deformation does not lead to complete erasure of the thermal history but that differences persist at large length scales. Also we find that the strain-hardening modulus increases with increasing external pressure. This new observation cannot be explained by current theories such as the one based on the entanglement picture and the inclusion of this effect will lead to an improvement in constitutive modeling.

Variation in dynamic elastic shear modulus of sandstone upon fluid saturation and substitution

Experimental acoustic measurements on sandstone rocks at both sonic and ultrasonic frequencies show that fluid saturation can cause a noticeable change in both the dynamic bulk and shear elastic moduli of sandstones. We observed that the change in dynamic shear modulus upon fluid saturation is highly dependent on the type of saturant, its viscosity, rock microstructure, and applied pressures. Frequency dispersion has some influence on dynamic elastic moduli too, but its effect is limited to the ultrasonic frequency ranges and above. We propose that viscous coupling, reduction in free surface energy, and, to a limited extent, frequency dispersion due to both local and global flow are the main mechanisms responsible for the change in dynamic shear elastic modulus upon fluid saturation and substitution, and we quantify influences.