TY - CHAP A1 - Zischank, Wolfgang J. A1 - Kern, Alexander A1 - Frentzel, Ralf A1 - Heidler, Fridolin A1 - Seevers, M. T1 - Assessment of the lightning transient coupling to control cables interconnecting structures in large industrial facilities and power plants N2 - Large industrial facilities and power plants often require a huge number fo information and control cables between the differnet structures. These I&C-cables can be routed in reinforced concrete cable ducts or in isolated buried cable runs. KTA 2206 is the German lightning protection standard for nuclear power plants. During the last several years considerable effort has been made to revise this standard. Despite the well established principles and design guidelines for the construction of the lightning protection system, this standard puts special emphasis on the coupling of transient overvoltages to I&C-cables. KW - Blitzschutz KW - Elektromagnetische Kopplung KW - Überspannung KW - Kraftwerke KW - Industrieanlagen KW - Lightning KW - current distribution KW - electromagnetic coupling KW - overvoltages Y1 - 2000 ER - TY - CHAP A1 - Kern, Alexander T1 - Abschätzung des Blitzschadensrisikos für bauliche Anlagen - Die neue Bestimmung DIN V VDE V 0185 Teil 2 : 2002 - Allgemeines, Abschätzungsverfahren, Berechnungsbeispiele N2 - Ein vorausschauendes Risikomanagement beinhaltet, Risiken für das Unternehmen zu kalkulieren. Es liefert Entscheidungsgrundlagen, um diese Risiken zu begrenzen und es macht transparent, welche Risiken sinnvollerweise über Versicherungen abgedeckt werden sollten. Beim Versicherungsmanagement ist jedoch zu bedenken, dass zur Erreichung bestimmter Ziele Versicherungen nicht immer geeignet sind (z.B. Erhaltung der Lieferfähigkeit). Eintrittswahrscheinlichkeiten bestimmter Risiken lassen sich durch Versicherungen nicht verändern. Bei Unternehmen, die mit umfangreichen elektronischen Einrichtungen produzieren oder Dienstleistungen erbringen (und das sind heutzutage wohl die meisten), muss auch das Risiko durch Blitzeinwirkungen besondere Berücksichtigung finden. Dabei ist zu beachten, dass der Schaden aufgrund der Nicht-Verfügbarkeit der elektronischen Einrichtungen und damit der Produktion bzw. der Dienstleistung und ggf. der Verlust von Daten den Hardware-Schaden an der betroffenen Anlage oft bei weitem übersteigt. Im Blitzschutz gewinnt innovatives Denken in Schadensrisiken langsam an Bedeutung. Risikoanalysen haben die Objektivierung und Quantifizierung der Gefährdung von baulichen Anlagen und ihrer Inhalte durch direkte und indirekte Blitzeinschläge zum Ziel. Seinen Niederschlag hat dieses neue Denken in der neuen deutschen Vornorm DIN V 0185-2 VDE V 0185 Teil 2 [1] gefunden. Die hier vorgegebene Risikoanalyse gewährleistet, dass ein für alle Beteiligten nachvollziehbares Blitzschutz-Konzept erstellt werden kann, das technisch und wirtschaftlich optimiert ist, d.h. bei möglichst geringem Aufwand den notwendigen Schutz gewährleisten kann. Die sich aus der Risikoanalyse ergebenden Schutzmaßnahmen sind dann in den weiteren Normenteilen der neuen Reihe VDE V 0185 [2, 3] detailliert beschrieben. KW - Blitzschutz KW - Risikomanagement KW - Risikoabschätzung KW - Lightning protection KW - Risk management KW - Risk assessment Y1 - 2003 ER - TY - JOUR A1 - Kern, Alexander T1 - Risikomanagement für den Blitzschutz - Abschätzung des Blitzschadensrisikos nach der neuen Vornorm VDE V 0185 Teil 2 : 2002 N2 - Ein vorausschauendes Risikomanagement beinhaltet, Risiken zu kalkulieren. Es liefert Entscheidungsgrundlagen, um diese Risiken zu begrenzen und es macht transparent,welche Risiken sinnvoll über Versicherungen abgedeckt werden sollten. Bei Unternehmen, die mit umfangreichen elektronischenEinrichtungen produzieren oder Dienstleistungen erbringen (und das sind heutzutage wohl die meisten), muss auch das Risiko durch Blitzeinwirkungen besondere Berücksichtigung finden. Dabei ist zu beachten, dass der Schaden aufgrund der Nichtverfügbarkeit der elektronischen Einrichtungen und damit derProduktion bzw. der Dienstleistung und ggf. der Verlust von Daten den Hardwareschaden an der betroffenen Anlage oft bei weitem übersteigt. KW - Blitzschutz KW - Risikomanagement KW - Risikoabschätzung KW - Lightning protection KW - Risk management KW - Risk assessment Y1 - 2003 ER - TY - CHAP A1 - Kern, Alexander T1 - Risikomanagement : Abschätzung des Schadensrisikos für bauliche Anlagen - Die neue Vornorm DIN V VDE V 0185 Teil 2 : 2002 N2 - Alle Unternehmen sind vielfältigen Risiken ausgesetzt, die Finanz- und Betriebsbereiche einschließlich Dienstleistungen betreffen können. Die Firmen müssen üblicherweise Risiken eingehen, um im Wettbewerb bestehen zu können. Entscheidend ist, dass man sich über die Risiken bewusst ist, diese einschätzen und kontrollieren kann. Falsche Einschätzungen, Versäumnisse und Fehlentscheidungen können empfindliche finanzielle Schäden bis hin zum Totalverlust nach sich ziehen. Ein effektives Risikomanagement ist heute als wichtiger Sicherheitsfaktor anzusehen und sollte zur strategischen Unternehmensführung gehören. Ein vorausschauendes Risikomanagement beinhaltet, Risiken für das Unternehmen zu kalkulieren. Es liefert Entscheidungsgrundlagen, um diese Risiken zu begrenzen und es macht transparent, welche Risiken sinnvollerweise über Versicherungen abgedeckt werden sollten. Beim Versicherungsmanagement ist jedoch zu bedenken, dass zur Erreichung bestimmter Ziele Versicherungen nicht geeignet sind (z.B. Erhaltung der Lieferfähigkeit). Eintrittswahrscheinlichkeiten bestimmter Risiken lassen sich durch Versicherungen nicht verändern. Bei Unternehmen, die mit umfangreichen elektronischen Einrichtungen produzieren oder Dienstleistungen erbringen (und das sind heutzutage wohl die meisten), muss auch das Risiko durch Blitzeinwirkungen besondere Berücksichtigung finden. Dabei ist zu beachten, dass der Schaden aufgrund der Nicht-Verfügbarkeit der elektronischen Einrichtungen und damit der Produktion bzw. der Dienstleistung und ggf. der Verlust von Daten den Hardware-Schaden an der betroffenen Anlage oft bei weitem übersteigt. Im Blitzschutz gewinnt innovatives Denken in Schadensrisiken langsam an Bedeutung. Risikoanalysen haben die Objektivierung und Quantifizierung der Gefährdung von baulichen Anlagen und ihrer Inhalte durch direkte und indirekte Blitzeinschläge zum Ziel. Seinen Niederschlag hat dieses neue Denken in der neuen deutschen Norm DIN V 0185-2 VDE V 0185 Teil 2 gefunden. Die hier vorgegebene Risikoanalyse gewährleistet, dass ein für alle Beteiligten nachvollziehbares Blitzschutz-Konzept erstellt werden kann, das technisch und wirtschaftlich optimiert ist, d.h. bei möglichst geringem Aufwand den notwendigen Schutz gewährleisten kann. Die sich aus der Risikoanalyse ergebenden Schutzmaßnahmen sind dann in den weiteren Normenteilen der neuen Reihe VDE V 0185 detailliert beschrieben. KW - Blitzschutz KW - Risikomanagement KW - Risikoabschätzung KW - Versicherung KW - Lightning protection KW - Risk management KW - Risk assessment ; Insurance Y1 - 2002 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Direct FEM Limit and Shakedown Analysis with Uncertain Data N2 - The structural reliability with respect to plastic collapse or to inadaptation is formulated on the basis of the lower bound limit and shakedown theorems. A direct definition of the limit state function is achieved which permits the use of the highly effective first order reliability methods (FORM) is achieved. The theorems are implemented into a general purpose FEM program in a way capable of large-scale analysis. The limit state function and its gradient are obtained from a mathematical optimization problem. This direct approach reduces considerably the necessary knowledge of uncertain technological input data, the computing time, and the numerical error, leading to highly effective and precise reliability analyses. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Einspielen KW - FEM KW - Einspielanalyse KW - shakedown KW - limit load KW - reliability analysis KW - FEM KW - direct method Y1 - 2000 ER - TY - JOUR A1 - Vu, Duc-Khoi A1 - Staat, Manfred T1 - An algorithm for shakedown analysis of structure with temperature dependent yield stress N2 - This work is an attempt to answer the question: How to use convex programming in shakedown analysis of structures made of materials with temperature-dependent properties. Based on recently established shakedown theorems and formulations, a dual relationship between upper and lower bounds of the shakedown limit load is found, an algorithmfor shakedown analysis is proposed. While the original problem is neither convex nor concave, the algorithm presented here has the advantage of employing convex programming tools. KW - Einspielen KW - Temperaturabhängigkeit KW - Fließgrenze KW - Shakedown KW - shakedown analysis KW - yield stress Y1 - 2004 ER - TY - JOUR A1 - Kühn, Raoul-Roman A1 - Haugner, Werner A1 - Staat, Manfred A1 - Sponagel, Stefan T1 - A Two Phase Mixture Model based on Bone Observation N2 - An optimization method is developed to describe the mechanical behaviour of the human cancellous bone. The method is based on a mixture theory. A careful observation of the behaviour of the bone material leads to the hypothesis that the bone density is controlled by the principal stress trajectories (Wolff’s law). The basic idea of the developed method is the coupling of a scalar value via an eigenvalue problem to the principal stress trajectories. On the one hand this theory will permit a prediction of the reaction of the biological bone structure after the implantation of a prosthesis, on the other hand it may be useful in engineering optimization problems. An analytical example shows its efficiency. KW - Knochen KW - Knochenbildung KW - Knochenchirugie KW - Strukturanalyse KW - Schwammknochen KW - Knochendichte KW - Wolffsches Gesetz KW - bone structure KW - bone density KW - Wolff's Law KW - cancellous bone Y1 - 2004 ER - TY - JOUR A1 - Baroud, G. A1 - Wu, J.Z. A1 - Bohner, M A1 - Sponagel, Stefan A1 - Steffen, T. T1 - How to determine the permeability for cement infiltration into osteoporotic cancellous bone JF - Medical Engineering & Physics. 25 (2003), H. 4 N2 - Cement augmentation is an emerging surgical procedure in which bone cement is used to infiltrate and reinforce osteoporotic vertebrae. Although this infiltration procedure has been widely applied, it is performed empirically and little is known about the flow characteristics of cement during the injection process. We present a theoretical and experimental approach to investigate the intertrabecular bone permeability during the infiltration procedure. The cement permeability was considered to be dependent on time, bone porosity, and cement viscosity in our analysis. In order to determine the time-dependent permeability, ten cancellous bone cores were harvested from osteoporotic vertebrae, infiltrated with acrylic cement at a constant flow rate, and the pressure drop across the cores during the infiltration was measured. The viscosity dependence of the permeability was determined based on published experimental data. The theoretical model for the permeability as a function of bone porosity and time was then fit to the testing data. Our findings suggest that the intertrabecular bone permeability depends strongly on time. For instance, the initial permeability (60.89 mm4/N.s) reduced to approximately 63% of its original value within 18 seconds. This study is the first to analyze cement flow through osteoporotic bone. The theoretical and experimental models provided in this paper are generic. Thus, they can be used to systematically study and optimize the infiltration process for clinical practice. KW - Osteoporose KW - Permeabilität KW - Viskose Strömung KW - Viskosität KW - Vertebroplastie KW - Cement infiltration KW - Vertebroplasty KW - Osteoporosis KW - Permeability KW - Experiment KW - Analysis KW - Viscous flow Y1 - 2003 SN - 1350-4533 SP - 283 EP - 288 ER - TY - BOOK A1 - Merten, Sabine T1 - Verbesserung der Ausbildung in der Mikrosystemtechnik - virtuelle Labore bereiten auf die Herstellung realer Drucksensoren vor (2 Fassungen: konvertiert und original N2 - Die Ausbildung in Hochtechnologien wie beispielsweise der Mikrosystemtechnik ist oft durch einen hohen Grad an Komplexität charakterisiert. Damit verbunden sind hohe Kosten für die Errichtung und den Betrieb der speziellen Laborräume und ihre häufig geringe Verfügbarkeit für die Studierenden. Zukünftige Ingenieure sammeln während ihrer Ausbildung aus diesen Gründen nur in beschränktem Umfang praktische Erfahrungen. Die Industrie hingegen fordert Personal mit hoher fachlicher Kompetenz, also fundiertem theoretischen Wissen und umfangreichen praktischen Kenntnissen. Dieser Diskrepanz – qualifizierte Ingenieure auf der einen Seite und eine eher theoretisch ausgerichtete Ausbildung auf der anderen Seite – wird mit einem neuen Blended-Learning-Konzept für MST-Technologiepraktika begegnet. Lernende werden über ein virtuelles Labor, das einen echten Reinraum mit realen Anlagen simuliert, intensiv auf reale Laborpraktika vorbereitet. Dabei geht es im virtuellen Labor gleichermaßen um die Vermittlung von Theorie und Praxis. Nur trainierte Teilnehmer mit einer intensiven Vorbereitung sind in der Lage, relativ eigenständig ein echtes MST-Bauteil innerhalb des anschließenden einwöchigen Laborkurses zu fertigen. Die Wirksamkeit des Konzeptes und die Steigerung des Lernerfolges durch die kombinierten virtuellen und realen Laborkurse wurden im Rahmen der Dissertation begleitend untersucht. Die Ergebnisse flossen direkt in die Weiterentwicklung der Technologiepraktika ein. Die Konzepte und Erkenntnisse sind zudem sehr interessant für die Entwicklung von Blended-Learning-Angeboten in ähnlichen oder anderen Fachgebieten sowie für weitere Bildungseinrichtungen. (Die Dissertation liegt hier in 2 Fassungen vor: Die Originalfassung ist nur bei guter Rechnerausstattung und guter Netzanbindung nutzbar, die konvertierte Fassung ist unverändert, allerdings sind Qualitätseinbußen beim Ausdruck einiger Grafiken möglich) N2 - Education in high technologies, like e.g. Microsystems technology, is usually characterized by a high degree of complexity. In addition it is usually connected with large economic efforts for invest, operation and maintenance of the special laboratory facilities. The access to such facilities for educational purposes is often quite limited. Therefore engineering students rather rarely gather practical experience in such technologies during their university studies. In contrast, industry has a large demand for engineers with high professional competence, i.e. profound theoretical knowledge combined with substantial practical experience. The newly developed blended learning concept for MST laboratory training tries to bridge the gap between the need for qualified engineers and the more theoretical university education. The learners prepare intensively for real hands-on clean room trainings with a virtual technology laboratory, i.e. a computer simulation of the clean room machines and the corresponding processes. In the virtual technology laboratory the students brush up their theoretical knowledge and at the same time learn to operate the complex clean room machines. Only well trained and intensively prepared students are capable to produce a fully functional MST component within a compact clean room laboratory course of only one week duration and an only modest amount of supervision. The effectivity of this concept and the increase of the learning success due to the specific mixture of virtual and real laboratory sessions has been accompanied and analysed by this dissertation. The results have been used to further improve the laboratory courses. Concepts and results are also very attractive for comparable blended learning proposals in other technical disciplines. KW - Mikrosystemtechnik KW - Virtuelles Laboratorium KW - Lernprogramm KW - Hochschule / Lehre / Evaluation KW - Computersimulation KW - Drucksensor KW - Blended-Learning KW - Reinraumpraktikum KW - blended learning KW - hands-on cleanroom training Y1 - 2005 N1 - Zugl.: Saarbrücken, Univ., Diss., 2005 ER - TY - CHAP A1 - Gebhardt, Andreas A1 - Schmidt, Frank-Michael T1 - Farbige Prototypen als Werkzeug für den Konstrukteur T1 - Colored prototypes as instrument for the constructing engineer N2 - Physische Prototypen, also Anschauungs- und Funktionsmodelle nach den generativen oder Rapid Prototyping (RP) Verfahren haben sich in diesem Zusammenhang vor allem als Hilfsmittel zur effektiven Kommunikation und zur Evaluierung von Produkteigenschaften einen festen Platz in der Produktentstehung erworben. Die positiven Effekte der etablierten RP Verfahren sind unumstritten. Einfachere, schnellere und wirtschaftlichere Maschinen (Prototyper, Fabrikator), vor allem auch für die Büroumgebung, geben neue Impulse im Sinne der Optimierung der heutigen Verfahren. Eine neue Dimension verspricht die Option „Farbe“ der bisher fast ausschließlich monochromen Modelle. Ist Farbe nur „nice to have“ oder welchen Effekt haben farbige Modelle als Werkzeug von Konstrukteuren und Produktenwicklern? Welche Perspektiven bietet „Farbe“ darüber hinaus? KW - Prototyping KW - Rapid prototyping KW - Prototypen KW - Funktionsmodelle KW - Produktentstehung KW - Prototyper KW - Produktenwicklung KW - prototypes KW - working models KW - product emergence KW - prototyper KW - product development Y1 - 2005 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Cyclic plastic deformation tests to verify FEM-based shakedown analyses N2 - Fatigue analyses are conducted with the aim of verifying that thermal ratcheting is limited. To this end it is important to make a clear distintion between the shakedown range and the ratcheting range (continuing deformation). As part of an EU-supported research project, experiments were carried out using a 4-bar model. The experiment comprised a water-cooled internal tube, and three insulated heatable outer test bars. The system was subjected to alternating axial forces, superimposed with alternating temperatures at the outer bars. The test parameters were partly selected on the basis of previous shakedown analyses. During the test, temperatures and strains were measured as a function of time. The loads and the resulting stresses were confirmed on an ongoing basis during performance of the test, and after it. Different material models were applied for this incremental elasto-plastic analysis using the ANSYS program. The results of the simulation are used to verify the FEM-based shakedown analysis. KW - Materialermüdung KW - Einspielen KW - Materialermüdung KW - shakedown analyses KW - thermal ratcheting KW - fatigue analyses Y1 - 2001 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Local and global collapse pressure of longitudinally flawed pipes and cylindrical vessels N2 - Limit loads can be calculated with the finite element method (FEM) for any component, defect geometry, and loading. FEM suggests that published long crack limit formulae for axial defects under-estimate the burst pressure for internal surface defects in thick pipes while limit loads are not conservative for deep cracks and for pressure loaded crack-faces. Very deep cracks have a residual strength, which is modelled by a global collapse load. These observations are combined to derive new analytical local and global collapse loads. The global collapse loads are close to FEM limit analyses for all crack dimensions. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Grenzwertberechnung KW - Axialbelastung KW - FEM KW - Grenzwertberechnung KW - Axialbelastung KW - Traglastanalyse KW - Limit analysis KW - Global and local collapse KW - Axially cracked pipe KW - Pressure loaded crack-face Y1 - 2005 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Direct finite element route for design-by-analysis of pressure components N2 - In the new European standard for unfired pressure vessels, EN 13445-3, there are two approaches for carrying out a Design-by-Analysis that cover both the stress categorization method (Annex C) and the direct route method (Annex B) for a check against global plastic deformation and against progressive plastic deformation. This paper presents the direct route in the language of limit and shakedown analysis. This approach leads to an optimization problem. Its solution with Finite Element Analysis is demonstrated for mechanical and thermal actions. One observation from the examples is that the so-called 3f (3Sm) criterion fails to be a reliable check against progressive plastic deformation. Precise conditions are given, which greatly restrict the applicability of the 3f criterion. KW - Einspielen KW - Plastizität KW - Deformation KW - Analytischer Zulaessigkeitsnachweis KW - Einspiel-Analyse KW - fortschreitende plastische Deformation KW - alternierend Verformbarkeit KW - Einspiel-Kriterium KW - Design-by-analysis KW - Shakedown analysis KW - Progressive plastic deformation KW - Alternating plasticity KW - Shakedown criterion Y1 - 2005 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Shakedown and ratchetting under tension-torsion loadings: analysis and experiments N2 - Structural design analyses are conducted with the aim of verifying the exclusion of ratchetting. To this end it is important to make a clear distinction between the shakedown range and the ratchetting range. The performed experiment comprised a hollow tension specimen which was subjected to alternating axial forces, superimposed with constant moments. First, a series of uniaxial tests has been carried out in order to calibrate a bounded kinematic hardening rule. The load parameters have been selected on the basis of previous shakedown analyses with the PERMAS code using a kinematic hardening material model. It is shown that this shakedown analysis gives reasonable agreement between the experimental and the numerical results. A linear and a nonlinear kinematic hardening model of two-surface plasticity are compared in material shakedown analysis. KW - Einspielen KW - Einspielen KW - Ratchetting KW - Zug-Druck Belastung KW - shakedown KW - ratchetting KW - tension–torsion loading Y1 - 2003 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - Basis Reduction for the Shakedown Problem for Bounded Kinematic Hardening Material N2 - Limit and shakedown analysis are effective methods for assessing the load carrying capacity of a given structure. The elasto–plastic behavior of the structure subjected to loads varying in a given load domain is characterized by the shakedown load factor, defined as the maximum factor which satisfies the sufficient conditions stated in the corresponding static shakedown theorem. The finite element dicretization of the problem may lead to very large convex optimization. For the effective solution a basis reduction method has been developed that makes use of the special problem structure for perfectly plastic material. The paper proposes a modified basis reduction method for direct application to the two-surface plasticity model of bounded kinematic hardening material. The considered numerical examples show an enlargement of the load carrying capacity due to bounded hardening. KW - Finite-Elemente-Methode KW - Einspielen KW - Basis Reduktion KW - konvexe Optimierung KW - FEM KW - Druckgeräte KW - Basis reduction KW - Convex optimization KW - FEM KW - Shakedown analysis Y1 - 2000 ER - TY - CHAP A1 - Staat, Manfred T1 - Design by Analysis of Pressure Components by non-linear Optimization N2 - This paper presents the direct route to Design by Analysis (DBA) of the new European pressure vessel standard in the language of limit and shakedown analysis (LISA). This approach leads to an optimization problem. Its solution with Finite Element Analysis is demonstrated for some examples from the DBA-Manual. One observation from the examples is, that the optimisation approach gives reliable and close lower bound solutions leading to simple and optimised design decision. KW - Analytischer Zulaessigkeitsnachweis KW - FEM KW - Einspiel-Analyse KW - design-by-analysis KW - finite element analysis KW - limit and shakedown analysis Y1 - 2003 ER - TY - JOUR A1 - Staat, Manfred T1 - LISA - a European project for FEM-based limit and shakedown analysis N2 - The load-carrying capacity or the safety against plastic limit states are the central questions in the design of structures and passive components in the apparatus engineering. A precise answer is most simply given by limit and shakedown analysis. These methods can be based on static and kinematic theorems for lower and upper bound analysis. Both may be formulated as optimization problems for finite element discretizations of structures. The problems of large-scale analysis and the extension towards realistic material modelling will be solved in a European research project. Limit and shakedown analyses are briefly demonstrated with illustrative examples. KW - Einspielen KW - Traglast KW - Finite-Elemente-Methode KW - Traglastanalyse KW - Einspielanalyse KW - FEM KW - limit analysis KW - shakedown analysis Y1 - 2001 ER -