Abschluss- und Studienarbeiten

Der Lehrstuhl für Stahlbau und Stahlverbundbau bietet ganzjährlich Abschluss- und Studienarbeiten zur Bearbeitung an. Die Arbeiten thematisieren aktuelle Forschungsbereiche des Lehrstuhls sowie praxisrelevante Themen.

Auf dieser Website stehen zahlreiche Beispiele für potenzielle Themen für Abschluss- und Studienarbeiten zur Verfügung. Die Abschluss- und Studienarbeiten sind in die folgenden Themenkomplexe unterteilt:

Wir bieten auch die Option, Vorschläge für weitere Themen einzureichen und/oder Themen in Zusammenarbeit mit Unternehmen zu entwickeln.

Fragen Sie einfach unverbindlich nach aktuellen Themen!

1. Stahlbau / Stahlverbundbau

Thematik 1.1: 

Bemessung von Lochstegträgern

Der Begriff „Lochstegträger“ bzw. „Träger mit großen Stegöffnungen“ umfasst alle Arten von Stahl- und Stahlverbundträgern mit I-Profilen, die aus ästhetischen oder technischen Gründen mit Stegöffnungen versehen sind. Diese Träger werden traditionell nach einem der beiden folgenden Verfahren hergestellt:

Diese Lochstegträger sind im Stahl- und Verbundbau immer häufiger anzutreffen, allerdings berücksichtigen die aktuellen Eurocodes den Einfluss der Stegöffnungen auf die Bemessung dieser Träger bisher nicht implizit. Daher wird zur Zeit der neue Eurocode EN 1993-1-13 zur Bemessung von Lochstegträgen entwickelt, welcher in den nächsten Jahren bauaufsichtlich zugelassen werden soll.

Auf dieser Grundlage ergeben sich mehrere Themen für Abschlussarbeiten. Die Ergebnisse dieser Arbeiten sollen direkt (oder über den Umweg von Forschungsprojekten) in die Normung einfließen, um so z.B. den Anwendungsbereich der DIN EN 1993-1-13 zu vergrößern oder die Anwendung zu vereinfachen.

A: Stabilitätsversagen der Stegpfosten von Lochstegträgern bei nicht-einheitlicher Stegdicke nach DIN EN 1993-1-13
Im Falle eng beieinanderliegender Stegöffnungen ist ein Stabilitätsnachweis sowie ein Querschnittsnachweis für den Stegpfosten zu führen. Hierzu macht die DIN EN 1993-1-13 z.B. Vorgaben in Bezug auf die anzuwendende Knicklinie, die anzusetzende Knicklänge sowie die zu berücksichtigende Stegpfostenbreite.

Wird ein Lochstegträger mit einer Reihe runder Öffnungen aus zwei unterschiedlichen T-Querschnitten (mit unterschiedlichen Stegdicken und / oder unterschiedlichen Streckgrenzen) gefertigt, sollte die wirksame Stegdicke für die Berechnung des Schlankheitsgrades des Stegpfostens in aus dem Mittelwert der Stegdicke über und unter der Mittellinie der Öffnung ermittelt werden, λ₁ wird anhand des Mittelwerts der Streckgrenzen bestimmt.
Diese Vorgabe gilt es im Rahmen der Arbeit zu untersuchen. Hierzu ist der Lochstegträger in FE abzubilden, um numerisch die kritische Knicklast zu ermitteln. Diese ist sodann mit der nach DIN EN 1993-1-13 ermittelten Knicklast zu vergleichen.

B: Globales Verformungsverhalten von Lochstegträgern nach DIN EN 1993-1-13
Große Stegöffnungen führen zu zusätzlichen Biege- und Schubverformungen, die mit einem geeigneten Verfahren auf der Grundlage elastischer Prinzipien berechnet werden sollen. Für Standardfälle wie gleichmäßig belastete Einfeldträger mit mehreren gleichmäßig verteilten runden oder sechseckigen Öffnungen werden in der DIN EN 1993-1-13 jedoch Gleichungen für Näherungslösungen vorgestellt, welche im Rahmen der Bemessung angewendet werden können.

Diese gilt es im Rahmen der Arbeit zu untersuchen. Hierzu ist der Lochstegträger in FE abzubilden, um globale Durchbiegung unter einer Gleichstreckenlast zu untersuchen. Diese numerisch ermittelte Durchbiegung ist anschließend mit der nach DIN EN 1993-1-13 ermittelten Durchbiegung zu vergleichen.

C: Stabilitätsversagen der T-Profile nach DIN EN 1993-1-13
Für die Stegöffnungen der Lochstegträger müssen nach DIN EN 1993-1-13 verschiedene Stabilitätsnachweise geführt werden. So muss etwa für lange Öffnungen die Stabilität des druckbeanspruchten T-Profils ("oberer Flansch") nach DIN EN 1993-1-1 nachgewiesen werden. Der Bemessungswert des Biegeknickwiderstands N_b,Rd des druckbeanspruchten T-Profils wird hierbei für eine Knicklänge von 0,5a_eff ermittelt. Diese Knicklänge lässt sich aus der angenommenen Knickfigur ableiten (siehe folgende Abbildung), welche sich jedoch nur einstellt, wenn der Träger maßgeblich biegebeansprucht ist.

D: Lokales Verformungsverhalten von Lochstegträgern nach DIN EN 1993-1-13
Große Stegöffnungen führen zu zusätzlichen Biege- und Schubverformungen, die mit einem geeigneten Verfahren auf der Grundlage elastischer Prinzipien berechnet werden sollen. Zur Ermittlung der zusätzlichen Schubverformung im Bereich einer rechteckigen, länglichen Stegöffnung aufgrund der Vierendeel-Biegung wird eine Näherungslösungen vorgestellt, welche im Rahmen der Bemessung angewendet werden kann.
Diese gilt es im Rahmen der Arbeit zu untersuchen. Hierzu ist der Lochstegträger in FE abzubilden, um lokale Schubverformung unter einer Gleichstreckenlast zu untersuchen. Diese numerisch ermittelte Verformung ist anschließend mit der nach DIN EN 1993-1-13 ermittelten Verformung zu vergleichen. 

E: Entwicklung eines Excel-Tools zur Bemessung von Lochstegträgern nach DIN EN 1993-1-13
Die DIN EN 1993-1-13 enthält ergänzende Bestimmungen, die den Anwendungsbereich von DIN EN 1993-1-1 und DIN EN 1993-1-5 um die Bemessung und Konstruktion von gewalzten und geschweißten Stahlprofilen mit verschiedenen Formen von Stegöffnungen erweitern.
Hierzu werden detaillierte Bemessungsregeln bzw. -gleichungen angegeben, welche im Grenzzustand der Tragfähigkeit (GZT) sowie im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (GZG) Anwendung finden.
Auf Basis dieser Bemessungsregeln ist ein Excel-Tool zu erstellen und zu validieren. Die Validierung kann auf Grundlage von Beispielrechnungen erfolgen, welche zur Bearbeitung der Aufgabe zur Verfügung gestellt werden.

Teilbereich: Mechanik

Geeignet als: Bachelor- und Masterarbeit, Studienarbeit

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Daniel Pak

Thematik 1.2: 

Erstellung eines numerischen Modells zur Simulation des Verzugs von metallischen Strukturen bei der Feuerverzinkung

Diese Abschlussarbeit widmet sich der Entwicklung eines numerischen Modells zur Simulation des Verzugs metallischer Strukturen während des Prozesses der Feuerverzinkung. Die Feuerverzinkung ist ein bedeutendes Verfahren zur Korrosionsschutzbeschichtung von Metallkomponenten, das jedoch häufig mit unerwünschtem Verzug verbunden ist. Das Ziel dieser Arbeit ist die Schaffung eines detaillierten Modells, um das Verzugsverhalten besser zu verstehen und zukünftige Verzugsrisiken zu minimieren.

Die Arbeit beginnt mit einer Literaturrecherche, die Einblicke in die Mechanismen des Verzugs bei der Feuerverzinkung, relevante Materialverhalten bei hohen Temperaturen und vorhandene Simulationsansätze bietet. Auf dieser Grundlage soll ein numerisches Modell entwickelt werden, welches verschiedene Paramter wie beispielsweise die thermische Ausdehnung, Wärmeleitung und mechanische Deformation der metallischen Strukturen während des Verzinkungsprozesses berücksichtigt. Dabei soll der Fokus auf die thermische Belastung infolge des Temperaturgradienten liegen, welcher durch die Aufwärmung (infolge Verzinken) und Abkühlung innerhalb der metallischen Struktur entsteht.

Das entwickelte numerische Modell soll dafür Verwendung finden, um verschiedene Aspekte zu analysieren, darunter Prozessparameter wie Aufheizrate, Verzinkungstemperatur und Abkühlrate. Es wird angestrebt, die Simulationsergebnisse mit realen Verzugsdaten aus eigenständigen, kleinmaßstäblichen Feuerverzinkungsversuchen zu validieren, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Modells sicherzustellen. Die experimentellen Versuche werden in Zusammenarbeit mit der Firma ZINQ GmbH & Co. KG durchgeführt.

Abschließend sollen anhand der Modellergebnisse Optimierungsvorschläge erarbeitet werden, die darauf abzielen, den Verzugsgrad während der Feuerverzinkung zu minimieren und somit die Qualität und Integrität der metallischen Strukturen zu verbessern.
Die Ergebnisse dieser Abschlussarbeit können dazu beitragen, ein fundiertes Verständnis für das Verzugsverhalten von metallischen Strukturen bei der Feuerverzinkung zu entwickeln. Das numerische Modell soll eine gezielte Analyse von Einflussfaktoren und ggf. die Prozessoptimierung ermöglichen, um hochwertige, verzugsärmere Produkte im Rahmen der Feuerverzinkung herzustellen.

Themengebiet: Simulation / Mechanik

Geeignet als: Bachelor- und Masterarbeit

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Sahm

Thematik 1.3: 

Visualisierung, Berechnung und Optimierung einer Brücke in Verbundbauweise durch Einsatz von BIM und Sofistik

Die Verbundbrücke, eine Konstruktion, die die Vorteile von Stahl und Beton kombiniert, hat sich als eine Schlüsseltechnologie im modernen Brückenbau etabliert. Diese Art von Brücke ist besonders für ihre hohe Tragfähigkeit, Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit bekannt und wird daher häufig für große Spannweiten und in Bereichen eingesetzt, in denen hohe Lasten zu erwarten sind. Die Fähigkeit, die strukturellen Stärken von Stahl und Beton effektiv zu vereinen, macht Verbundbrücken zu einer bevorzugten Wahl für viele Ingenieure und Tragwerksplanern.

Jedoch bringt die Planung und Konstruktion von Verbundbrücken auch spezifische Herausforderungen mit sich. Die komplexe Interaktion zwischen den unterschiedlichen Materialien erfordert präzise Berechnungen und sorgfältige Planung, um die Sicherheit und Funktionalität der Struktur zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang spielt die Anwendung von modernen Technologien wie Building Information Modeling (BIM) und spezialisierten Softwaretools wie dem SOFiSTiK Bridge + Infrastructure Modeler eine entscheidende Rolle. Durch die Nutzung dieser fortschrittlichen Werkzeuge können Ingenieure und Planer nicht nur die strukturellen Aspekte der Brücke präzise modellieren und berechnen, sondern auch die Effizienz und Genauigkeit des gesamten Planungsprozesses verbessern.

Diese Arbeit zielt darauf ab, die Vorteile und Herausforderungen, die mit der Planung und Konstruktion von Verbundbrücken verbunden sind, im Kontext der Verwendung von BIM und des spezifischen Softwaretools SOFiSTiK Bridge + Infrastructure Modeler zu untersuchen. Dafür soll eine Brücke in Verbundbauweise mit Hilfe von SOFiSTiK entwickelt, berechnet und visualisert werden. Dadurch soll ein tieferes Verständnis für die Komplexität dieser Bauwerke entwickelt und Wege aufgezeigt werden, wie moderne Technologien zur Optimierung des Planungs- und Konstruktionsprozesses beitragen können.

Themengebiet: Verbundbrückenbau / Simulation / BIM

Geeignet als: Studien- und Masterarbeit

Ansprechpartner: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Daniel Pak

2. Bauwerksüberwachung / Programmierung

Thematik 2.1: 

Entwicklung und Validierung einer Methode zur automatisierten Zustandsüberwachung von Schienenstützpunkten mit piezoelektrischen Sensoren

Im Rahmen dieser Masterarbeit soll eine Methode zur automatisierten Zustandsüberwachung von Schienenstützpunkten (SSP) entwickelt und validiert werden. Die Schienenstützpunkte (SSPs) dienen der Befestigung der Schienen auf den Schwellen oder der festen Fahrbahn und leiten Lasten in den Untergrund weiter. Hierbei kommt häufig das Elastic Clip Fastener (ECF) System zum Einsatz, bestehend aus einer stählernen Rippenplatte, auf der die Schiene verspannt wird. Um Körperschall und Vibrationen zu minimieren, liegt die Rippenplatte auf einer elastischen Zwischenplatte und wird durch geeignete Befestigungsmittel mit dem Bauwerk verbunden. Bei Stahlfahrbahnplatten werden aufgeschweißte Gewindebolzen verwendet. Für vor Ort gefertigte Fahrwege sind spezielle Grundplatten oder Mörteluntergüsse erforderlich, die eine präzise Ausrichtung der SSPs ermöglichen. Bei Stahlbrücken erfolgt die Verbindung mit Gewindebolzen durch Lichtbogenbolzenschweißen. Die Funktionalität der SSPs muss über die gesamte Lebensdauer sichergestellt werden, gegebenenfalls durch Sanierungsmaßnahmen. Das Versagen eines einzelnen Bolzens führt zu einer Kräfteumlagerung innerhalb des SSPs, wodurch die verbleibenden Bolzen zusätzliche Belastung erfahren. Dies beeinträchtigt ihre Lebensdauer und kann zu einer Kettenreaktion im SSP führen. Falls alle Bolzen versagen, kann der SSP nicht mehr für den horizontalen Lastabtrag genutzt werden, und die Lasten verteilen sich auf benachbarte SSPs. Daraus folgt, dass nach und nach alle Stützpunkte für die Schienen versagen.

Innerhalb der Masterarbeit sollen eigenständig konzipierte Laborversuche an einem bereitgestellten SSP durchgeführt werden. Ziel ist es, Algorithmen zu entwickeln, die eine belastbare Aussage über den Zustand des Schienenstützpunktes ermöglichen. Der Fokus der Experimente liegt primär auf der Überwachung von Rissen an den Verbindungsstellen zwischen Grundplatte und Bolzen.

Diese Arbeit bietet die Möglichkeit, einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Sicherheit und Zuverlässigkeit im Schienenverkehr zu leisten, indem innovative Methoden zur Früherkennung potenzieller Schäden an Schienenstützpunkten erforscht und entwickelt werden.

Teilbereich: Bauwerksüberwachung

Geeignet als: Masterarbeit

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Sahm

Thematik 2.2: 

Entwicklung eines numerischen Modells zur Untersuchung der Detektion von ermüdungsinduzierter Risskeimbildung in metallischen Strukturen mithilfe von polarisierten mechanischen Wellen

Der Inhalt der Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung eines numerischen Modells zur Untersuchung der Detektion von ermüdungsinduzierter Risskeimbildung in metallischen Strukturen unter Verwendung polarisierter mechanischer Wellen. Die Ermüdungsschädigung von metallischen Strukturen ist im Ingenieurwesen von großer Bedeutung, besonders in Bereichen mit zyklischen Belastungen, wie in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau, im Brücken- und Hochbau sowie in der Energietechnik. Sie beeinflusst die Lebensdauer, Sicherheit und Zuverlässigkeit von Konstruktionen und Komponenten entscheidend.

Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, ein numerisches Modell zu entwickeln, das die Interaktion von polarisierten mechanischen Wellen mit potenziellen Risskeimen in metallischen Strukturen simuliert. Hierbei werden die charakteristischen Eigenschaften der Wellen und deren Wechselwirkung mit den Risskeimen analysiert, um mögliche Anzeichen für Rissbildung frühzeitig zu identifizieren. Durch die Implementierung geeigneter Materialmodelle und Randbedingungen können Simulationen durchgeführt werden, um das Verhalten der polarisierten mechanischen Wellen in der Nähe von Risskeimen zu untersuchen.
Die gewonnenen Erkenntnisse aus dem numerischen Modell sind von hoher Bedeutung für die zerstörungsfreie Prüfung (NDT) von metallischen Strukturen. Die Simulationen ermöglichen es, verschiedene Szenarien zu analysieren und den Einfluss von Parametern wie Rissgröße, Orientierung und Umgebungseinflüssen zu bewerten.

Teilbereich: Wellenausbreitung

Geeignet als: Masterarbeit

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Sahm

Thematik 2.3: 

Entwicklung eines Verfahrens zur Klassifikation der Zugüberfahrten anhand von experimentell erfassten Schienendeformationen

Die Eisenbahnüberführung EÜ Halenseestraße führt die Autobahn A100 im Westen Berlins. Im Rahmen eines mehrjährigen Brückenmonitorings werden auf der Brücke die Schienenverformungen während jeder Zugüberfahrt in Abständen von 1,2 m gemessen und ausgewertet. Die gemessenen Verformungen werden mit den vorhergesagten Verformungen der "intakten" Brücke verglichen, um Rückschlüsse auf den Zustand der Schienenbefestigungen zu ziehen. Die zu prognostizierenden Verformungen sind stark abhängig von der Geschwindigkeit der Überfahrt, den Achslasten und den Achsabständen der Züge.

Obwohl diese Werte nicht direkt gemessen werden können, lassen sie sich aus anderen Messdaten ableiten. Für die Ermittlung der Achsabstände, der Biegemomente, die auf die Schiene einwirken sowie der Zuggeschwindigkeit sind bereits Analyse-Algorithmen vorhanden. Für eine weiterführende Auswertung der Daten müssen die überfahrenden Züge in Kategorien unterteilt werden.

Die anzufertigende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Algorithmus zur Klassifikation der überfahrenden Züge anhand der ermittelten Schienenverformung, um das zugklassenindividuelle Schädigungspotential bewerten zu können sowie dessen Validierung anhand aufgezeichneter Referenz- und Testdaten.

Es soll ein Flussdiagramm erarbeitet werden, in dem der Programmablauf des zu entwickelnden, Python-basierten Algorithmus dargestellt wird. Es werden die Verfahren zur Bestimmung der Zuggeschwindigkeit, der Achsabstände, der Achslasten sowie für den Abgleich mit der Zugklassendatenbank identifiziert und die programmiertechnische Umsetzung dieser in Unterfunktionen konzipiert.

Teilbereich: Überwachung / Programmierung

Geeignet als: Master- und Bachelorarbeit

Ansprechpartner: Sebastian Korte, M.Sc.

Thematik 2.4: 

Entwicklung eines numerischen Modells zur Simulation der Beschleunigung von Schienenstützpunkten während Zugüberfahrten

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines numerischen Modells (z. B. mit Comsol Multiphysics, Simulia Abaqus) zur Simulation der Beschleunigung von Schienenstützpunkten während Zugüberfahrten. Schienenstützpunkte spielen eine zentrale Rolle in der Stabilität und Sicherheit von Eisenbahninfrastrukturen, und die dynamischen Belastungen während Zugüberfahrten können ihre Lebensdauer und Integrität beeinflussen.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein zuverlässiges Simulationsmodell zu erstellen, das die komplexen physikalischen Prozesse während Zugüberfahrten berücksichtigt. Dabei werden Faktoren wie Zugmasse, Geschwindigkeit, Geometrie der Schienenstützpunkte und elastische Eigenschaften der Materialien berücksichtigt.

Durch die Simulation der Beschleunigung an Schienenstützpunkten können kritische Bereiche identifiziert und das Verhalten der Strukturen unter realistischen Belastungsbedingungen besser verstanden werden. Die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen es, potenzielle Schwachstellen zu erkennen und gezielte Optimierungsmaßnahmen vorzuschlagen, um die Lebensdauer der Schienenstützpunkte zu verlängern und ihre Leistungsfähigkeit zu steigern.

Teilbereich: Numerische Simulation

Geeignet als: Master- und Bachelorarbeit

Ansprechpartner: Sebastian Korte, M.Sc.

Thematik 2.5: 

Entwicklung eines numerischen Modells zur Detektion von Korrosion von metallischen Strukturen mittel piezoelektrischer Sensoren

Die Masterarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines numerischen Modells zur Detektion von Korrosion in metallischen Strukturen unter Verwendung von piezoelektrischen Sensoren. Das Modell soll in der Lage sein, Veränderungen in den mechanischen Eigenschaften des Metalls, die durch Korrosionsprozesse verursacht werden, zu erkennen und zu interpretieren.

Zunächst sollen die theoretischen Grundlagen der Interaktion zwischen mechanischen Wellen und korrodierenden metallischen Oberflächen untersucht werden. Anschließend soll ein detailliertes numerisches Modell entwickelt werden, das die Reaktionen von mechanischen Wellen auf verschiedene Stadien und Formen der Korrosion simuliert. Dieses Modell soll durch eine Reihe von Simulationen getestet werden, um seine Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu überprüfen. Für die Simulationen werden verschiedene Korrosionsszenarien und Umweltbedingungen integriert.

Abschließend wird das entwickelte Modell kritisch bewertet, wobei sowohl seine Stärken als auch mögliche Einschränkungen diskutiert werden. Darauf aufbauend werden Empfehlungen für zukünftige Forschungsarbeiten gegeben, die darauf abzielen, die Genauigkeit und Anwendbarkeit des Modells weiter zu verbessern.
Zusammenfassend kann diese Masterarbeit einen Beitrag zur Entwicklung von Methoden zur Früherkennung von Korrosion in metallischen Strukturen leisten und eröffnet neue Möglichkeiten für die Anwendung von piezoelektrischer Sensortechnologie in diesem wichtigen Bereich.

Teilbereich: Metallkunde / Bauwerksüberwachung

Geeignet als: Masterarbeit

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Sahm

Thematik 2.6: 

Einfluss von verschiedenen Parametern auf die numerische Integration von experimentell ermittelten Beschleunigungsdaten

Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung des Einflusses verschiedener Parameter auf die numerische Integration von Daten aus dreiaxialen Beschleunigungssensoren. Hierzu soll ein eigenständiger Versuchsaufbau entwickelt werden, um experimentelle Daten zu generieren und diese unter Variation der Parameter zu analysieren.

Die Parameter, die untersucht werden, umfassen beispielsweise die Abtastrate des Sensors und die Auswahl des Integrationsalgorithmus. Die Auswirkungen dieser Parameter auf die Genauigkeit der numerischen Integration werden systematisch analysiert. Ein wichtiger Aspekt der Arbeit besteht darin, die (integrierten) experimentellen Daten für Beschleunigung, Geschwindigkeit und Weg mit den entsprechenden analytisch bestimmten Lösungen zu vergleichen. Hierdurch sollen die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der numerischen Integration evaluiert werden.

Ein Ziel der Arbeit ist es, optimale Konfigurationen für die numerische Integration zu ermitteln, die zu einer bestmöglichen Übereinstimmung mit den analytischen Lösungen führen. Die Ergebnisse werden einen wertvollen Beitrag dazu leisten, die Integration von Beschleunigungsdaten in verschiedenen Anwendungsbereichen zu verbessern und die Leistung und Genauigkeit der Systeme zu optimieren.

Themengebiet: Sensorik / Programmierung

Geeignet als: Master- und Bachelorarbeit

Ansprechpartner: Sebastian Korte, M.Sc. / Dr.-Ing. Daniel Sahm

3. Metallkunde / Technische Physik

Thematik 3.1: 

Einfluss von nicht orthogonal zu den magnetischen Äquipotentiallinien verlaufende Verschiebung auf die elektrische Spannung eines magnetoinduktiven Wegsensors

Die quantitative Erfassung der Relativverschiebung zwischen zwei Objekten bildet einen großen Bereich im Ingenieurwesen. Insbesondere bei der Analyse von Strukturzuständen ist die Kinematik der untersuchten Strukturen unter variierenden Einflussfaktoren (z. B. mechanische Belastung) ein wichtiges Maß bei der Beurteilung des Zustandes der Struktur. Aufgrund des breiten Anwendungsgebietes gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Methoden zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Objekten. Die Messsituation mit den vorliegenden Parametern (z. B. elektrisches leitendes Target, para- dia- oder ferromagnetisch umliegende Objekte, benötigte Messgenauigkeit, Größe des Messfleckes etc.) bestimmen im Wesentlichen die Wahl der anwendbaren Messmethode(n).

Eine Möglichkeit zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Objekten ist die Messung mit Hilfe von magneto-induktiven Wegsensoren. Die Messmethode findet bereits in einem Projekt des Lehrstuhls für Stahlbau und Stahlverbundbau Verwendung, wo die Veränderung des Abstandes zwischen Schiene und Entgleisungsschutz bei Zugüberfahrten detektiert wird.  Bei diesem Messprinzip misst der Sensor mit hoher Dynamik den Abstand zu einem Magneten, der am Messobjekt befestigt ist. Die Bewegung des Magneten bewirkt eine Veränderung des magnetischen Flusses im Sensorelement und diese Veränderung wird durch die Sensorspule erfasst.

Abstand und Ausgangssignal stehen in einem linearen Verhältnis, wenn sich der lichte Abstand beider Objekte (Magnet-Sensor) in dem von dem Hersteller definierten Anwendungsbereich befindet und die Bewegung des Magneten zusätzlich parallel zur Längsachse des Sensors verläuft. Felduntersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich die Verformung der Schiene, und somit die des Magneten, durch eine Translation sowie einer Rotation zusammensetzt. Das hat oftmals zur Folge, dass die Bewegung nicht ausschließlich entlang der Feldlinien erfolgt. Durch die zusammengesetzte Bewegung sowie die nicht ausschließlich translatorische Verschiebung des Magneten entlang der Feldlinien ergeben sich Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des Abstandes zwischen Eisenbahnschiene und Entgleisungsschutz. Der Inhalt der anzufertigenden Masterarbeit soll sich mit der oben beschriebenen Problematik auseinandersetzen.

Teilbereich: Sensorik / Elektrodynamik

Geeignet als: Masterarbeit

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Sahm

Thematik 3.2:  

Simulation des Einflusses von thermischer Energie auf die atomare Wechselwirkung innerhalb einer metallischen Struktur mithilfe des LAMMPS Molecular Dynamics Simulators

Die Abschlussarbeit widmet sich der Simulation des Einflusses von thermischer Energie auf die atomare Wechselwirkung und die daraus ableitbaren Größen (z. B. Elastizitätsmodul) innerhalb einer metallischen Struktur unter Verwendung des LAMMPS Molecular Dynamics Simulators. Die atomare Wechselwirkung ist ein grundlegender Aspekt in der Materialwissenschaft und spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Struktur, Dynamik und mechanischen Eigenschaften von Metallmaterialien.

Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, mithilfe von LAMMPS, einer leistungsstarken Molecular Dynamics Simulationssoftware, die thermische Energie auf das Verhalten von Atomen einer metallischen Struktur zu untersuchen. Dabei sollen die atomaren Kräfte und Potenziale unter Berücksichtigung der thermischen Effekte modelliert werden, um das Verhalten der Atome bei unterschiedlichen Temperaturen zu simulieren. Durch die Anwendung der Molecular Dynamics Simulation können verschiedene Größen, wie die Ausdehnung, die Schwingungsfrequenzen, die Gitterfehler und die Diffusionsprozesse, analysiert und quantifiziert werden. Weiterhin ermöglicht die Simulation auch Einblicke in Phasenübergänge, Kristalldefekte und die Verteilung der atomaren Energien innerhalb der Strukturen.

Die gewonnenen Erkenntnisse dieser Abschlussarbeit sollen einen Einblick über des thermischen Verhaltens von metallischen Materialien auf atomarer Ebene geben. Die Simulation des Einflusses der thermischen Energie kann dazu beitragen, die thermischen Eigenschaften von Metallen besser zu charakterisieren und die Materialentwicklung für Hochtemperaturanwendungen oder spezielle Einsatzbedingungen zu optimieren.

Teilbereich: Metallkunde

Geeignet als: Masterarbeit

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Sahm

Thematik 3.3: 

Recherche zur Simulation der atomaren Wechselwirkung

Diese Arbeit (Studienarbeit) befasst sich mit der Thematik der Simulation der atomaren Wechselwirkung mithilfe numerischer Simulationstechniken. Die atomare Wechselwirkung ist ein fundamentaler Aspekt in der Materialwissenschaft, der Chemie und der Physik und spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Struktur, Dynamik und Eigenschaften von Materialien auf atomarer Ebene.

Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, moderne numerische Simulationsmethoden, wie die Molekulardynamik (MD) und die Dichtefunktionaltheorie (DFT), zu analysieren, um die Simulationsmöglichkeiten der atomare Wechselwirkung in verschiedenen Materialsystemen zu bewerten. Die MD-Simulation ermöglicht die Verfolgung der Bewegung der Atome über die Zeit, während DFT die Berechnung der Elektronenstruktur und der elektronischen Wechselwirkungen zwischen Atomen ermöglicht.

Die Simulation der atomaren Wechselwirkung eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten, um das Verhalten von Materialien unter verschiedenen Bedingungen zu erforschen. Es können grundlegende Eigenschaften wie die energetische Stabilität, die thermische Ausdehnung, die chemische Reaktivität und die mechanischen Eigenschaften von Materialien analysiert und verstanden werden.

Teilbereich: Materialphysik

Geeignet als: Bachelor- und Studienarbeit

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Sahm

Thematik 3.4: 

Mikromechanische Simulation der temperaturabhängigen Kapazität von Blei-Zirkonat-Titanat unter Anwendung des Programms LAMPS

Elektromechanische Impedanzspektren gewinnen zunehmend an Bedeutung für die Bauwerksüberwachung, indem sie präzise Einblicke in die strukturelle Integrität von Bauwerken liefern. Die Messung dieser Spektren erfolgt mithilfe von piezoelektrischen Wandlern, bei denen das Dielektrikum häufig aus Blei Zirkonat Titanat (PZT) besteht. Unterschiedliche Einflüsse beeinflussen den Verlauf der elektromechanischen Impedanzspektren, wobei Studien insbesondere die temperaturabhängige Kapazität des Dielektrikums als wesentlichen (störenden) Faktor identifizieren. Daher ist eine eingehende Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf elektrotechnische Kenngrößen von großer Bedeutung.

Die Erfassung des quantitativen Einflusses der Temperatur auf die Kapazität von PZT gestaltet sich aufgrund der tetragonalen Einheitszelle und des nichtlinearen Dielektrikums als äußerst komplex. Oberhalb der Curie-Temperatur T_c (Paraelektrikum, lineares Dielektrikum) lässt sich die elektrische Suszeptibilität und somit die Kapazität mithilfe des Curie-Weiss-Gesetzes beschreiben, während unterhalb von T_C die elektrische Suszepibilität (und somit die Kapazität) von zahlreichen Faktoren abhängt.

Die Landau-Devonshire-Theorie kann herangezogen werden, um den Übergang von paraelektrisch zu ferroelektrisch zu erklären, insbesondere in Bezug auf die Entwicklung der Polarisation bei unterschiedlichen Temperaturen. Auf dieser Grundlage lassen sich Polarisation und weitere piezoelektrische Parameter wie Kapazität, elektrisches Feld und mechanische Dehnung in Beziehung setzen.

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Simulation der temperaturabhängigen Kapazität bzw. elektrischen Suszeptibilität von Blei Zirkonat Titanat auf atomarer Ebene. Die mikromechanische Simulation erfolgt unter Anwendung des Programms LAMPS.

Teilbereich: Materialphysik

Geeignet als: Masterarbeit

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Daniel Sahm