02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access The 10th International Conference on Life Cycle Management 2021 : Stuttgart, Germany, September 05-08, 2021(2021) Fischer, Matthias; Barkmeyer, Mercedes; Albrecht, Stefan; Braune, Anna; Leistner, Philip; Seifert, Rainer; Kreissig, JohannesItem Open Access The 2‐methylpropene degradation pathway in Mycobacteriaceae family strains(2023) Helbich, Steffen; Barrantes, Israel; dos Anjos Borges, Luiz Gustavo; Pieper, Dietmar H.; Vainshtein, Yevhen; Sohn, Kai; Engesser, Karl‐HeinrichMycolicibacterium gadium IBE100 and Mycobacterium paragordonae IBE200 are aerobic, chemoorganoheterotrophic bacteria isolated from activated sludge from a wastewater treatment plant. They use 2‐methylpropene (isobutene, 2‐MP) as the sole source of carbon and energy. Here, we postulate a degradation pathway of 2‐methylpropene derived from whole genome sequencing, differential expression analysis and peptide‐mass fingerprinting. Key genes identified are coding for a 4‐component soluble diiron monooxygenase with epoxidase activity, an epoxide hydrolase, and a 2‐hydroxyisobutyryl‐CoA mutase. In both strains, involved genes are arranged in clusters of 61.0 and 58.5 kbp, respectively, which also contain the genes coding for parts of the aerobic pathway of adenosylcobalamin synthesis. This vitamin is essential for the carbon rearrangement reaction catalysed by the mutase. These findings provide data for the identification of potential 2‐methylpropene degraders.Item Open Access 2D numerische Modellierung von multifraktionalem Schwebstoff- und Schadstofftransport in Flüssen(2008) Karnahl, Joachim Alexander; Westrich, Bernhard (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Modellierung der Transport- und sorptiven Reaktionsprozessen von Schwebstoffen und Schadstoffen in Fließgewässern. Das Transportverhalten wird durch zahlreiche interagierende Prozesse - beispielsweise Sedimentation, Erosion, Dispersion, Sorptionskinetik- beeinflußt und erfordert für den Modellaufbau die Bestimmung der transportrelevanten Prozesse sowie die daraus resultierende Aufstellung der notwendigen physikalisch und parametrisch basierten mathematischen Modellansätze. Die im Rahmen der Arbeit entwickelte Modellkonzeption zur Beschreibung der multifraktionalen Schwebstoff- und Schadstofftransportprozesse sowie die Umsetzung in das tiefenintegrierte zweidimensionale Transportmodell SUBIEF umfaßt dabei für mehrere Schwebstofffraktionen die folgenden maßgeblichen Prozesse: Transport, Sedimentation auf Basis eines Schwellenwertansatzes, Erosion und Disaggregation in die einzelnen Schwebstofffraktionen. Für die Sedimentationsprozesse wurde dabei der für ein Korngrößengemisch vorhandene Energieansatz zur Beschreibung der kritischen Sedimentationsschubspannung auf die multifraktionale Sedimentation übertragen und implementiert. Das Schadstofftransportmodell beschreibt den gelösten und fraktionsbezogenen partikulären Schadstofftransport, Adsorptions- und Desorptionsprozesse mit einer Reaktionskinetik erster Ordnung im Wasser- und Sedimentkörper, die Sedimentation und Erosion partikulärer Substanzen sowie diffusive Prozesse an der Wasser-Sedimentgrenzschicht. Die Ergebnisse der an einem idealisierten Gewässer durchgeführten Modellrechnungen bestätigen die Modellkonzeption zur Beschreibung der multifraktionalen Sedimentations- und Erosionsprozesse sowie der Reaktionsprozesse. Als Fallstudie wurden experimentelle Untersuchungen und numerische Studien mit dem entwickelten Modell für die Sedimentverspülung an der Staustufe Iffezheim/Rhein bearbeitet: Um einen ausreichenden Fließquerschnitt im Hochwasserfall zu gewährleisten, wurden im Frühjahr 2005 ca. 150.000 m³ mit Hexachlorbenzol (HCB) belastete Sedimente oberhalb der Staustufe Iffezheim mit einem Saugbagger entnommen und ins Unterwasser verspült. Die Umweltauswirkungen der Sedimentverspülung wurden durch ein umfangreiches Meßprogramm der Bundesanstalt für Gewässerkunde in Zusammenarbeit mit dem Wasser- und Schifffahrtsamt Freiburg begleitet und durch Messungen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, ergänzt: Strömungsgeschwindigkeits- bzw. Abflußmessungen, Entnahme von Wasserproben zur Bestimmung der Schwebstoffkonzentration und der Korngrößenverteilung sowie Ausbringen und Auswerten von Sedimentfallen. Die Bestimmung der Korngrößenverteilung wurde dabei mit unterschiedlichen Meßmethoden durchgeführt. Dabei ergaben sich teilweise stark voneinander abweichende Ergebnisse, die als Unsicherheitsfaktor für die Modellierung anzusehen. Die numerischen Untersuchungen wurden für den 22 km langen Flußabschnitt unterhalb der Staustufe Iffezheim durchgeführt. Es wurden drei Sedimentfraktionen < 200 µm sowie das gelöste und auf allen Fraktionen adsorbierte HCB berücksichtigt. Als Modelleingangsdaten dienten dabei die bei der Meßkampagne erhobenen Daten. Aufgrund des hochgradig diskontinuierlichen Verspülungsmassenstroms und der geringen Meßdatendichte war eine Kalibrierung des Modells im strengen Sinne nicht möglich. Daher wurden mehrere Sensitivitätsrechnungen mit Variation der Modellparameter durchgeführt. Obwohl die komplexen 3D Strömungsphänomene von überströmten Buhnen in einem 2D Modell nur näherungsweise abgebildet werden können, zeigten die Modellergebnisse ein gutes Verhalten hinsichtlich der Sedimentations- und Erosionsprozesse in Buhnenfeldern. Die Sensitivitätsrechnungen ergaben für die verschiedenen Fraktionen eine direkte Proportionalität zwischen der Sedimentation und der mittleren Sinkgeschwindigkeit. Aufgrund der unterschiedlichen Ablagerungszonen der einzelnen Fraktionen ergaben sich hieraus unterschiedliche Resuspensionspotentiale der einzelnen Fraktionen. Zum besseren Verständnis der Ablagerungs- und Transportprozesse wurden idealisierte quasistationäre Transportberechnungen mit Variation der Abfluß- und Verspülungsrandbedingungen durchgeführt. Im Modellgebiet stellt sich bei den quasistationären Transportverhältnissen eine Konzentrationsabnahme in Fließrichtung ein. Ein Transportgleichgewicht im Flußschlauch kann sich im Modellgebiet nicht einstellen, da durch die Buhnenfelder und Stillwasserzonen permanente Sedimentsenken vorhanden sind, die durch den dispersiven Eintrag einen permanenten Schwebstoffzustrom erhalten. Bei diesen quasistationären Rechnungen zeigen sich analog zur diskontinuierlichen Verspülung zunehmende Ablagerungsraten mit zunehmendem Partikeldurchmesser. Bei steigenden Abflüssen zeigt sich eine Reduktion der Ablagerungen für alle Fraktionen, die auf Verdünnungseffekte und die erhöhten Fließgeschwindigkeiten zurückzuführen sind.Item Open Access A 3D continuum-mechanical model for forward-dynamics simulations of the upper limb(Stuttgart : Institut für Mechanik (Bauwesen), Lehrstuhl für Kontinuumsmechanik, Research Group on Continuum Biomechanics and Mechanobiology, Universität Stuttgart, 2015) Sprenger, Michael; Röhrle, Oliver (Prof. PhD)In this thesis, a suitable theoretical modelling procedure is presented, providing numerical simulations of the material behaviour of muscle-tendon complexes that are included into an articulation. In order to do that, it is necessary to introduce the anatomical and physiological fundamentals of the musculoskeletal system and in particular the upper limb. Caused by the complex microscopic property of the participating muscles, appropriate constitutive equations for the muscle, tendon, and other soft tissues are presented and embedded into the Theory of Finite Elasticity which provides a suitable framework in describing the finite deformation regime. The resulting set of coupled partial differential equations is spatially discretised using the finite element method, which has proven to provide a powerful numerical technique for finding approximate solutions to such BVP. A contact formulation is modularly included to the finite element method to consider contact between the elastic muscle-tendon complexes and rigid bones. The solution of the subject specific BVP is achieved within CMISS. The resulting system of equations was solved in a monolithic manner. While the material mechanical contribution is linearised numerically, the contact mechanical contribution is linearised analytically. The geometry of the Upper Limb Model is established from the virtual human data set. By introducing the Upper Limb Model with its static equivalent system, a continuum-mechanically based framework could be established. This enables stand-alone investigations as well as a coupling to other frameworks. Three different concepts to facilitate the muscle activation are presented in order to use the Upper Limb Model and the equivalent static system. In a first step, muscle activation is prescribed to demonstrate the feasibility of the system and investigated its convergence behaviour as a stand-alone framework. In a second step, the Upper Limb Model is linked to the forward-inverse model established by Prof. David Lloyd’s Musculoskeletal Research Group. Therefore, experimental data is acquired and processed. The results of the forward-inverse model are compared to those of the Upper Limb Model. The third step was conceptually introduced but not implemented. Yet, this concept of coupling FE simulations to MBS is very promising. Besides the well known tendon-displacement method, a second method to determine the lever arm is established by employing properties of the muscle force such as its point of action and orientation. The in silico experiments produced muscle reaction forces, muscle fibre stretch distributions, lever arms, and equilibrium positions. In addition, the impact of contact on a musculoskeletal system is investigated. These results are elaborately visualised and discussed to provide a better mechanical understanding of the examined musculoskeletal system.Item Open Access 3D ultrasound-based determination of skeletal muscle fascicle orientations(2024) Sahrmann, Annika S.; Vosse, Lukas; Siebert, Tobias; Handsfield, Geoffrey G.; Röhrle, OliverArchitectural parameters of skeletal muscle such as pennation angle provide valuable information on muscle function, since they can be related to the muscle force generating capacity, fiber packing, and contraction velocity. In this paper, we introduce a 3D ultrasound-based workflow for determining 3D fascicle orientations of skeletal muscles. We used a custom-designed automated motor driven 3D ultrasound scanning system for obtaining 3D ultrasound images. From these, we applied a custom-developed multiscale-vessel enhancement filter-based fascicle detection algorithm and determined muscle volume and pennation angle. We conducted trials on a phantom and on the human tibialis anterior (TA) muscle of 10 healthy subjects in plantarflexion (157 ± 7 ∘), neutral position (109 ± 7 ∘, corresponding to neutral standing), and one resting position in between (145 ± 6 ∘). The results of the phantom trials showed a high accuracy with a mean absolute error of 0.92 ± 0.59 ∘. TA pennation angles were significantly different between all positions for the deep muscle compartment; for the superficial compartment, angles are significantly increased for neutral position compared to plantarflexion and resting position. Pennation angles were also significantly different between superficial and deep compartment. The results of constant muscle volumes across the 3 ankle joint angles indicate the suitability of the method for capturing 3D muscle geometry. Absolute pennation angles in our study were slightly lower than recent literature. Decreased pennation angles during plantarflexion are consistent with previous studies. The presented method demonstrates the possibility of determining 3D fascicle orientations of the TA muscle in vivo.Item Open Access 3D-printed scale model for detection of railway wheel flats using augmented vibration data from axle box(2024) Kim, Eui-Youl; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)As data-driven methods for defect detection become more prevalent in the railway industry, the demand for high-quality data continues to grow. However, field experiments are often time-consuming and constrained by practical limitations. This study introduces a methodology that uses Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printing to develop a scale model for simulating wheel flat-induced vibrations, combined with a Long Short-Term Memory (LSTM)-based generative model to produce synthetic vibration data. This approach improves data quality by enhancing quantity, variety, and velocity, while increasing data volume and reducing the need for extensive experimental testing. The LSTM-based model generates realistic synthetic data, minimizing reliance on labor-intensive field experiments and offering a broader spectrum of defect scenarios. By accelerating the data generation process, this method provides an effective alternative in a laboratory setting and contributes to foundational research aimed at improving defect detection and maintenance processes in the railway industry.Item Open Access 3rd International Symposium on Connections between Steel and Concrete : Stuttgart, Germany, 27th - 29th September 2017 ; proceedings(Stuttgart : Institute of Construction Materials, University of Stuttgart, 2017) Sharma, Akanshu; Hofmann, JanSteel is an integral part of any concrete construction either in the form of anchors connecting structural/non-structural components to the structure or in the form of reinforcement embedded in concrete or sometimes as a part of steel-concrete composite construction. To ensure structural integrity, it is essential to form a reliable connection between steel and concrete. The anchorage must serve its function well to ensure the interaction between the components connected to the structure and the structure itself. The bond between reinforcement and concrete must be ensured to maintain the required flow of forces from concrete to steel and vice-versa. The concrete and steel structural members must be able to interact with each other in a desired way. If the connection between steel and concrete loses its integrity, the integrity of the entire structure comes in jeopardy. In order to ensure the integrity of connections between steel and concrete, it is required to (i) investigate their behavior through high quality experiments, (ii) evaluate their performance with advanced and reliable computational methods, and (iii) summarize them in practical and reliable design rules and models to be used by engineers and practitioners. Although connections between steel and concrete are used ever since the commencement of reinforced concrete construction, there are several aspects which are yet to be fully understood. Advancement in technologies lead to development of new products such as post-installed anchors, anchor channels, high strength reinforcing bars etc., whose performance in concrete need to be investigated. New concrete based materials such as high performance concrete, fiber reinforced concrete, geopolymer concrete etc. are being developed and their compatibility with the steel components and rebar must be verified. The interaction between structure and the anchorages or concrete and steel structure connected through anchorages need to be understood. Innovative fastening solutions between steel and concrete components are being developed for which reliable design models are needed. Furthermore, several general design issues, e.g. anchorages with supplementary reinforcement, fatigue behavior of anchors, long term performance of bonded anchors, anchor channels under different loading combinations, harmonization of design between post-installed and cast-in place reinforcing bars, influence of corrosion on performance of anchorages and reinforcement etc. need in-depth investigations. In addition, globally, structures are exposed to natural and man-made hazards more than ever, which induce extreme loads on the structural components, e.g. earthquakes, fire, impact and combinations thereof. The performance of existing structures against such hazards has exposed several inherent weaknesses in the past. Often, the performance of structures under such hazards is significantly influenced by the performance of connections between steel and concrete. Since the loads induced in the structures by such hazards cannot be reliably estimated and also since under such loads, compatibility requirements between different components result in additional demands on different components, the designs can only be reliably done following a performance based design approach. Similar approaches must also be developed for the design of connections between steel and concrete to ensure a reliable performance from the connections and in turn from the structures against extreme hazards. One of the most important applications of anchorages is in strengthening of structures for connecting the strengthening element and the parent structure. Every strengthening needs a certain type of anchorage and the performance of the strengthening depends largely on the performance of the anchorage itself. The demands posed on the anchorages used in strengthening (e.g. seismic strengthening) could be very challenging, which includes high forces, large crack widths, combined load and crack cycling, limited area and depth to develop the required resistance etc. In order to ensure the safety of structures, therefore, it is essential to develop innovative strengthening methods along with anchorage techniques that would allow the strengthening to serve its desired function. The 3rd International Symposium on Connections between Steel and Concrete (ConSC2017) aims at bringing the experts from around the globe working in the field of steel-concrete connections to share and discuss the current state-of-the-art as well as the possible future directions to improve the safety of structures by making reliable connections between steel and concrete. The previous two symposia were held in Stuttgart in 2001 and 2007. This symposium offers a platform for the academicians, researchers, industry, regulatory authorities, practicing engineers and students to share the knowledge gained through a decade of research and development. With more than 120 high quality research papers along with the keynote addresses and invited lectures from the renowned experts, this symposium is a significant step forward towards the enhancement of knowledge as well as to provide food for thought for the forthcoming research in the field of connections between steel and concrete.Item Open Access 7th GACM Colloquium on Computational Mechanics for Young Scientists from Academia and Industry : proceedings ; a conference under the auspice of the German Association for Computational Mechanics (GACM) ; 11 - 13 October 2017, Stuttgart, Germany(Stuttgart : Institute for Structural Mechanics, University of Stuttgart, 2017) Scheven, Malte von; Keip, Marc-André; Karajan, NilsThis book contains papers presented at the 7th GACM Colloquium on Computational Mechanics for Young Scientists from Academia and Industry (GACM 2017), which was held 11-13 October 2017 at the University of Stuttgart, Germany. The colloquium is hosted by the Institute for Structural Mechanics and the Institute of Applied Mechanics of the University of Stuttgart in collaboration with DYNAmore GmbH. The objective of GACM 2017 is to bring together young scientists who are engaged in academic and industrial research on Computational Mechanics and Computer Methods in Applied Sciences. It provides a platform to present and discuss recent results from research efforts and industrial applications. In more than 200 presentations by young scientists in 18 mini-symposia devoted to specific scientific areas and thematically arranged contributed sessions, current scientific developments and advances in engineering practice in this field are presented and discussed. The contributions from young researchers are supplemented by plenary lectures from three senior scientists from academia and industry as well as from the GACM Best PhD Award winners 2015 and 2016.Item Open Access Der Abbau von Fluorbenzol und seinen Homologen durch Burkholderia fungorum FLU 100(2007) Strunk, Niko; Engesser, Karl-Heinrich (Prof. Dr.)Der Stamm Burkholderia fungorum FLU 100 besitzt die unter den Bakterien äußerst selten zu findende Eigenschaft, Fluorbenzol als alleinige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen zu können. Außerdem kann der Stamm auch die anderen Monohalogenbenzole sowie Benzol und Toluol - als Reinstoff oder in beliebigen Mischungen - vollständig produktiv verwerten. In dieser Arbeit wurden ein Teil des Abbauweges sowie die Einsatzmöglichkeiten des Stammes im Rahmen der biologischen Abluftreinigung erforscht. Der Stamm FLU 100 kann mit Halogenatomen oder Alkylgruppen di- und höher substituierte Benzole nicht abbauen. 3-Fluorphenol ist hingegen abbaubar, jedoch wird hierzu, abweichend vom Fluorbenzolabbauweg, mindestens ein weiteres Enzym, eine Phenoloxygenase exprimiert. Zur Aufklärung der Aromatenabbauwege wurde Burkholderia fungorum FLU 100 mittels einer Tn5 Variante (pCro2) mutiert. Die Untersuchung der gewonnenen Transposonmutanten lieferte zahlreiche Metabolite des oberen Abbauweges. Das initiale Dioxygenasesystem greift die angebotenen benzoiden Substrate stets in Orthoposition zum Substituenten an. Dadurch wird die Aromatizität aufgehoben, es werden in 3 Position substituierte Cyclohexa 3,5 dien 1,2 diole (Diendiole) gebildet, welche beim Abbau von Monohalogenaromaten das Halogenatom in 3 Position tragen. Diese Metabolite werden zu den entsprechenden, an der 3 Position substituierten Catecholen zyklisiert, welche wiederum zu 2 substituierten Muconaten oxidativ gespalten werden. Aus den Muconaten entstehen in einem weiterem Schritt Muconolactone. Die Catechol-1,2-dioxygenase weist dabei klassische Typ – II Kinetik auf. Der Stamm FLU 100 verfügt über eine bemerkenswert hohe Fluorid – Toleranz. Er stellt das Wachstum erst ab 200 mmol/L im Medium ein. Zwei Biotricklingfilter im Technikumsmaßstab wurden konstruiert und über anderthalb Jahre hinweg betrieben. Als Packungsmaterial kam Blähton zum Einsatz. Es zeigte sich, dass fluorbenzolbelastete Abluft mit einer geringen Eliminationskapazität von ca. 5 g/m3h abgereinigt werden konnte, der Wirkungsgrad lag dabei um die 50 %. Eine äquimolare Mischung aus Fluorbenzol und Chlorbenzol konnte mit einer Eliminationskapazität zwischen 6 und 10 g/m3h behandelt werden. Dabei lag der Wirkungsgrad bezüglich des Fluorbenzols bei ca. 50 %, der des Chlorbenzols bei ca. 90 %. In den Reaktorsümpfen sammelten sich Fluorwasserstoff und Chlorwasserstoff als saure Metabolite an. Diese konnten mit Natriumhydrogencarbonat neutralisiert werden. Weiße, kristalline Ablagerungen traten mit der Zeit in den Reaktorsümpfen auf. Diese enthielten entgegen den Erwartungen nur sehr wenig Calciumfluorid (Fluoranteil 5 %), sondern vor allem Calcium, Sauerstoff, Phosphor und Silizium.Item Open Access Abbildung der Eigenschaften automatisierter Fahrzeuge in makroskopischen Verkehrsnachfragemodellen(Stuttgart : Institut für Straßen- und Verkehrswesen, Universität Stuttgart, 2022) Sonnleitner, Jörg; Friedrich, Markus (Prof. Dr.-Ing.)Mit der fortschreitenden Entwicklung in der Fahrzeugtechnik wird sich in den kommenden Jahren die Funktionalität von Pkw und damit deren Nutzung verändern. Noch sind die Auswirkungen der Fahrzeugautomatisierung auf Verkehrsablauf und Mobilitätsverhalten nur unzureichend bekannt. Dies erschwert eine Prognose der künftigen Verkehrsnachfrage. Verkehrsnachfragemodelle können Planern und Entscheidungsträgern helfen, mögliche Auswirkungen technischer Entwicklungen bei automatisierten Fahr-zeugen (AV) und zugehöriger regulatorischer Maßnahmen auf den zukünftigen Verkehr besser zu verstehen. Automatisierte Fahrzeuge werden ein anderes Fahrverhalten als Menschen zeigen und folglich Fahrtzeiten im Verkehrsnetz in Abhängigkeit des Anteils dieser Fahrzeuge in der Fahrzeugflotte verändern. Diese Einflussgrößen müssen auf geeignete Weise in vorhandene Fahrtzeitermittlungsmodelle integriert werden. Hochgradig automatisierte Fahrzeuge erlauben es den Personen, die sonst die Fahraufgabe übernehmen, einen Teil der im Fahrzeug verbrachten Zeit mit anderen Aktivitäten zu verbringen. Dies führt zu der Annahme, dass sich die Wahrnehmung der Fahrzeit in AV von derjenigen in konventionellen Fahrzeugen unterscheidet. Änderungen von tatsächlichen oder empfundenen Fahrtzeiten sind entscheidend für den Ablauf eines Verkehrsnachfragemodells, weil diese die Angebotsqualität beeinflussen, die sich durch Rückkopplung in der Nachfrageberechnung auf die Ziel-, Modus- und Routenwahl auswirkt. Damit wirken sich die erwähnten Einflussgrößen auf Mobilitätsverhalten und Verkehrsnachfrage aus. Verkehrsnachfragemodelle müssen diese Einflüsse adäquat abbilden können. Dies führt zur Notwendigkeit, die Modelle dafür zu erweitern, sodass Nachfragewirkungen automatisierter Fahrzeuge abgeschätzt werden können. In dieser Arbeit werden Modellierungsmethoden vorgestellt, um die Eigenschaften und Auswirkungen von automatisierten Fahrzeugen in makroskopische Verkehrsnachfragemodelle zu integrieren. Der Zweck dieser Methoden ist es, den Personen, die solche bestehenden Modelle anwenden, eine Möglichkeit zur Erweiterung dieser aufzuzeigen, damit diese, basierend auf Annahmen oder Daten zu AV, Prognosen erstellen können. Um die Wirkungen eines veränderten Fahrverhaltens von AV in Fahrtzeitermittlungsmodellen zu berücksichtigen, wird das Konzept der Personenkraftwagen (Pkw)-Einheiten erweitert. Dieses Konzept umfasst die Umrechnung der Fahrzeuganzahl aller Fahrzeugtypen in die Einheit herkömmlicher Pkw. Die Leistungsfähigkeit eines AV wird dann über Pkw-Einheiten-Faktoren angegeben, die von der Funktionalität des Fahrzeugs und vom Typ der Straßenanlage abhängen. Die Arbeit stellt auch eine Methode vor, um die Fahrtzeitwahrnehmung in AV, die nicht vollautomatisiert und damit Teil des Modus Pkw-Fahrer sind, anzupassen. Dafür wird die automatisierte Fahrtzeit mit einem zusätzlichen, vorzugebenden Parameter multipliziert. Dies wirkt sich auf die Routenwahl aus. Anhand des AV-Anteils werden die empfundenen Fahrtzeiten für konventionelle und automatisierte Fahrzeuge gewichtet gemittelt, um empfundene Fahrtzeiten des Modus Pkw-Fahrer als Input für die Modellstufen der Ziel- und Moduswahl zu erhalten. Der Wahrnehmungsparameter für die Modellanwendung in dieser Arbeit reduziert die empfundene automatisierte Fahrtzeit und folgt damit Erkenntnissen der Literaturauswertung. Die verwendeten Faktoren für die Pkw-Einheiten von AV werden durch die Auswertung von Daten mikroskopischer Verkehrsflusssimulationen ermittelt. Beide Methoden werden im makroskopischen Verkehrsnachfragemodell des Verbands der Region Stuttgart angewendet, um Auswirkungen automatisierter Fahrzeuge zu untersuchen. Der Anteil von AV an der privaten Pkw-Flotte wird vorgegeben. Im Rahmen dieser Arbeit sind AV hochautomatisiert und benötigen daher immer eine Person mit Fahrerlaubnis und Pkw-Verfügbarkeit. Für automatisierte Fahrzeuge der ersten Generation wird ein vorsichtigeres Fahrverhalten zugrunde gelegt. Diese beeinflussen dadurch den Verkehrsablauf im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen negativ und verursachen Fahrtzeitverlängerungen. Bei dieser geringeren Leistungsfähigkeit von AV gehen Verkehrsaufkommen und Verkehrsleistung für Pkw-Modi geringfügig zurück. Mit fortschreitender technologischer Entwicklung kann das Fahrverhalten so verbessert werden, dass AV leistungsfähiger als CV sind und den Verkehrsablauf positiv beeinflussen können. Das Verkehrsaufkommen und die Verkehrsleistung der Pkw-Modi nehmen zu. Die Wirkungen fallen mit steigendem AV-Anteil stärker aus. Eine veränderte Wahrnehmung automatisierter Fahrtzeit, sodass diese als kürzer empfunden wird, erhöht die empfundene Angebotsqualität und Erreichbarkeit von Zielen und macht den Modus Pkw-Fahrer damit attraktiver. Aufgrund von dadurch ausgelösten Änderungen in der Ziel- und Routenwahl nehmen mittlere Fahrtweiten und die Verkehrsleistung zu. Für die Ergebnisse ist es entscheidend, wie dicht das Straßennetz ist, das als automatisiert befahrbar zugrunde gelegt wird. Um von den Vorteilen automatisierten Fahrens profitieren zu können, sind Personen bereit, ihre Routenwahl anzupassen. Dies führt dazu, dass die Belastung auf den automatisiert befahrbaren Straßen im Verhältnis stärker zunimmt. Die Modellergebnisse zeigen, dass aufgrund der fortschrittlichen Fähigkeiten hochautomatisierter Fahrzeuge die Pkw-Verkehrsleistung in der Region Stuttgart um etwa 18 % zunehmen könnte. Die Vorteile des automatisierten Fahrens für die Personen, die diese nutzen, bringen also auch erhebliche negative Auswirkungen mit sich, die aus der Zunahme des Straßenverkehrs resultieren. Die Erkenntnisse der Modellanwendung können als Grundlage für die Diskussion über geeignete Maßnahmen aus der Verkehrsplanung dienen, um negative Folgen der Fahrzeugautomatisierung abzumildern oder zu vermeiden. Solche Maßnahmen müssen die Nutzung der zum Pkw konkurrierenden Modi attraktiver machen. Dies kann mit der Förderung anderer Verkehrsmodi oder der Einschränkung der Pkw-Nutzung erreicht werden.Item Open Access Abflusskonzentration in mesoskaligen Einzugsgebieten unter Berücksichtigung des Sickerraumes(2006) Rojanschi, Vlad; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil.)Die physikalisch-basierte Modellierung der Abflusskonzentrationsprozesse in einem Einzugsgebiet wird üblicherweise auf die Modellierung von drei strickt von einander abgetrennten Teilen, dem Boden- (Wurzel-) Raum, dem Grundwasserraum und den Oberflächengewässern, reduziert. Dieses Schema vernachlässigt allerdings, dass sich zwischen dem Boden- und dem Grundwasserraum ein weiterer Bereich befindet, der hier als Sickerraum bezeichnet wird und der aus demjenigen Teil der ungesättigten Zone besteht, der nicht dem Bodenraum zugerechnet wird. Für größere Einzugsgebiete treten im Sickerraum, der bis zu mehreren hundert Metern mächtig sein kann, auch kleinere schwebende gesättigte Bereiche auf, was dazu führt, dass die Strömungsrichtung im Sickerraum nicht nur vertikal, sondern auch horizontal ist. Die Vernachlässigung der dort stattfindenden Prozesse schränkt die Aussagekraft des Gesamtmodells deutlich ein. Deshalb wurde die Modellierung der Abflusskonzentration unter Berücksichtigung der hydrologischen Rolle des Sickerraumes als Hauptthema dieser Arbeit ausgewählt. Untersuchungseinheiten sind das Einzugsgebiet der Oberen Donau (bis zum Pegel Passau-Achleiten, 77.000 km2), das ein Forschungschwerpunkt des BMBF-Projektverbundes GLOWA ist, und zwei ausgewählte Teileinzugsgebiete(Ammer und Naab). Der erste Schritt ist eine umfassende Untersuchung über die Anwendbarkeit von Ganglinienanalyseverfahren für die Abtrennung des Grundwasser- und Sickerraumabflusses von der gemessenen Gesamtabflussganglinie. Ein numerisches Programm, das erstmals zwölf relevante Ganglinienanalyseverfahren in einem einheitlichen Rahmen implementiert, wurde hier entwickelt und auf Ganglinien aus dem gesamten Gebiet der Oberen Donau angewandt. Die Analyse der Ergebnisse, ihrer Abhängigkeit von der Raum und Zeitskala, sowie ihrer Verbindung zu den Gebietseigenschaften führte zu neuen Erkenntnissen über die Verfahren. Eine Schätzung des Grundwasser- und Sickerraumabflusses konnte damit für jedes Teileinzugsgebiet berechnet werden. Die Analyse zeigt aber auch, dass die Verfahren mit Inkonsistenzen und Willkürlichkeiten behaftet sind, was nicht zu einer Anwendung ihrer Ergebnisse für quantitative Aussagen ermutigt. Im zweiten Schritt wurde ein neues Modellkonzept, das die explizite Betrachtung des Sickerraumes ermöglicht und damit die Modellierungslücke zwischen dem Bodenwasserhaushalts- und dem Grundwassermodell schließt, entwickelt, implementiert und auf das Gebiet der Ammer angewandt. Nicht nur die Modellgüte, sondern auch die Unsicherheit der Modellergebnisse und bei der Bestimmung der Modellparameter, die generalisierte und einzelne Sensitivität des Modells im Parameterraum, sowie die Wechselbeziehungen zwischen den Modellparametern wurden ausführlich untersucht. Mehrere Modellversionen mit unterschiedlichen Graden an Konzeptualisierung wurden dabei verglichen. Trotz der allgemein guten Anpassung der Modellergebnisse an die Modelldaten, konnten anhand der inversen Modellierung auf Grund der strukturellen Unsicherheit des Modells und der Eingangsdaten keine gut bestimmten Parameterwerte für den Sickerraum berechnet werden. Das führte dazu, dass interne Modellergebnisse wie der Grundwasserabfluss und der Sickerraumabfluss auch von einer großen Unsicherheit behaftet waren. Die allgemeine Erkenntnis ist, dass nur die Modellergebnisse, die anhand von Messdaten direkt geprüft werden können, als validiert und aussagekraftig gelten sollten. Um das Problem der strukturellen Unsicherheit zu lösen, wurde in einem dritten Schritt die Methode der inversen Modellierung erweitert und verbessert. Ein Regionalisierungsverfahren, dass die Modellparameter mit den Gebietseigenschaften mit Hilfe von linearen Beziehungen verbindet, wurde in den Kalibrierungsprozess direkt integriert. Der Ansatz wurde auf die Einzugsgebiete der Ammer und der Naab angewandt und lieferte gute Modellergebnisse und führte gleichzeitig zu einer viel geringeren strukturellen Unsicherheit des Modells. Durch die Interpretation der linearen Beziehungen konnten auch Schlüsse über die physikalische Plausibilität des Modells gezogen werden.Item Open Access Ableitung von Typologien adaptiver Hochhausstabtragwerke mittels der Methode der Einflussmatrizen(2023) Steffen, Simon; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Im Jahr 2015 haben 194 Länder und die Europäische Union im Pariser Klimaabkommen vereinbart, die Erderwärmung auf 1,5 °C zu beschränken. Um dies zu erreichen, müssen unter anderem alle produzierenden Industrien eine erhebliche Transformation umsetzen, um Produktion und Produkte nachhaltiger zu gestalten. Eine tragende Rolle kommt hierbei dem Bauwesen zu, da es für etwa die Hälfte der weltweiten Treibhausgas-Emissionen und ca. die Hälfte der weltweiten Energieaufwendung verantwortlich ist. Weiterhin führt der hohe Ressourcenverbrauch des Bauwesens zu einer Verknappung von wichtigen Baumaterialien, die zudem noch ungenügend rezykliert werden. In Verbindung mit der global wachsenden Bevölkerung und dem steigendem Wohlstand in den sogenannten „Entwicklungsländern“ wird deutlich, dass neue Technologien, Entwurfsmethoden und Tragwerkstypologien erforderlich sind, um die Umweltwirkung des Bauwesens zu verringern und das Pariser Klimaziel einzuhalten. Die vorliegende Arbeit greift den Lösungsansatz adaptiver Tragwerke auf. Adaptive Tragwerke sind mit Sensoren, Aktoren und Regelungseinheiten ausgestattet. Diese ermöglichen es, auf Basis einer hinterlegten Regelung das Tragverhalten der Tragwerke mechanisch an die aktuelle Belastungssituation anzupassen. Wird diese Anpassungsfähigkeit genutzt, um gezielt Beanspruchungszustände zu optimieren oder aktiv Verformungen zu reduzieren, können im Tragwerk Material und Emissionen eingespart werden. Der Fokus der Arbeit liegt auf adaptiven Hochhausstabtragwerken, da Hochhäuser eine mögliche Antwort auf die zunehmende Urbanisierung darstellen, sodass eine weitflächige Ausdehnung der Städte und die damit verbundene hohe Flächenversiegelung vermieden werden kann. Das Ziel dieser Arbeit ist die Ableitung von Typologien adaptiver Hochhausstabtragwerke, die zu Materialeinsparungen gegenüber konventionellen Tragwerken führen. Eine Bilanzierung der Emissionen erfolgt in dieser Arbeit nicht. Hieraus leiten sich die folgenden Forschungsfragen ab: • Was ist das Entwurfsproblem konventioneller passiver Hochhaustragwerke? Ermöglicht eine Adaption Materialeinsparungen? • Welches Aktuierungsziel führt bei Hochhaustragwerken zu Materialeinsparungen? Was ist das Entwurfsproblem adaptiver Hochhaustragwerke? • Mit welchem Aktuierungskonzept kann das Aktuierungsziel in unterschiedlichen Tragwerkstypologien erreicht werden? • In welcher Größenordnung liegen die potenziellen Materialeinsparungen? Die Beantwortung der Fragen erfolgt anhand von Literaturrecherchen sowie mit Hilfe von analytischer und numerischer Untersuchungen. Nach einer qualitativen Herleitung des primären Aktuierungsziels einer Verformungsadaption werden Aktuierungskonzepte für ausgewählte Hochhausstabtragwerkstypologien erarbeitet. Im ersten Schritt wird mithilfe von Einflussmatrizen die inhärente Adaptierbarkeit von vier Aussteifungsmodulen analysiert. Die mit Hilfe von verschiedener Aktuierungsprinzipien erzeugbaren Verformungsfiguren und zugehörigen Schnittgrößenverläufe werden untersucht und erklärt. Anschließend werden die Grundmodule zu abstrahierten Aussteifungssystemen zusammengesetzt und das Anwendungspotenzial unterschiedlicher Aktuierungskonzepte diskutiert. Im nächsten Schritt werden unterschiedliche Möglichkeiten erörtert, mit Hilfe derer die abstrahierten Aussteifungssysteme zu Hochhaustragwerken erweitert werden können. Auf dieser Basis wird als Viertes das Adaptionspotenzial ausgewählter konventioneller Hochhausstabtragwerkstypologien eingeordnet und neue Typologien abgeleitet. Abschließend werden für die untersuchten Hochhausstabtragwerkstypologien anhand von numerischen Parameterstudien die Materialeinsparungspotenziale abgeschätzt und die abgeleiteten Aktuierungskonzepte und Typologien simulativ validiert. Die Arbeit zeigt, dass Materialeinsparungen in erster Linie erzielt werden, wenn in der Bemessung des passiven Tragwerks ein Steifigkeitsproblem vorliegt. Je maßgebender das Steifigkeitsproblem, desto größer das Einsparungspotenzial durch Adaption, welches mit einer zunehmenden Schlankheit des Aussteifungssystems korrespondiert. Zwei grundlegende Aktuierungskonzepte werden entwickelt. Im ersten Aktuierungskonzept erfolgt die Verformungsadaption beanspruchungsfrei. Im zweiten Aktuierungskonzept ist die Verformungsadaption an eine Beanspruchungsmanipulation gekoppelt, welche zusätzliche Materialeinsparungen ermöglichen kann. Welches Aktuierungskonzept eingesetzt werden sollte, hängt von der Hochhaustragwerkstypologie ab und kann von dessen passivem Tragverhalten abgeleitet werden. Insgesamt kann aufgewiesen werden, dass eine mechanische Adaption von Hochhaustragwerken signifikante Materialeinsparungen ermöglicht und somit eine sinnvolle Lösung zur Reduktion der Umweltwirkung des Bauwesens darstellt, speziell in Anbetracht der zunehmenden Urbanisierung.Item Open Access About the applicability of the theory of porous media for the modelling of non‐isothermal material injection into porous structures(2023) Völter, Jan-Sören L.; Ricken, Tim; Röhrle, OliverIn this contribution we investigate the relevance of the theory of porous media for the non-isothermal modelling of material injection into porous structures. In particular, we provide a model describing the injection of cement during percutaneous vertebroplasty, which is derived by consistently following the theory of porous media. We demonstrate numerically that this model elicits unphysical behaviour under local thermal non-equilibrium conditions. No distinct unphysical behaviour is observed under local thermal equilibrium conditions. We conclude that heuristic modifications of the model equations are necessary and suspect the unphysical behaviour to be caused by contradictory modelling assumptions.Item Open Access Accuracy of fully coupled and sequential approaches for modeling hydro- and geomechanical processes(2020) Beck, M.; Rinaldi, A. P.; Flemisch, B.; Class, H.Subsurface flow and geomechanics are often modeled with sequential approaches. This can be computationally beneficial compared with fully coupled schemes, while it requires usually compromises in numerical accuracy, at least when the sequential scheme is non-iterative. We discuss the influence of the choice of scheme on the numerical accuracy and the expected computational effort based on a comparison of a fully coupled scheme, a scheme employing a one-way coupling, and an iterative scheme using a fixed-stress split for two subsurface injection scenarios. All these schemes were implemented in the numerical simulator DuMux. This study identifies conditions of problem settings where differences due to the choice of the model approach are as important as differences in geologic features. It is shown that in particular transient and multiphase flow, effects can be causing significant deviations between non-iterative and iterative sequential schemes, which might be in the same order of magnitude as geologic uncertainty. An iterated fixed-stress split has the same numerical accuracy as a fully coupled scheme but only for a certain number of iterations which might use up the computational advantage of solving two smaller systems of equations rather than a big monolithical one.Item Open Access An actuator concept for adaptive concrete columns(2021) Steffen, Simon; Nitzlader, Markus; Burghardt, Timon; Binz, Hansgeorg; Blandini, Lucio; Sobek, WernerThe building industry accounts for half of the global resource consumption and roughly one third of global CO2 emissions. Global population growth and increasing resource scarcities require engineers and architects to build for more people with less material and emissions. One promising solution are adaptive load-bearing structures. Here, the load-bearing structure is equipped with actuators, sensors, and a control unit which allows the structure to adapt to different load cases, resulting in substantial material savings. While the first prototypes use industry standard actuators to manipulate deformations and stress states, it is essential to develop actuator concepts which fit the specific requirements of civil engineering structures. This paper introduces new concepts for linear actuators, developed within the Collaborative Research Centre (SFB) 1244 Adaptive Skins and Structures for the Built Environment of Tomorrow, which can be used as adaptive concrete columns. The concept of an actuator which actuates a concrete column by external compression through hydraulic pressure is discussed in further detail. This concept allows for controlled axial extension while also increasing the compressive strength of the concrete column.Item Open Access Adaptation after extreme flooding events : moving or staying? The case of the Ahr Valley in Germany(2023) Truedinger, Alessa Jasmin; Jamshed, Ali; Sauter, Holger; Birkmann, JoernMore than 130 lives were lost in the 2021 heavy precipitation and flood event in the Ahr Valley, Germany, where large parts of the valley were destroyed. Afterwards, public funding of about 15 billion Euros has been made available for reconstruction. However, with people and settlements being in highly exposed zones, the core question that is not sufficiently addressed is whether affected people want to rebuild in the same place, or rather opt to move out. The paper explores this question and assesses motivations and reasons for moving or staying in the Ahr Valley. For this purpose, a household survey was conducted focusing on 516 flood-affected households. The collected data was analyzed using descriptive and inferential statistics. The results revealed that the ownership of the house or flat significantly influenced the decision of whether to stay or to leave. In addition, an attachment to the place and the belief that such extreme events occur very rarely influenced the decision to stay and rebuild. Age, gender and household income barely influenced the decision to stay or to move to a new place. Interestingly, results demonstrated that many respondents view settlement retreat and the relocation of critical infrastructures as important options to reduce risk, however, many still rebuild in the same place. These insights enable local policy and practice to better address the needs of the population in terms of whether to stay or move after such an extreme disaster.Item Open Access Adapting Santiago method to determine appropriate and resource efficient sanitation systems for an urban settlement in Lima Peru(2021) Nisaa, Ainul Firdatun; Krauss, Manuel; Spuhler, DorotheeThe pre-selection of locally appropriate sanitation technologies and systems is crucial for strategic sanitation planning as any decision is only as good as the options presented. One approach that allows us to systematically consider the local conditions and a diverse range of conventional and novel technologies and systems is the Santiago method. In this paper, we discuss whether the Santiago method can be applied to the case of Latin America and what we would gain from this application. We do so by expanding the Santiago technology library with technologies that have been shown to be promising in metropolitan areas of Latin America, such as condominial sewer, container-based sanitation, and activated sludge. We then apply Santiago to the semi-informal settlement Quebrada Verde (QV) in Lima, Peru. Using Santiago, we were able to generate 265,185 sanitation system options from 42 technologies and 18 appropriateness criteria. A set of 17 appropriate and divers are then selected. The diversity is defined by 17 system templates. To further evaluate these 17 systems, resource recovery and loss potentials are quantified. Higher nutrients (nitrogen and phosphorus) and total solids recovery are observed for systems that combine urine diversion and biofuel production. The case of QV shows that the Santiago method is applicable in the Latin American context.Item Open Access Adaptive diskret-kontinuierliche Modellierung von Materialien mit Mikrostruktur(2014) Sorg, Annika; Bischoff, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)In der vorliegenden Arbeit wird zunächst die unterschiedliche Struktur von Materialien auf verschiedenen Skalen diskutiert. Abhängig von der Skala, auf der ein Material betrachtet wird, eignen sich unterschiedliche Modellierungsansätze. Zur Modellierung diskreter Strukturen und Kontinua werden jeweils verschiedene Methoden vorgestellt, sowie einige Methoden, die diskrete und kontinuierliche Modelle miteinander koppeln. Den Kern dieser Arbeit bildet die Entwicklung einer netz- und modelladaptiven Methode. Bei praktisch gleicher Genauigkeit ermöglicht die Methode Simulationen des Bruchverhaltens kohäsiver Reibungsmaterialien mit einer Form der Diskrete-Elemente-Methode (DEM), ohne die gesamte Struktur mit Partikeln aufzulösen. Um der Erfordernis einer Modellierung von Phänomenen auf unterschiedlichen geometrischen Skalen in einer Simulation gerecht zu werden, wird eine Kopplung der Finite-Elemente-Methode (FEM) und der DEM vorgeschlagen. Es werden Ideen der Quasikontinuumsmethode (TADMOR U.A., 1996) übernommen und auf eine Anwendung für Probleme in der Strukturmechanik kohäsiver Reibungsmaterialien übertragen. Bei der entwickelten Methode liefert die FEM die Kinematik des Systems und die DEM das Konstitutivverhalten. Runde, gleich große und regelmäßig angeordnete Partikel, die über Stäbe miteinander verbunden sind, bilden die Mikrostruktur (in 2D). Es werden drei unterschiedliche Elementtypen eingeführt, die die Mikrostruktur mit unterschiedlicher Genauigkeit auflösen. Im homogenen Fall, bei dem alle Stäbe dieselbe Steifigkeit besitzen, kann die Cauchy-Born-Regel auf die Mikrostruktur angewendet werden, um die Ersatzsteifigkeit der Übergangselemente zu bestimmen. Bei einer heterogenen Steifigkeitsverteilung ist dies jedoch nicht möglich. Für solche Fälle wird eine neue Strategie vorgeschlagen, bei der für jedes Übergangselement ein lokales Unterproblem gelöst wird.Item Open Access An adaptive hybrid vertical equilibrium/full‐dimensional model for compositional multiphase flow(2022) Becker, Beatrix; Guo, Bo; Buntic, Ivan; Flemisch, Bernd; Helmig, RainerEfficient compositional models are required to simulate underground gas storage in porous formations where, for example, gas quality (such as purity) and loss of gas due to dissolution are of interest. We first extend the concept of vertical equilibrium (VE) to compositional flow, and derive a compositional VE model by vertical integration. Second, we present a hybrid model that couples the efficient compositional VE model to a compositional full‐dimensional model. Subdomains, where the compositional VE model is valid, are identified during simulation based on a VE criterion that compares the vertical profiles of relative permeability at equilibrium to the ones simulated by the full‐dimensional model. We demonstrate the applicability of the hybrid model by simulating hydrogen storage in a radially symmetric, heterogeneous porous aquifer. The hybrid model shows excellent adaptivity over space and time for different permeability values in the heterogeneous region, and compares well to the full‐dimensional model while being computationally efficient, resulting in a runtime of roughly one‐third of the full‐dimensional model. Based on the results, we assume that for larger simulation scales, the efficiency of this new model will increase even more.Item Open Access Adaptive Methoden zur Pfadverfolgung bei Entfestigung(2014) Pohl, Tanja; Bischoff, Manfred (Prof. Dr.-Ing. habil.)Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung robuster und effizienter numerischer Kontrollmethoden zur Ermittlung statischer Gleichgewichtspfade. Insbesondere bei entfestigenden Strukturen versagen konventionelle Pfadverfolgungsmethoden häufig nach Erreichen von Traglastpunkten. Der Fokus der Arbeit liegt auf Adaptivitätskriterien, die den Auswertungsort eines Kontrollparameters in Abhängigkeit des Entfestigungsprozesses in jedem Lastschritt festlegen. Diese selbst-adaptierende Kontrollregion liefert die Grundlage für die Auswertung der Kontrollparameter der adaptiven Verzerrungskontrolle und der adaptiven Verschiebungskontrolle in der Prozesszone. Hierfür werden die äquivalenten Verzerrungen aller Gaußpunkte überwacht und mit Kriterien zur Bestimmung einer aktiven Prozesszone abgeglichen. Der identifizierte Gaußpunkt beziehungsweise das zugehörige Element bildet dann die Kontrollregion im aktuellen Lastschritt. In der adaptiven Verzerrungskontrolle sind die Kontrollgröße und der Parameter zur Identifikation der Kontrollregion identisch und direkt mit dem Schädigungsprozess verbunden. Die adaptive Verschiebungskontrolle in der Prozesszone beschreibt eine Verschiebungskontrolle des maximalen Inkrements der Elementverschiebungen in der Kontrollregion. Die Formulierung ist bis auf das Auswahlkriterium der Kontrollregion vom Schädigungsprozess entkoppelt. Die neu entwickelten Methoden weisen in den numerischen Beispielen wesentliche Verbesserungen im Bezug auf die Rechengeschwindigkeit gegenüber vergleichbar einsatzfähigen Methoden auf und vermeiden ungewollte künstliche Entlastungen.