02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access High-resolution spatio-temporal measurements of the colmation phenomenon under laboratory conditions(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Mayar, Mohammad Assem; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)The fine sediment infiltration and accumulation into the gravel bed of rivers, the so-called colmation phenomenon, is a pernicious process exacerbated by anthropogenic activities. Owing to the importance and complexity of this phenomenon, it has been widely studied over the last decades. Various devices and methods have been developed to assess this phenomenon, where most of them are destructive and sample-based, resulting in an alteration of the natural conditions. Therefore, non-intrusive techniques, which provide spatial and temporal details with a high-resolution, are required to discretize the mechanisms involved in the colmation process. To address these issues, investigations under laboratory conditions may simplify the complexity of nature and enable individual and exactly defined boundary conditions to be investigated. Therefore, this thesis aims at (i) developing a non-intrusive and undisturbed measurement method for the high-resolution spatio-temporal measurements of the sediment infiltration processes and the development of sediment accumulation in an artificial river bed under laboratory conditions, (ii) applying this method to certain experiments for the assessment of the effects of different boundary conditions on sediment infiltration, and (iii) investigating the colmation phenomenon (also known as clogging) of gravel beds. For this purpose, the gamma-ray attenuation method is used together with an artificial gravel bed arranged from the spheres with various diameters and placed in a laboratory flume. This new method works based on the gamma radiation that passes through the infiltrated sediments, water, and bed spheres, in which the gamma-ray attenuation is linked to the variations of the infiltrated sediments’ quantity. The main simplification of this approach is that gravel beds are represented by the combinations of different-sized spheres. This gives the opportunity to fully distinguish infiltrating sediments from the bed material, reduce the complexity of the natural environment, and allows for repetitive measurements of the same position with different boundary conditions. From the results of this study, first, the gamma-ray attenuation measurement method was optimized to resolve the inconsistencies in the measurements. Subsequently, the concept of the non-intrusive and undisturbed measurement is proved through box experiments. Additional reproducibility experiments in the laboratory flume, for a similar bed structure, showed only small deviations between two experiments with the same setup. Consequently, the established technique was used in a series of experiments to evaluate the effects of different supply rates, total supply masses, and sediment particle size boundary conditions on the sediment infiltration and colmation processes. Vertical profiles of the infiltrated sediment were quantified through high spatial resolution measurements. Furthermore, to evaluate the infiltrating sediment accumulation development, and the temporal variations of the infiltrated sediments, the vertical profile measurements were first repeated after a specific time-period to track interval-averaged variations in all positions of the vertical axis. Next, a specific position of the vertical axis was measured continuously during the entire experiment in a high temporal resolution. The measured vertical profiles illustrate the vertical distribution, colmation, and unimpeded percolation of the infiltrated sediments. The dynamic one-point measurement precisely identifies the three phases (the start of the pore-filling, the required time to fill the pore, and the final amount of infiltrated sediments including natural fluctuation during the ongoing experiments) of the sediment infiltration or the possible clogging. As a limitation, the gamma-ray attenuation system’s current configuration only works in artificial gravel beds because of the given density difference between infiltrated sediments and the artificial bed structure. Intense radiations that pass through the natural bed's thickness are capable of detecting a significant amount of infiltrated sediments. However, small amounts of infiltrated sediments will create only a minimal shift in attenuation, which might be confused with the statistical error. In addition, the legal restriction against using radioactive material in the natural environment is another reason for not applying it in the field. Furthermore, the gamma-ray attenuation method cannot resolve the sediment distribution in the measurement horizon and provides an integrative result for each measurement position. In addition, if a mixture of silt, clay, and sand is supplied to the experiment, the gamma-ray attenuation system will produce a bulk result of all the infiltrated materials. To conclude, despite the limitations mentioned above, the gamma-ray attenuation method offers a unique opportunity for the non-intrusive and undisturbed measurements of the sediment infiltration or the special case of colmation, with a high spatio-temporal resolution. This method has the potential to quantify the investigated processes on a millimetric spatial scale, if the measurement time is not a constraint, or vice versa, in a high temporal resolution (seconds) for a specific position, if spatial scale is not important. Moreover, the gamma-ray attenuation approach can simultaneously measure the longitudinal distribution of the sedimentological processes, if multiple instruments or a single device with several radiation-emitting-holes is in operation. Last, but not least, rather than the spheres, artificial gravel beds could be made of any substance with a composition significantly different from the infiltrating sediments, and the boundary conditions of the experiments can be improved in order to attain conditions close to nature. Finally, the gamma-ray attenuation method can be integrated with advanced flow measurement instruments such as Particle Image Velocimetry (PIV) and other high-resolution endoscopic devices to track the behavior of fine sediment infiltration and its clogging process in the porous gravel beds as it occurs in nature.Item Open Access Untersuchungen zur Manipulation des Lastabtrages biegebeanspruchter Betonbauteile durch integrierte fluidische Aktoren(2022) Kelleter, Christian; Sobek, Werner (Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Item Open Access Phase-field modeling of microstructure and fracture evolution in magneto-electro-mechanics(Stuttgart : Institute of Applied Mechanics, 2020) Sridhar, Ashish; Keip, Marc-André (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Entwicklung einer Methodik zur Bewertung von Trinkwassertarifen für Privathaushalte in Deutschland(Stuttgart : Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart ISWA, 2022) Krauß, Manuel; Steinmetz, Heidrun (Prof. Dr.-Ing.)Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methodik zur ökonomischen, ökologischen und sozialen Bewertung von Trinkwassertarifen für Privathaushalte mittels öffentlich verfügbarer Daten für eine möglichst große Anzahl an Tariffällen. Trinkwassertarife können eine zielführende Maßnahme zur Unterstützung ökonomischer, ökologischer und sozialer Politikziele darstellen. Wasserversorgungsunternehmen (WVU) sind natürliche Monopolisten, die in Deutschland ein einseitiges Preisbestimmungsrecht besitzen. Der übliche Tarif in Deutschland bezeichnet einen Grundtarif auf Basis des Hausanschlusses oder Wasserzählers in Kombination mit einem Arbeitsentgelt, das pro genutzte Wassermenge abgerechnet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf Basis öffentlich verfügbarer belastbarer statistischer Daten eine Methodik entwickelt, die zur Analyse und Bewertung von Trinkwassertarifmodellen bzw. -änderungen für Privathaushalte genutzt werden kann.Item Open Access Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von geschweißten und gelöteten Lamellen, Steifen und Anbauteilen(Stuttgart : Institut für Konstruktion und Entwurf, 2022) Drebenstedt, Karl; Kuhlmann, Ulrike (Prof. Dr.-Ing.)Die Ermüdungsfestigkeit von geschweißten Konstruktionen beeinflusst maßgeblich die Lebensdauer von zyklisch beanspruchten Stahlkonstruktionen. Durch Kerbwirkung und daraus resultierenden Spannungskonzentrationen entstehen im Bereich der Schweißnähte Ermüdungsrisse, die zum Versagen einer Konstruktion führen können und folglich in der Bemessung berücksichtigt werden müssen. Die Lebensdauer, die als Anzahl der Schwingspiele bis zum Versagen dargestellt werden kann, ist abhängig von der zyklischen Beanspruchung und der ihr gegenüberstehenden detailspezifischen Ermüdungsfestigkeit. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die empirisch gestützte Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Anbauteilen, die auf eine zyklisch beanspruchte Stahlkonstruktion aufgeschweißt oder aufgelötet werden, selbst aber keiner direkten Ermüdungsbeanspruchung ausgesetzt sind. Trotz ihrer im Sinne der Lastabtragung häufig untergeordneten Bedeutung werden diese Schweißdetails für die Ermüdungsbemessung regelmäßig bemessungsmaßgebend und bestimmen damit auch die Dimensionierung der Haupttragstruktur. Konkret werden die Ermüdungsfestigkeiten von Lamellen, Längs- und Quersteifen, Schweißbuchsen, Kopfbolzen, Schweißtellern und von ähnlichen Details untersucht. Zu den genannten Konstruktionsdetails wurden in einer sehr umfangreichen Datenbank über 8.000 Versuchsergebnisse aus veröffentlichten Studien zur Ermüdungsfestigkeit zusammengetragen. Das Datenbanksystem gewährleistet das gezielte Bearbeiten und Abfragen unterschiedlicher Informationen zu den Ermüdungsversuchen. Dies sind neben den Versuchsergebnissen und der Anzahl der erreichten Schwingspiele unter einer bestimmten zyklischen Beanspruchung Parameter wie technische Materialeigenschaften und geometrische Spezifikationen. Zusätzlich zu den in der Datenbank gesammelten Versuchsergebnissen wurden eigene Ermüdungsversuche an Konstruktionsdetails durchgeführt. Konkret untersucht wurde unter anderem die traditionelle deutsche Variante des Konstruktionsdetails Gurtlamellenende. Die vorzugsweise im Brückenbau verbreitete Form des Gurtlamellenendes mit verstärkter Stirnnaht und kerbfrei bearbeiteten Nahtübergängen zeigt deutlich höhere Ermüdungsfestigkeiten als die einfache Variante mit umlaufender Kehlnaht im Schweißzustand. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen liegt auf der Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Anbauteilen, die mit dem Kupferlot CuAl7 in einem Lichtbogenlötverfahren auf zyklisch beanspruchte Stahlkonstruktionen aufgelötet werden. In vielen Ermüdungsversuchen wurden das Verhalten und die Ermüdungsfestigkeit dieses alternativen Verfahrens zum Schweißen untersucht. Es kann gezeigt werden, dass die Ermüdungsfestigkeit von lichtbogengelöteten Anbauteilen eine deutlich höhere Ermüdungsfestigkeit bei vergleichbarer Versagenscharakteristik und vergleichbarer statischer Beanspruchbarkeit aufweist. Sowohl die in der Datenbank dokumentierten Versuche als auch die durchgeführten eigenen experimentellen Untersuchungen weisen infolge von unterschiedlichen Einflüssen auf die Ermüdungsversuche eine erhebliche Streuung auf. Für die Bewertung von Einflüssen auf die Lebensdauer und für die Ermittlung einer charakteristischen Ermüdungsfestigkeit, die einen statistisch abgesicherten Bemessungswert darstellt, muss diese Streuung berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Verfahren zur statistischen Bewertung und Auswertung von Ermüdungsversuchen vorgestellt, die auf gemeinsamen statistischen Ansätzen beruhen und konform zu normativen Regelungen und Anforderungen im Bauwesen sind. Es kann gezeigt werden, dass die vorgestellte statistische Auswertemethode geeignet ist, zuverlässig statistisch abgesicherte Ermüdungsfestigkeiten für einzelne Serien oder für Metaanalysen mit mehreren 1.000 Versuchsergebnissen abzuleiten. Die eigenen experimentellen Untersuchungen und die Vielzahl der in der Datenbank aufgearbeiteten Versuchsergebnisse ermöglichen in Kombination mit der einheitlichen statistischen Auswertemethode Metastudien. Unterschiede können sich sowohl auf technische Aspekte beziehen wie Fertigungseinflüsse, Schweißtechnik, mechanische Materialeigenschaften und Versuchsumsetzung, als auch auf Randbedingungen wie beispielsweise die verwendete Prüf- und Messtechnik. Die Bewertung von Ermüdungsfestigkeiten für bestimmte Konstruktionsdetails auf Grundlage der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Versuchsdaten ermöglicht damit die Berücksichtigung eines Spektrums von potenziellen Einflussfaktoren auf die charakteristische Ermüdungsfestigkeit. Die in den Versuchen ermittelten Ermüdungsfestigkeiten werden verglichen mit Ergebnissen aus numerischen Untersuchungen mit dem Kerbspannungsmodell. Dafür wurden einige Konstruktionsdetails mit dem Kerbspannungsmodell dreidimensional nachgebildet und validiert. Die Modelle eignen sich für Parameterstudien zu strukturmechanischen Einflussgrößen und geben geometrische Einflüsse tendenziell gut wieder. Die Untersuchungen zeigen auch, dass geometrische Einflüsse auf die Ermüdungsfestigkeit bei Verwendung des Kerbspannungsmodells überschätzt werden können. Als ursächlich dafür werden Streuungen aus Fertigungseinflüssen vermutet, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Kerbwirkung haben können. Es wird anhand von vergleichenden Streuspannen für Konstruktionsdetails und Gruppen von Konstruktionsdetails zudem gezeigt, dass das Kerbspannungskonzept im Vergleich zum Nennspannungskonzept im Sinne der Bemessung nicht das genauere Verfahren zur Ermüdungsbemessung von Anbauteilen darstellt. Auf Grundlage der Untersuchungen und Erkenntnisse werden am Ende dieser Arbeit konkrete Bemessungsvorschläge für die Bewertung der Ermüdungsfestigkeit mit dem Nennspannungskonzept für geschweißte und gelötete Anbauteile wie Lamellen, Längs- und Quersteifen, Schweißbuchsen, Kopfbolzen und Schweißteller gegeben.Item Open Access Tragverhalten und Bemessung von verstärkten Ankerschienen unter Querbelastung am Bauteilrand(2024) Petrasch, Michael Christoph; Hofmann, Jan (Prof. Dr-Ing.)Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein Verstärkungsmodul und ein dazugehöriges Bemessungsmodell zu entwickeln. Dafür wurden unterschiedliche Verstärkungsmöglichkeiten sowohl numerisch als auch experimentell untersucht. Auf Basis dieser Untersuchungen wurde ein Konzept für die Verstärkung entwickelt und bemessen. Das Konzept sieht einen Eingriff in die Ankerschiene vor, welcher von der Betonoberkante ausgeht. Hierdurch kann das Modul einfach als nachträgliche Installation eingesetzt werden. Alternativ kann die Verstärkung auch als geplante Zulage vor der Betonage durchgeführt werden. Bei der Bemessung wurden die Versagensbelastungen in die folgenden Komponenten aufgeteilt: • Grundtragfähigkeit der Ankerschiene im unbewehrten bzw. bewehrten Beton • Tragfähigkeit nach einer Verstärkung mittels Verstärkungsmodul Die Gesamttragfähigkeit ergibt sich aus der Summe dieser Einzeltragfähigkeiten bestimmt. Der Ansatz des Bemessungsmodells der Verstärkungselemente beruht auf der Annahme eines rein mechanischen Modells eines Balkens auf zwei Stützen, der auf seine Länge hin, eingefasst von den Anbindungspunkten des Verstärkungsmoduls, gebogen wird.Item Open Access Porosity and permeability alterations in processes of biomineralization in porous media - microfluidic investigations and their interpretation(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Weinhardt, Felix; Class, Holger (apl. Prof. Dr.-Ing)Motivation: Biomineralization refers to microbially induced processes resulting in mineral formations. In addition to complex biomineral structures frequently formed by marine organisms, like corals or mussels, microbial activities may also indirectly induce mineralization. A famous example is the formation of stromatolites, which result from biofilm activities that locally alter the chemical and physical properties of the environment in favor of carbonate precipitation. Recently, biomineralization gained attention as an engineering application. Especially with the background of global warming and the objective to reduce CO2 emissions, biomineralization offers an innovative and sustainable alternative to the usage of conventional Portland cement, whose production currently contributes significantly to global CO2 emissions. The most widely used method of biomineralization in engineering applications, is ureolytic calcium carbonate precipitation, which relies on the hydrolysis of urea and the subsequent precipitation of calcium carbonate. The hydrolysis of urea at moderate temperatures is relatively slow and therefore needs to be catalyzed by the enzyme urease to be practical for applications. Urease can be extracted from plants, for example from ground jack beans, and the process is consequently referred to as enzyme-induced calcium carbonate precipitation (ECIP). Another method is microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP), which uses ureolytic bacteria that produce the enzyme in situ. EICP and MICP applications allow for producing various construction materials, stabilizing soils, or creating hydraulic barriers in the subsurface. The latter can be used, for example, to remediate leakages at the top layer of gas storage reservoirs, or to contain contaminant plumes in aquifers. Especially when remediating leakages in the subsurface, the most crucial parameter to be controlled is its intrinsic permeability. A valuable tool for predicting and planning field applications is the use of numerical simulation at the scale of representative elementary volumes (REV). For that, the considered domain is subdivided into several REV’s, which do not resolve the pore space in detail, but represent it by averaged parameters, such as the porosity and permeability. The porosity describes the ratio of the pore space to the considered bulk volume, and the permeability quantifies the ease of fluid flow through a porous medium. A change in porosity generally also affects permeability. Therefore, for REV-scale simulations, constitutive relationships are utilized to describe permeability as a function of porosity. There are several porosity-permeability relationships in the literature, such as the Kozeny-Carman relationship, Verma-Pruess, or simple power-law relationships. These constitutive relationships can describe individual states but usually do not include the underlying processes. Different boundary conditions during biomineralization may influence the course of porosity-permeability relationships. However, these relationships have not yet been adequately addressed. Pore-scale simulations are, in principle, very well suited to investigate pore space changes and their effects on permeability systematically. However, these simulations also rely on simplifications and assumptions. Therefore, it is essential to conduct experimental studies to investigate the complex processes during calcium carbonate precipitation in detail at the pore scale. Recent studies have shown that microfluidic methods are particularly suitable for this purpose. However, previous microfluidic studies have not explicitly addressed the impact of biomineralization on hydraulic effects. Therefore, this work aims to identify relevant phenomena at the pore scale to conclude on the REV-scale parameters, porosity and permeability, and their relationship. Contributions: This work comprises three publications. First, a suitable microfluidic setup and workflow were developed in Weinhardt et al. [2021a] to study pore space changes and the associated hydraulic effects reliably. This paper illustrated the benefits and insights of combining optical microscopy and micro X-ray computed tomography (micro XRCT) with hydraulic measurements in microfluidic chips. The elaborated workflow allowed for quantitative analysis of the evolution of calcium carbonate precipitates in terms of their size, shape, and spatial distribution. At the same time, their influence on differential pressure could be observed as a measure of flow resistance. Consequently, porosity and permeability changes could be determined. Along with this paper, we published two data sets [Weinhardt et al., 2021b, Vahid Dastjerdi et al., 2021] and set the basis for two other publications. In the second publication [von Wolff et al., 2021], the simulation results of a pore-scale numerical model, developed by Lars von Wolff, were compared to the experimental data of the first paper [Weinhardt et al., 2021b]. We observed a good agreement between the experimental data and the model results. The numerical studies complemented the experimental observations in allowing for accurate analysis of crystal growth as a function of local velocity profiles. In particular, we observed that crystal aggregates tend to grow toward the upstream side, where the supply of reaction products is higher than on the downstream side. Crystal growth during biomineralization under continuous inflow is thus strongly dependent on the locally varying velocities in a porous medium. In the third publication [Weinhardt et al., 2022a], we conducted further microfluidic experiments based on the experimental setup and workflow of the first contribution and published another data set [Weinhardt et al., 2022b]. We used microfluidic cells with a different, more realistic pore structure and investigated the influence of different injection strategies. We found that the development of preferential flow paths during EICP application may depend on the given boundary conditions. Constant inflow rates can lead to the development of preferential flow paths and keep them open. Gradually reduced inflow rates can mitigate this effect. In addition, we concluded that the coexistence of multiple calcium carbonate polymorphs and their transformations could influence the temporal evolution of porosity-permeability relationships.Item Open Access Modellierung des Zeitbedarfs für Verkehrshalte im spurgeführten Personenverkehr(2021) Uhl, Johannes; Martin, Ullrich (Prof. Dr.-Ing.)Die aktuellen Entwicklungen rund um die Haltezeiten der Züge in den Stationen stellen die Betriebsplanung sowie Betriebsführung im Bereich des spurgeführten Verkehrs vor beträchtliche Herausforderungen. Für eine effiziente Nutzung der Infrastruktur und eine zufriedenstellende Betriebsqualität wird dabei eine Kenntnis der zu erwartenden mittleren Haltezeiten wie auch ihrer Variationsbreite immer bedeutender. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher ein Modell zur linienbezogenen Prognose von Verkehrshaltezeiten in spurgeführten Verkehrssystemen entwickelt. Hierzu werden zunächst die zentralen Einflussfaktoren der Haltezeit sowie deren Zusammenhänge strukturiert dargestellt und quantifiziert. Dabei wird besonders auf das bei einer situativen Zugfolgezeit zu erwartende Fahrgastaufkommen, die Verteilung der Ein- und Aussteiger auf die Fahrzeugtüren sowie die resultierenden Fahrgastwechselzeiten vertieft eingegangen. Auf dieser Basis erfolgt dann - unter anderem mittels bedienungstheoretischer Ansätze - eine Modellierung der Verteilungsfunktion des für den Fahrgastwechsel sowie die hierfür erforderlichen vor- und nachgelagerten Prozesse anzunehmenden Zeitbedarfs. Der postulierte Ansatz ermöglicht eine hohe Prognosegüte und beschränkt sich hinsichtlich des Datenbedarfs auf typischerweise in Verkehrsunternehmen verfügbare Daten.Item Open Access Modellierung von Bodenerosion und Sedimentaustrag bei Hochwasserereignissen am Beispiel des Einzugsgsgebiets der Rems(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2022) Schönau, Steffen; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing.)Die vorliegende Dissertation untersucht Bodenerosion und Sedimentaustrag bei Hochwasserereignissen und Starkniederschlägen im Einzugsgebiet der Rems (Flussgebiet Neckar, Stromgebiet Rhein). Es werden die Grundlagen des Zusammenspiels von (Stark-) Niederschlag, Hochwasser und Sturzfluten, Bodenerosion und Sedimentaustrag sowie deren messtechnische und modellbasierte Erfassung dargestellt. Die Anwendung empirischer Modellansätze im Untersuchungsgebiet beinhaltet Modellparametrisierung, -kalibrierung und -validierung sowie Regionalisierung für die Übertragbarkeit auf unbeobachtete Gebiete. Es erfolgt eine Untersuchung des räumlichen Zusammenhangs der flächenhaften Eingangsdaten und Modellergebnisse sowie die Beurteilung der Wirkung von konservierender Bodenbearbeitung auf die Bodenabtrags- und Sedimentaustragsschätzungen. Es werden sowohl langandauernde advektive, zu Flusshochwasser führende Niederschlagsereignisse betrachtet als auch kurzzeitige konvektive Sommerereignisse, die nur zu wenig Abfluss oder aber auch zu Sturzfluten führen. Mit der entwickelten Methodik können saisonale und gebietsspezifische Eigenheiten wie Niederschlagscharakteristika, Landnutzung und Landbedeckung sowie Anfangsbodenfeuchte berücksichtigt werden. Ein Ergebnis ist die Bereitstellung von Eingangsdaten für die Optimierung der Steuerung von Hochwasserrückhaltebecken und Speichern zur gezielten Retention stofflicher Belastungen. Teile der Untersuchungen für diese Dissertation haben ihren Ursprung im RIMAX-Verbundvorhaben "Entwicklung eines integrativen Bewirtschaftungskonzepts für Trockenbecken und Polder zur Hochwasserrückhaltung".Item Open Access Investigations on functional relationships between cohesive sediment erosion and sediment characteristics(Stuttgart : Eigenverlag des Instituts für Wasser- und Umweltsystemmodellierung der Universität Stuttgart, 2021) Beckers, Felix; Wieprecht, Silke (Prof. Dr.-Ing.)