02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Introduction to air-water flows(1991) Kobus, HelmutFor many hydraulic structures, safe operation can only be achieved if not only the characteristics of the water flow are considered, but due attention is also given to the simultaneous movement of air in the system. Although the difference in specific weight of air and water is so large that they are usually well separated by a sharp interface, a number of flow configurations lead to an intensive mixing across this surface. This process is called air entrainment. Consideration of the effects of entrained air upon water flow may be essential to provide for the safe operation of a hydraulic structure.Item Open Access Simulation of cracking and failure of concrete structures(1990) Cervenka, Vladimir; Eligehausen, RolfThe computer simulation of the cracking process in concrete structures is performed by means of the program system SBETA. The program is based on nonlinear hypo-elastic constitutive model, which covers all important, experimentally derived material properties, namely, cracking, nonlinear stress-strain law in compression, softenning in compression and tension, biaxial failure function, etc. The nonlinear fracture mechanics is included by means of the fictitious crack model and smeared crack approach. Two examples of computer simulation of concrete fracture are shown. In the first example, the failure mode of a pull-out test is presented. In the second example, the process of the crack development and shear failure of a reinforced concrete beam is simulated.Item Open Access Warmbeton : Mischungsentwicklung mit verbesserter Übertragbarkeit in den Realmaßstab(2019) Schließer, Agnes; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)Warmbeton vereint tragende und wärmedämmende Eigenschaften in einem Baustoff. Damit ist die monolithische Ausführung von Außenwänden und der Verzicht auf eine zusätzliche Wärmedämmschicht möglich. Die Entwicklung und Verbesserung solcher Baustoffe wird von der klimaschutzpolitischen Forderung nach einem annähernd klimaneutralen Gebäudebestand in Deutschland gefördert. Findet die Entwicklung neuer Betone ausschließlich im Labor statt, sind unter den dort herrschenden optimalen Bedingungen sehr gute Betoneigenschaften einstellbar. Für eine erfolgreiche Übertragung in den Realmaßstab ist bereits von Beginn der Mischungsentwicklung an auf ein robustes Frischbetonverhalten zu achten, das über die Betrachtung der Packungsdichte abzuschätzen ist. Wird ebenfalls frühzeitig der von Mischerbautyp und -größe abhängige Energieeintrag in die Mischung betrachtet, ist die Übertragung vom Labor- auf den Produktionsmischer bei nahezu gleichbleibender Betongüte möglich. Unter Berücksichtigung dieser Einflussgrößen gelang die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit eines Warmbetons auf einen Bemessungswert von lediglich 0,125 W/(m·K). In der vorliegenden Arbeit werden Mischungsentwicklung und Betoneigenschaften zusammengefasst.Item Open Access Application of a non-parametric classification scheme to catchment hydrology(2008) He, Yi; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing. habil.)Classification has been considered a fundamental step towards improved catchment hydrology science. Catchments classification has been traditionally carried out via Linnaeus-type cluster analysis, mainly represented by hierarchical approaches and methods based on partitioning of hydrological data set. This paper proposes a new scheme where the classification procedure is based on similarity interpreted as distances between catchments. The similarity or distance is defined under the following premises: 1. similar catchments behave similarly; 2. similarity can be described with catchments' characteristics; and 3. hydrological models are able to capture catchments' similarity. If many sets of model parameters lead to similar model performance for two catchments, they are considered as similar catchments. To implement the proposed scheme, two procedures, namely multidimensional scaling (MDS) and local variance reduction (LVR), are undertaken to construct a configuration of n catchments' characteristics in Euclidean space using information about similar performance between the catchments. The MDS is used to determine the appropriate dimension of the Euclidean space and the LVR is used to obtain the transformation matrix and the coordinates in the transformed Euclidean space. This scheme avoids the idea of parametric regression-based regionalization approaches where a regression function is pre-defined between model parameters and catchment descriptors. In the aforementioned approach, the function that is selected is usually subjective and arbitrary and one can also argue that a priori function is neither able to represent the highly complex hydrological processes nor consider the interdependences amongst model parameters. The proposed scheme is initially tested with a research version of the HBV-IWS model on a number of catchments within the Rhine Basin. Additionally a modified Xinanjiang model is applied to the same catchments to check if the assumption of invariant catchment similarity holds true. Invariant catchment similarity here assumes the catchments genuinely carry their similarities independent of the model used for simulation. This test is also a backstop measure to determine if the models under consideration are capturing the underlying simplified hydrological processes in a rational manner. The scheme will be extended to regional calibration of rainfall runoff models as well as regional drought or flood studies once similarity within catchments has been established. The proposed scheme will eventually contribute to the PUB (Predictions in Ungauged Basins) initiative.Item Open Access Einfluss des Tragverhaltens von Dübelbefestigungen auf die Bauwerk-Komponenten-Wechselwirkungen bei Erdbebenbeanspruchung(2019) Dwenger, Fabian; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)Befestigungen mit nachträglich montierten Dübeln haben sich im Hochbau in den letzten Jahrzehnten als flexibel einsetzbare Verbindungsmethode zwischen Komponenten und Stahlbetontragwerken bewährt. Auch im kerntechnischen Bereich wurden nachträglich montierte Dübel zur Befestigung z. B. von Rohrleitungen an Stahlbetonstrukturen eingesetzt. Aufgrund der hohen sicherheitstechnischen Bedeutung von Integrität und Funktionsfähigkeit kerntechnischer Komponenten werden an deren lastabtragende Befestigungen ebenfalls hohe Anforderungen gestellt. Dies gilt insbesondere für außergewöhnliche Einwirkungen z. B. im Falle eines Erdbebens. Durch die Erdbebenerregung des Reaktorgebäudes und der daran befestigten Komponenten sind auch die Befestigungen schwingenden Belastungen ausgesetzt. Kommt es infolge der Erdbebeneinwirkung auf das Tragwerk zu Rissbildung im Beton, können Risse im Verankerungsgrund auch zu einer signifikanten Anzahl von Rissöffnungszyklen führen, die das Last-Verschiebungsverhalten der Dübel beeinflussen. Die detaillierte Untersuchung des Tragverhaltens von Dübelbefestigungen bei schwingender Belastung und bei Öffnen und Schließen von Rissen war in den letzten Jahren Gegenstand zahlreicher Forschungsvorhaben auch in Deutschland, nachdem in deutschen Kernkraftwerken fehlerhaft montierte Dübel festgestellt wurden und dadurch Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Auswirkungen auf Komponenten entstanden. Die in dieser Dissertation vorgestellten Untersuchungen leisten insbesondere zur numerischen Untersuchung des Tragverhaltens des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung einen Beitrag. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand realitätsnah gewählter numerischer Modelle den Einfluss des lokalen Befestigungstragverhaltens auf das strukturdynamische und –mechanische Verhalten des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden zunächst nach Darlegung der Problemstellung (Kapitel 1), Vorgehensweise und Zielsetzung (Kapitel 2) die notwendigen Grundlagen der relevanten Themengebiete im Stand von Wissenschaft und Technik (Kapitel 3) erarbeitet. Für die Entwicklung eines numerischen Modells des Tragverhaltens einer Befestigung werden zunächst vereinfachte (Rechen-)Modelle und Modellansätze, die in der Literatur zu finden sind, erläutert (Kapitel 4). Anhand dieser analytischen Rechenmodelle wird eine erste Abschätzung der zu erwartenden Dübelverschiebungen infolge Erdbebeneinwirkung durchgeführt. Anschließend wird entsprechend der Regeln des Kerntechnischen Ausschusses (KTA) eine Erdbebensimulation jeweils für ein Reaktorgebäude und für eine Rohrleitungskomponente durchgeführt (Kapitel 5). Um eine numerische Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu ermöglichen, wird ein numerisches Modell für eine Befestigung mit nachträglich montierten Dübeln auf Basis der zuvor dargestellten vereinfachten Rechenmodelle entwickelt (Kapitel 6). Darüber hinaus werden zulässige Modellvereinfachungen vorgenommen, um den Modellierungs- und Simulationsaufwand bei den Erdbebensimulationen zu reduzieren. Das numerische Modell für die Befestigung wird anschließend bei der numerischen Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung verwendet (Kapitel 7). Abschließend werden die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit diskutiert (Kapitel 8) und zusammengefasst (Kapitel 9) und ein Ausblick auf weitere Untersuchungen gegeben, die an diese Arbeit anknüpfen können (Kapitel 10).Item Open Access Befestigungen mit Verbundankern. [Teil 1](1984) Eligehausen, Rolf; Mallée, Rainer; Rehm, GallusSeit 1975 wurden Verbundankersysteme verschiedener Firmen bauaufsichtlich zugelassen, wobei die Systeme hinsichtlich der Zusammensetzung des Mörtels praktisch identisch sind. Diese Zulassungsbescheide regelten die Verwendung von Einzelankern sowie Ankerpaaren mit Ankern in der aus Lastspannungen erzeugten Druckzone von Beton- und Stahlbetonbauteilen. Die Anwendungsbedingungen wurden u. a. aus den beschriebenen Versuchen abgeleitet und sind ausführlich erläutert. Weitere wichtige Informationen über das Tragverhalten von Verbundankern mit großen Rand- und Achsabständen unter Kurzzeit-, Dauer- und Ermüdungsbelastung sowie bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen (Trocken- oder Naßlagerung) und bei erhöhten Temperaturen sind zu entnehmen. Zwischenzeitlich wurden wesentliche neue Erkenntnisse über das Tragverhalten von Verbundankern bei engen Rand- und Achsabständen sowie von Verankerungen in Rissen gewonnen, die bei der Neufassung der Zulassung berücksichtigt wurden. Diese Neufassung enthält auch wesentliche Vereinfachungen für die Bemessung von Befestigungen mit Verbundankern. In diesem Beitrag wird das Tragverhalten von Verbundankern unter Kurzzeitbelastung beschrieben und es wird auf Langzeiteinflüsse eingegangen. Weiterhin werden die in den Neuzulassungen festgelegten Anwendungsbedingungen erläutert.Item Open Access An example of a combined discharge-control and aeration structure(1983) Kobus, Helmut; Westrich, BernhardThe design of a hydraulic structure in a cooling water circuit is described which serves the dual purpose of controlling the water levels in the system upstream and of providing a maximum oxygen uptake without discharging large amounts of air into the subsequent pressure duct in order to avoid blow-out problems.Item Open Access Climate sensitivity of a large lake(2013) Eder, Maria Magdalena; Bárdossy, András (Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing.)Lakes are complex ecosystems that are on the one hand more or less enclosed by defined borders, but are on the other hand connected to their environment, especially to their catchment and the atmosphere. This study is examinig the climate sensitivity of large lakes using Lake Constance as an example. The lake is situated in Central Europe at the northern edge of the Alps, at the boundary of Austria, Germany and Switzerland. The maximum depth is 235 m, the total surface area is 535 km³ and the total volume 48.45 km². The numerical simulations in this study have been performed with the lake model system ELCOM-CAEDYM. The model system was validated using three different data sets: Observations of a turbid underflow after a flood flow in the main tributary, a lake-wide field campaign of temperature and phytoplankton, and long term monitoring data of temperature and oxygen in the hypolimion. The model system proved to be able to reproduce the effects of a flood flow in the largest tributary,. A huge turbid underflow was observed flowing into the main basin after an intense rain event in the Alps in August 2005. A numerical experiment showed the influence of the earth’s rotation on the flow path of the riverine water within the lake. The model also reproduced the temperature evolution and distribution and to some extent the phytoplankton patchiness measured in spring 2007 during an intensive field campaign. The model reproduced the measured time series of temperature and oxygen in the deep hypolimnion measured in the years 1980-2000. This indicates, that the vertical mixing and the lake’s cycle of mixing and stratification was reproduced correctly. Based on the model set-up validated with long term monitoring data, climate scenario simulations were run. The main focus was on temperature and oxygen concentrations in the hypolimnion, the cycle of stratification and mixing, and the heat budget of the lake. The meteorological boundary conditions for the climate scenario simulations were generated using a weather generator instead of downscaling climate projections from Global Climate Models. This approach gives the possibility to change different characteristics of the climate independently. The resulting lake model simulations are ”what-if”-scenarios rather than predictions, helping to obtain a deeper understanding of the processes in the lake. The main results can be summarized as follows: An increase in air temperature leads to an increase in water temperature, especially in the upper layers. The deep water temperature increases as well, but not to the same extent as the temperature of the epilimnion. This results in an increased vertical temperature difference. Due to the non-linear shape of the temperature-density curve, the difference in density grows even stronger than the temperature difference. This results in enhanced stratification stability, and consequently in less mixing. Complete mixing of the lake becomes more seldom in a warmer climate, but even in the scenario simulations with air temperature increased by 5 °C, full circulation took place every 3-4 years. Less complete mixing events lead to less oxygen in the hypolimnion. Additionally, as many biogeochemical processes are temperature dependant, the oxygen consumption rate is larger in warmer water. In the context of this study, climate variability is defined as episodes with daily average air temperatures deviating from the long-term average for this day of year. The episodes can be described by their duration in days and their amplitude in °C. Changes in climate variability can have very different effects, depending on the average air and water temperatures. The effects are stronger in lakes with higher water temperatures: For the hypolimnetic conditions, the seasonality in warming is important: Increasing winter air temperatures have a much stronger effect on the water temperatures in the lake than increasing summer temperatures. The combined effects of a warmer climate and higher nutrient concentrations enhances oxygen depletion in the hypolimnion. Finally, it is discussed, to what extent the results of this study are transferrable to other lakes. The reactions of Lake Constance to climate change are determined by the physical, geographical and ecological characteristics of the lake. Hydrodynamic reactions are defined by the mixing type, water temperatures and the residence time of the water in the lake. Furthermore it is important that the lake is almost never completely ice-covered, and that there are only minor salinity differences. The reactions of the ecosystem are determined also by the oligotrophic state of the lake. Results of this study thus can be transferred to other deep, monomictic, oligotrophic fresh water lakes, as for example the other large perialpine lakes of glacial origin.Item Open Access Numerical and experimental study of concrete structures exposed to impact and fire(2018) Ruta, Daniela; Ožbolt, Joško (Prof. Dr.-Ing. habil.)During their service life concrete and reinforced concrete structures may be exposed to extreme loading conditions such as fire, explosions, impact, earthquakes and terroristic attacks. In particular situations, as in case of chemical industries where the probabilities of explosions are relatively high, combination of extreme loadings represents a major risk. To assure safety conditions in terms of cost and lives losses for the involved structure as well as for the surrounding buildings, it is important to take into account the effect of multi-hazard phenomena. The aim of this work is to study the dynamic concrete behaviour after thermal exposure analyzing the change of the material state and structural response, by means of experimental tests and numerical analysis. In the literature, few studies can be found on the behaviour of concrete and RC structures subjected to coupled thermal and dynamic loads. The results of the study are also useful to extend the experimental and numerical database available in the literature. Experimental and numerical investigations on fire exposed plain concrete (compact tension specimen) and full scale reinforced concrete structures (slabs and frames) under high loading rates are presented and discussed.Item Open Access Modellierung von Parkraumnachfrage und Parkraummanagement-Maßnahmen in einem makroskopischen Verkehrsmodell(2005) Böhnke, Britta; Kühne, Reinhart (Prof. Dr. rer. nat.)Auf Basis eines makroskopischen Verkehrsmodells wird ein Ansatz zur Abbildung der Wirkungen aus Parkraumnachfrage und Parkraummanagement-Maßnahmen entwickelt. Die Abbildung der Wirkungen erfolgt auf Ebene des Modellierungsschritts Umlegung, der durch das Wirkungsmodell Parken erweitert wird. Im Wirkungsmodell Parken werden Widerstände aus Parkraumkapazität, Parkgebühr, Parkhöchstdauer sowie Sonderparkberechtigungen bestimmt. Diese Widerstände beeinflussen in der Umlegungsrechnung die Verteilung der Fahrzeuge auf das Parkraumangebot sowohl je Fahrtzweck als auch in Abhängigkeit von der Zeit. Zur Abbildung zielnaher Verlagerungen der Parkraumnachfrage wird das Parkraumangebot nicht auf Ebene der Verkehrszellen, sondern auf Ebene der neu eingeführten Netzelemente Parkknoten und Parkstrecken abgebildet. Parkknoten fassen räumlich nah beieinander liegende Stellplätze zusammen, die von Art und Bewirtschaftung des Stellplatzangebots vergleichbar sind. Parkstrekken dienen der Abbildung der Widerstände aus Parkraumnachfrage und Parkraummanagement-Maßnahmen als Zugangswiderstand zum Parkknoten im Netzmodell bzw. in der Umlegungsrechnung. Die Wirkungsweise dieses Ansatzes wird ausführlich anhand zweier Beispiele demonstriert und diskutiert. Der vorgestellte Ansatz ist geeignet, die Wirkungen aus Parkraumnachfrage und Parkraummanagement-Maßnahmen in einem Verkehrsmodell für verkehrs- und stadtplanerische Aufgaben abzubilden.