02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Batch studies of phosphonate and phosphate adsorption on granular ferric hydroxide (GFH) with membrane concentrate and its synthetic replicas(2020) Reinhardt, Tobias; Veizaga Campero, Adriana Noelia; Minke, Ralf; Schönberger, Harald; Rott, EduardPhosphonates are widely used as antiscalants for softening processes in drinking water treatment. To prevent eutrophication and accumulation in the sediment, it is desirable to remove them from the membrane concentrate before they are discharged into receiving water bodies. This study describes batch experiments with synthetic solutions and real membrane concentrate, both in the presence of and absence of granular ferric hydroxide (GFH), to better understand the influence of ions on phosphonate and phosphate adsorption. To this end, experiments were conducted with six different phosphonates, using different molar Ca:phosphonate ratios. The calcium already contained in the GFH plays an essential role in the elimination process, as it can be re-dissolved, and, therefore, increase the molar Ca:phosphonate ratio. (Hydrogen-)carbonate ions had a competitive effect on the adsorption of phosphonates and phosphate, whereas the influence of sulfate and nitrate ions was negligible. Up to pH 8, the presence of CaII had a positive effect on adsorption, probably due to the formation of ternary complexes. At pH > 8, increased removal was observed, with either direct precipitation of Ca:phosphonate complexes or the presence of inorganic precipitates of calcium, magnesium, and phosphate serving as adsorbents for the phosphorus compounds. In addition, the presence of (hydrogen-)carbonate ions resulted in precipitation of CaCO3 and/or dolomite, which also acted as adsorbents for the phosphorus compounds.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 Designing actuation concepts for adaptive slabs with integrated fluidic actuators using influence matrices(2022) Nitzlader, Markus; Steffen, Simon; Bosch, Matthias J.; Binz, Hansgeorg; Kreimeyer, Matthias; Blandini, LucioPrevious work has shown that floor slabs make up most of the material mass of building structures and are typically made of reinforced concrete. Considering the associated resource consumption and greenhouse gas emissions, new approaches are needed in order to reduce the built environment’s impact on the ongoing climate crisis. Various studies have demonstrated that adaptive building structures offer a potential solution for reducing material resource consumption and associated emissions. Adaptive structures have the ability to improve load-bearing performance by specifically reacting to external loads. This work applies the concept of adaptive structures to reinforced concrete slabs through the integration of fluidic actuators into the cross-section. The optimal integration of actuators in reinforced concrete slabs is a challenging interdisciplinary design problem that involves many parameters. In this work, actuation influence matrices are extended to slabs and used as an analysis and evaluation tool for deriving actuation concepts for adaptive slabs with integrated fluidic actuators. To define requirements for the actuator concept, a new procedure for the selection of actuation modes, actuator placement and the computation of actuation forces is developed. This method can also be employed to compute the required number of active elements for a given load case. The new method is highlighted in a case study of a 2 m × 2 m floor.Item Open Access Comparison study of phase-field and level-set method for three-phase systems including two minerals(2022) Kelm, Mathis; Gärttner, Stephan; Bringedal, Carina; Flemisch, Bernd; Knabner, Peter; Ray, NadjaWe investigate reactive flow and transport in evolving porous media. Solute species that are transported within the fluid phase are taking part in mineral precipitation and dissolution reactions for two competing mineral phases. The evolution of the three phases is not known a-priori but depends on the concentration of the dissolved solute species. To model the coupled behavior, phase-field and level-set models are formulated. These formulations are compared in three increasingly challenging setups including significant mineral overgrowth. Simulation outcomes are examined with respect to mineral volumes and surface areas as well as derived effective quantities such as diffusion and permeability tensors. In doing so, we extend the results of current benchmarks for mineral dissolution/precipitation at the pore-scale to the multiphasic solid case. Both approaches are found to be able to simulate the evolution of the three-phase system, but the phase-field model is influenced by curvature-driven motion.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 Finite element based design of timber structures(2023) Töpler, Janusch; Schweigler, Michael; Lemaître, Romain; Palma, Pedro; Schenk, Martin; Grönquist, Philippe; Tapia Camú, Cristóbal; Hochreiner, Georg; Kuhlmann, UlrikeItem Open Access Lateral torsional buckling of glulam beam-columns : axial compression and bending verification(2024) Töpler, Janusch; Kuhlmann, Ulrike; Schänzlin, JörgItem 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 Effects of enzymatically induced carbonate precipitation on capillary pressure : saturation relations(2022) Hommel, Johannes; Gehring, Luca; Weinhardt, Felix; Ruf, Matthias; Steeb, HolgerLeakage mitigation methods are an important part of reservoir engineering and subsurface fluid storage, in particular. In the context of multi-phase systems of subsurface storage, e.g., subsurface CO2 storage, a reduction in the intrinsic permeability is not the only parameter to influence the potential flow or leakage; multi-phase flow parameters, such as relative permeability and capillary pressure, are key parameters that are likely to be influenced by pore-space reduction due to leakage mitigation methods, such as induced precipitation. In this study, we investigate the effects of enzymatically induced carbonate precipitation on capillary pressure-saturation relations as the first step in accounting for the effects of induced precipitation on multi-phase flow parameters. This is, to our knowledge, the first exploration of the effect of enzymatically induced carbonate precipitation on capillary pressure-saturation relations thus far. First, pore-scale resolved microfluidic experiments in 2D glass cells and 3D sintered glass-bead columns were conducted, and the change in the pore geometry was observed by light microscopy and micro X-ray computed tomography, respectively. Second, the effects of the geometric change on the capillary pressure-saturation curves were evaluated by numerical drainage experiments using pore-network modeling on the pore networks extracted from the observed geometries. Finally, parameters of both the Brooks-Corey and Van Genuchten relations were fitted to the capillary pressure-saturation curves determined by pore-network modeling and compared with the reduction in porosity as an average measure of the pore geometry’s change due to induced precipitation. The capillary pressures increased with increasing precipitation and reduced porosity. For the 2D setups, the change in the parameters of the capillary pressure-saturation relation was parameterized. However, for more realistic initial geometries of the 3D samples, while the general patterns of increasing capillary pressure may be observed, such a parameterization was not possible using only porosity or porosity reduction, likely due to the much higher variability in the pore-scale distribution of the precipitates between the experiments. Likely, additional parameters other than porosity will need to be considered to accurately describe the effects of induced carbonate precipitation on the capillary pressure-saturation relation of porous media.