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 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 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 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.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 Parallele Numerische Simulation instationärer Probleme mit adaptiven Methoden auf unstrukturierten Gittern(2001) Lang, Stefan; Helmig, Rainer (Prof. Dr. Ing.)Ziel dieser Arbeit ist die Numerische Simulation von partiellen Differentialgleichungen mit den aktuellen Methoden: Mehrgitterverfahren, lokale Gitteradaption und Parallelität. Besonders Aspekte des Softwareengineerings und der Implementierung werden im Detail betrachtet. Diese Methoden werden durch paralleles I/0 und parallele Graphik zu einer skalierbaren Toolkette erweitert. Anhand von drei Gleichungstypen: Dichtegetriebene Grundwasserströmung, Zweiphasen-Strömung und Elastoplastizität wird die Leistungsfähigkeit der realisierten Simulationsplattform untersucht. Beispielsweise konnte bei einer Simulation auf 512 Prozessoren eine Beschleungiung von mehr als 300 erzielt werden.