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Die Studie erörtert anhand eines Fallbeispiels aus der Mathematik für Ingenieur*innen, wie didaktische Gestaltungsprinzipien für Soziale Präsenz, Kollaboration und das Lösen von praxisnahen Problemen mit mathematischem Denken in einer Online-Umgebung aussehen können. Hierfür zieht der
Beitrag den forschungsmethodologischen Rahmen Design-Based Research (DBR) hinzu und berichtet über Zwischenergebnisse. DBR wird an dieser Stelle als eine systematische Herangehensweise an kurzfristige Lehrveränderungen und als Chance auf dem Weg zu einer neuen Hochschullehre nach der COVID-19-Pandemie dargestellt, die theoretische und empirische Erkenntnisse mit Praxisverknüpfung und -relevanz vereint.
Der vorliegende Beitrag stellt den seismischen Nachweis von Mauerwerksbauten in Deutschland auf Grundlage der DIN EN 1998‐1/NA vor, wobei auch die wesentlichen Änderungen zu der Norm DIN 4149 vergleichend erläutert werden. Vorgestellt werden die Definition der Erdbebeneinwirkung, das seismische Verhalten von Mauerwerksbauten und die Erläuterung der Rechenverfahren. Darauf aufbauend wird die Anwendung an drei Praxisbeispielen demonstriert.
„Smartes“ Laden an öffentlich zugänglichen Ladesäulen – Teil 2: USER-Verhalten und -Erwartungen
(2021)
Thematisch widmet sich das Projekt Coolplan- AIR der Fortentwicklung und Feldvalidierung eines Berechnungs- und Auslegungstools zur energieeffizienten Kühlung von Gebäuden mit luftgestützten Systemen. Neben dem Aufbau und der Weiterentwicklung von Simulationsmodellen erfolgen Vermessungen der Gesamtsysteme anhand von Praxisanlagen im Feld. Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Vermessung, Simulation und Integration rein luftgestützter Kühltechnologien. Im Bereich der Kälteerzeugung wurden Luft‐ Luft‐ Wärmepumpen, Anlagen zur adiabaten Kühlung bzw. offene Kühltürme und VRF‐ Multisplit‐ Systeme (Variable Refrigerant Flow) im Feld bzw. auf dem Teststand der HSD vermessen. Die Komponentenmodelle werden in die Matlab/Simulink‐ Toolbox CARNOT integriert und anschließend auf Basis der zuvor erhaltenen Messdaten validiert.
Einerseits erlauben die Messungen das Betriebsverhalten von Anlagenkomponenten zu analysieren. Andererseits soll mit der Vermessung im Feld geprüft werden, inwieweit die Simulationsmodelle, welche im Vorgängerprojekt aus Prüfstandmessungen entwickelt wurden, auch für größere Geräteleistungen Gültigkeit besitzen. Die entwickelten und implementierten Systeme, bestehend aus verschiedensten Anlagenmodellen und Regelungskomponenten, werden geprüft und dahingehend qualifiziert, dass sie in Standard- Auslegungstools zuverlässig verwendet werden können.
Zusätzlich wird ein energetisches Monitoring eines Hörsaalgebäudes am Campus Jülich durchgeführt, das u. a. zur Validierung der Kühllastberechnungen in gängigen Simulationsmodelle genutzt werden kann.
Im Projekt Coolplan‐ AIR geht es um die Fortentwicklung und Feld‐ Validierung eines Berechnungs‐ und Auslegungstools zur energieeffizienten Kühlung von Gebäuden mit luftgestützten Systemen. Neben dem Aufbau und der Weiterentwicklung von Simulationsmodellen erfolgen Vermessungen der Gesamtsysteme anhand von Praxisanlagen im Feld. Eine der betrachteten Anlagen arbeitet mit indirekter Verdunstung. Diese Veröffentlichung zeigt den Entwicklungsprozess und den Aufbau des Simulationsmodells zur Verdunstungskühlung in der Simulationsumgebung Matlab‐ Simulink mit der CARNOT‐ Toolbox. Das besondere Augenmerk liegt dabei auf dem physikalischen Modell des Wärmeübertragers, in dem die Verdunstung implementiert ist. Dem neuen Modellansatz liegt die Annahme einer aus der Enthalpie‐ Betrachtung hergeleiteten effektiven Wärmekapazität zugrunde. Des Weiteren wird der Befeuchtungsgrad als konstant angesehen und eine standardisierte Zunahme der Wärmeübertragung des feuchten gegenüber dem trockenen Wärmeübertrager angenommen. Die Validierung des Modells erfolgte anhand von Literaturdaten. Für den trockenen Wärmetauscher ist der maximale absolute Fehler der berechneten Austrittstemperatur (Zuluft) kleiner als ±0.1 K und für den nassen Wärmetauscher (Kühlfall) unter der Annahme eines konstanten Verdunstungsgrades kleiner als ±0.4 K.
Stahlbetonrahmentragwerke mit Mauerwerksausfachungen weisen nach Erdbebenereignissen häufig schwere Schäden auf, da die Ausfachungen ohne weitere konstruktive Maßnahmen mit vollem Kontakt zum Stahlbetonrahmen eingemauert werden. Durch die unplanmäßige Beteiligung am horizontalen Lastabtrag erfahren die Ausfachungen Belastungen in Wandebene und beeinflussen das globale Schwingungsverhalten der Rahmentragwerke. In Kombination mit den gleichzeitig auftretenden seismischen Trägheitskräften senkrecht zur Wand führt dies in vielen Fällen zu einem Versagen der mit niedrigen Festigkeiten ausgeführten Ausfachungen. Dies war der Anlass in dem europäischen Forschungsprojekt INSYSME ein Entkopplungssystem zu entwickeln, mit dem Rahmen und Ausfachung durch ein spezielles Profil aus Elastomeren entkoppelt werden.
Das Profil ermöglicht Relativverschiebungen zwischen Rahmen und Ausfachung und stellt gleichzeitig die Aufnahme von Belastungen senkrecht zur Wand sicher. Der Beitrag erläutert zunächst den Aufbau des Systems und gibt einen Überblick über die in Kleinbauteilversuchen ermittelten Tragfähigkeiten. Zudem werden experimentelle Untersuchungen an mit hochwärmedämmenden Mauerziegeln ausgefachten Stahlbetonrahmen mit und ohne Entkopplungssystem für getrennte und kombinierte Belastungen in und senkrecht zur Wandebene vorgestellt. Auf Grundlage einer Versuchsauswertung und eines Ergebnisvergleichs werden Wirkungsweise und Effektivität des entwickelten Entkopplungssystems demonstriert.
Eine seismische Anregung verursacht in einem Flüssigkeitstank einen kombinierten Spannungszustand, was zu einem Stabilitätsversagen der häufig sehr dünnwandigen Konstruktionen führen kann. Für die Durchführung von Stabilitätsnachweisen stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Üblicherweise werden aus Gründen der Einfachheit spannungsbasierte Verfahren angewendet. Diese sind für Einheitslastfälle experimentell abgesichert, wobei eine Übertragung auf kombinierte Spannungszustände wie im Erdbebenfall nur begrenzt möglich ist. Alternativ kann ein globales, numerisches Konzept, das LBA/MNA-Verfahren, angewendet werden. Das Verfahren kombiniert eine materiell nichtlineare Berechnung (MNA) mit einer linearen Beulanalyse (LBA) und erfasst die Interaktion verschiedener gleichzeitig auftretender Beanspruchungen implizit im Nachweis. Dieser Beitrag demonstriert die Anwendung der Verfahren am Beispiel verschiedener Tankgeometrien mit Höhe/Radius-Verhältnissen zwischen 1 ≤ H/R ≤ 2 und Radius/Tankwand-Verhältnissen zwischen 500 ≤ R/t ≤ 1000 und diskutiert zusätzlich die Defizite der spannungsbasierten Nachweisverfahren.
Die erdbebensichere Auslegung von erdverlegten Rohrleitungssystemen ist von wesentlicher Bedeutung zur Sicherstellung der Funktionalität der Versorgungsinfrastruktur nach einem Erdbebenereignis. Zur Vermeidung von Netzausfällen ist es erforderlich, die räumlich weit ausgedehnten Leitungssysteme mit geeigneten rechnerischen Modellen seismisch zu bemessen. Der vorliegende Beitrag behandelt die Beanspruchung von Rohrleitungssystemen durch seismische Welleneinwirkung und stellt geeignete Näherungsansätze und ein detailliertes Rechenmodell für seismische Leitungsanalysen vor. Mit den Ansätzen wird in Berechnungsbeispielen der Einfluss wesentlicher Parameter auf die seismisch induzierten Dehnungen in Rohrleitungssystemen untersucht.
Stahlbetonrahmentragwerke mit Ausfachungen aus Mauerwerk weisen nach Erdbeben häufig schwere Schäden auf. Gründe hierfür sind die Beanspruchungen der Ausfachungswände durch die aufgezwungenen Rahmenverformungen in Wandebene und die gleichzeitig auftretenden Trägheitskräfte senkrecht zur Wandebene in Kombination mit der konstruktiven Ausführung des Ausfachungsmauerwerks. Die Ausfachung wird in der Regel knirsch gegen die Rahmenstützen gemauert, wobei der Verschluss der oberen Fuge mit Mörtel oder Montageschaum erfolgt. Dadurch kommt es im Erdbebenfall zu lokalen Interaktionen zwischen Ausfachung und Rahmen, die in der Folge zu einem Versagen einzelner Ausfachungswände oder zu einem sukzessiven Versagen des Gesamtgebäudes führen können. Die beobachteten Schäden waren die Motivation dafür, in dem europäischen Forschungsprojekt INSYSME für Stahlbetonrahmentragwerke mit Ausfachungen aus hochwärmedämmenden Ziegelmauerwerk innovative Lösungen zur Verbesserung des seismischen Verhaltens zu entwickeln. Der vorliegende Beitrag stellt die im Rahmen des Projekts von den deutschen Projektpartnern (Universität Kassel, SDA-engineering GmbH) entwickelten Lösungen vor und vergleicht deren seismisches Verhalten mit der traditionellen Ausführung der Ausfachungswände. Grundlage für den Vergleich sind statisch-zyklische Wandversuche und Simulationen auf Wandebene. Aus den Ergebnissen werden Empfehlungen für die erdbebensichere Auslegung von Stahlbetonrahmentragwerken mit Ausfachungen aus Ziegelmauerwerk abgeleitet.
Mit finanzieller Unterstützung der Deutschen Gesellschaft für Mauerwerks- und Wohnungsbau e.V. (DGfM) und des Deutschen Instituts für Bautechnik in Berlin (DIBt) wurden zwei aufeinander aufbauende Forschungsvorhaben zur Verbesserung der seismischen Nachweise von Mauerwerksbauten in deutschen Erdbebengebieten durchgeführt. Zunächst wurde das seismische Verhalten von drei modernen unbewehrten Mauerwerksgebäuden in der Region Emilia Romagna in Italien während der Erdbebenserie im Jahr 2012 in Kooperation mit der Universität Pavia eingehend untersucht. Aufbauend auf den Erkenntnissen dieser Untersuchungen wurde ein verbessertes seismisches Bemessungskonzept für unbewehrte Mauerwerksbauten erarbeitet. Der Beitrag stellt die wesentlichen Ergebnisse dieser Forschungsarbeiten und deren Eingang in die Normung vor.
Erdbebennachweis von Mauerwerksbauten mit realistischen Modellen und erhöhten Verhaltensbeiwerten
(2020)
Die Anwendung des linearen Nachweiskonzepts auf Mauerwerksbauten führt dazu, dass bereits heute Standsicherheitsnachweise für Gebäude mit üblichen Grundrissen in Gebieten mit moderaten Erdbebeneinwirkungen nicht mehr geführt werden können. Diese Problematik wird sich in Deutschland mit der Einführung kontinuierlicher probabilistischer Erdbebenkarten weiter verschärfen. Aufgrund der Erhöhung der seismischen Einwirkungen, die sich vielerorts ergibt, ist es erforderlich, die vorhandenen, bislang nicht berücksichtigten Tragfähigkeitsreserven in nachvollziehbaren Nachweiskonzepten in der Baupraxis verfügbar zu machen. Der vorliegende Beitrag stellt ein Konzept für die gebäudespezifische Ermittlung von erhöhten Verhaltensbeiwerten vor. Die Verhaltensbeiwerte setzen sich aus drei Anteilen zusammen, mit denen die Lastumverteilung im Grundriss, die Verformungsfähigkeit und Energiedissipation sowie die Überfestigkeiten berücksichtigt werden. Für die rechnerische Ermittlung dieser drei Anteile wird ein nichtlineares Nachweiskonzept auf Grundlage von Pushover-Analysen vorgeschlagen, in denen die Interaktionen von Wänden und Geschossdecken durch einen Einspanngrad beschrieben werden. Für die Bestimmung der Einspanngrade wird ein nichtlinearer Modellierungsansatz eingeführt, mit dem die Interaktion von Wänden und Decken abgebildet werden kann. Die Anwendung des Konzepts mit erhöhten gebäudespezifischen Verhaltensbeiwerten wird am Beispiel eines Mehrfamilienhauses aus Kalksandsteinen demonstriert. Die Ergebnisse der linearen Nachweise mit erhöhten Verhaltensbeiwerten für dieses Gebäude liegen deutlich näher an den Ergebnissen nichtlinearer Nachweise und somit bleiben übliche Grundrisse in Erdbebengebieten mit den traditionellen linearen Rechenansätzen nachweisbar.
Speicher statt Kohle. Integration thermischer Stromspeicher in vorhandene Kraftwerksstandorte
(2019)
Die Energiewirtschaft befindet sich in einem starken Wandel, der v. a. durch die Energiewende und Digitalisierung Druck auf sämtliche Marktteilnehmer ausübt. Das klassische Geschäftsmodell des Energieversorgungsunternehmens verändert sich dabei grundlegend. Der kontinuierlich ansteigende Einsatz dezentraler und volatiler Erzeugungsanlagen macht die Identifikation von Flexibilitätspotenzialen notwendig, um weiterhin eine hohe Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Dieser Schritt ist nur mit einem hohen Digitalisierungsgrad möglich. Eine funktionale Plattform mit Microservices, die zu Geschäftsprozessen verbunden werden können, wird als Möglichkeit zur Aktivierung der Flexibilität und Digitalisierung der Energieversorgungsunternehmen im Folgenden vorgestellt.
Extrem hohe Blitzströme
(2018)
Blitze sind nach wie vor eine enorme Schadensquelle für Personenschäden, Brände, mechanische Zerstörungen und insbesondere auch Überspannungen. Das zeigen nicht zuletzt aktuelle Statistiken der Schadensversicherer. Immer wieder gibt es Meldungen über extrem hohe Blitzströme, die natürlich auch zu großen Schäden und Zerstörungen führen können. Dabei werden Scheitelwerte von teilweise deutlich über 300 kA genannt. Dies wirft Fragen auf, da die „klassische“ Blitzstatistik (z. B. nach CIGRE und IEC [8][10]) bisher solche Werte nicht kennt. Diese extremen Blitzströme werden meist aus den Daten von Blitzortungssystemen ermittelt.
Extrem hohe Blitzströme
(2017)
Mathematik PLuS als E-Book. Kann ein E-Book zur Ingenieursmathematik alle Lerntypen ansprechen?
(2017)
Für das Auftreten extremer Wetterereignisse werden für Kernkraftwerke Eintrittshäufigkeiten für nicht mehr beherrschbare Zustände von unter 10⁻⁴/a gefordert. Dies gilt auch für die Einwirkung von Blitzeinschlägen. Die bisherige Nachweisführung zu Blitz- und Überspannungsschutz eines KKW in Deutschland ist deterministisch. In diesem Bericht werden das Vorgehen für einen entsprechenden Nachweis für leittechnische Einrichtungen der Sicherheitstechnik von KKW, der zur geforderten Zielgröße der Eintrittshäufigkeit führt. Die Ergebnisse werden zusammenfassend bewertet.
In Anbetracht weltweit zunehmend strengerer klimapolitischer
Ziele steigt auch der Druck für Nutzfahrzeughersteller, effizientere und umweltfreundlichere
Technologien zu entwickeln. Den Blick bei der Bewertung dieser
ausschließlich auf die Fahrzeugnutzung zu richten, ist längst nicht mehr zufriedenstellend.
Im Rahmen dieser Analyse wird ein gegenwärtig auf dem Markt erwerblicher
und in deutschen Städten bereits seit Jahren betriebener Hybridbus
energetisch und ökologisch mit einem konventionell angetriebenen, nahezu baugleichen
Modell entlang des Lebensweges bewertet.
Nach Definition von Ziel und Untersuchungsrahmen wird ein Überblick auf bereits
durchgeführte Lebenszyklusanalysen zu Hybridbussen im Stadtverkehr gegeben
und Schlussfolgerungen für die anschließende Analyse abgeleitet. Diese
wird im Rahmen einer energetischen und ökologischen Bewertung beider Produktsysteme
anhand der Parameter "Primärenergieeinsatz" und "CO2äq Emissionen"
praktiziert. Der Fahrzeugrumpf beider Fahrzeuge des gleichen Modells
wird dabei als einheitlich angenommen, sodass bei dem Vergleich der Herstellung
vereinfacht nur die sich unterscheidenden Komponenten des Antriebstranges
berücksichtigt werden. Die Resultate der Wirkungsabschätzung werden als
Differenz des Hybridbusses gegenüber dem Referenzfahrzeug über die einzelnen
Lebenszyklusphasen dargestellt. Schließlich werden Prognosen getroffen, ab
welcher Strecke die bei der Herstellung erzeugten höheren CO2äq Emissionen
des Hybridantriebstranges gegenüber dem Referenzmodell ausgeglichen werden.