Fachbereich Energietechnik
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A refined substructure technique in the frequency domain is developed, which permits consideration of the interaction effects among adjacent containers through the supporting deformable soil medium. The tank-liquid systems are represented by means of mechanical models, whereas discrete springs and dashpots stand for the soil beneath the foundations. The proposed model is employed to assess the responses of adjacent circular, cylindrical tanks for harmonic and seismic excitations over wide range of tank proportions and soil conditions. The influence of the number, spatial arrangement of the containers and their distance on the overall system's behavior is addressed. The results indicate that the cross-interaction effects can substantially alter the impulsive components of response of each individual element in a tank farm. The degree of this impact is primarily controlled by the tank proportions and the proximity of the predominant natural frequencies of the shell-liquid-soil systems and the input seismic motion. The group effects should be not a priori disregarded, unless the tanks are founded on shallow soil deposit overlying very stiff material or bedrock.
EU-Projekt INSYSME : innovative Systeme für erdbebentaugliche Ausfachungswände aus Ziegelmauerwerk
(2014)
Am 1. Oktober 2013 ist das auf drei Jahre angelegte EU-Forschungsprojekt INSYSME – Innovative Systeme für erdbebentaugliche Ausfachungswände aus Ziegelmauerwerk in Stahlbetonrahmentragwerken – gestartet. Unter der Koordination der Universität Padua beteiligen sich 16 Partner aus sechs europäischen Ländern (Deutschland, Griechenland, Italien, Portugal, Rumänien, Türkei). Als deutsche Partner nehmen die Arbeitsgemeinschaft Mauerziegel aus Bonn, die Universität Kassel sowie das Ingenieurbüro SDA-engineering GmbH aus Herzogenrath, teil. Ziel der deutschen Partner ist die Entwicklung von innovativen Ausfachungssystemen aus monolithischem wärmedämmenden Ziegelmauerwerk, mit denen nicht nur eine erhöhte Erdbebensicherheit, sondern auch die sichere Erfüllung der steigenden Anforderungen aus Windbeanspruchungen gewährleistet werden können. Die Forschungsergebnisse sollen vom Partner SDA-engineering GmbH in die bereits seit einigen Jahren verfügbare Softwarelösung MINEA [1] integriert werden. Weitere Informationen stehen auf den Websites des Projektes [2] zur Verfügung. Im vorliegenden Beitrag werden nach einer kurzen thematischen Einführung die Ergebnisse von Tastversuchen an senkrecht zur Ebene belasteten Ausfachungswänden aus Planziegelmauerwerk vorgestellt. Im Anschluss wird das geplante Arbeitsprogramm der deutschen Partner im Projekt INSYSME beschrieben.
Die Erdbeben in Albstadt 1978 (Magnitude 5,7), Roermond 1992 (Magnitude 5,9) oder in Waldkirch 2004 (Magnitude 5,1) haben verdeutlicht, dass die erdbebensichere Auslegung von Mauerwerksbauten auch in Deutschland von großer Bedeutung ist. Bereits im Jahr 1981 wurde die DIN 4149 (1981) “Bauten in deutschen Erdbebengebieten – Lastannahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten“ eingeführt, in der aber für Mauerwerksbauten nur wenige Anforderungen gestellt wurden. Diese Norm wurde durch den NABau-Arbeitsausschuss “Erdbeben; Sonderfragen“ des Deutschen Instituts für Normung e.V. (DIN) auf Grundlage des Eurocode 8 (2004) vollständig überarbeitet und durch die DIN 4149 (2005) abgelöst, die umfangreiche Regelungen für die seismische Auslegung von Mauerwerksbauten enthält. Mittlerweile liegen die DIN EN 1998-1 (2010) und der Nationale Anhang DIN EN 1998-1/NA (2011) vor, die nach Einarbeitung der Ergebnisse der durchgeführten Anwendungserprobung bauaufsichtlich eingeführt und die DIN 4149 (2005) ersetzen werden. Der folgende Beitrag gibt einen Überblick über die seismische Berechnung und Bemessung von Mauerwerksbauten nach dem europäischen Regelwerk und illustriert deren Anwendung an einem baupraktischen Beispiel.
Moderne Mauerwerksbauten müssen nach heutigen Anforderungen architektonisch, statisch, energetisch sowie schall- und brandschutztechnisch optimal ausgelegt sein. Aufgrund der Komplexität und engen Verzahnung der einzelnen Anforderungen ist eine integrale Gebäudeplanung zur Erzielung einer qualitativ hochwertigen Bauwerkslösung unbedingt notwendig. Diese erfordert von den Fachplanern vertieftes Spezialwissen in den verschiedenen Bereichen, um insbesondere die Schnittstellen und Bauwerksdetails korrekt zu planen und auszuführen. Der Beitrag stellt die integrale Gebäudeplanung am Beispiel eines Geschossbaus in Ziegelbauweise mit Lösungen für wesentliche Detailpunkte vor
Bei der Ausarbeitung des nationalen Anwendungsdokumentes zur DIN EN 1998-1 waren die in der ENV-Fassung enthaltenen vereinfachten Regeln im Lichte aktueller Forschungsergebnisse zu überprüfen und zu überarbeiten. Die gleiche Aufgabe stellte sich auch für die Neufassung der DIN 4149. In beiden Fällen sind neben konstruktiven Regeln für die Art und Anordnung der zur Gebäudeaussteifung heranzuziehenden Wände im Grundriss Tabellen enthalten, die unter bestimmten Bedingungen den Entfall eines rechnerischen Nachweises der Tragwände im Erdbebenfall ermöglichen. Dies ist für Schwachbebengebiete, wie sie in Deutschland und anderen Ländern Mitteleuropas anzutreffen sind, sinnvoll, um unnötigen Rechenaufwand sowie Probleme mit der Führbarkeit von Nachweisen so weit wie möglich auszuschalten. Im vorliegenden Beitrag werden die Hintergründe der vereinfachten Regeln diskutiert und die Ergebnisse der Anwendung mit verschiedenen Rechenverfahren verglichen und bewertet.
Möglichkeiten und Grenzen der Anwendbarkeit statisch nichtlinearer Verfahren nach DIN EN 1998-1
(2011)
Moderne Bauwerke müssen heute eine hohe energetische Leistungsfähigkeit aufweisen und gleichzeitig alle einwirkenden Lasten sicher abtragen. Dies stellt insbesondere in Erdbebengebieten hohe Anforderungen an die verwendeten Baustoffe. Am baupraktischen Beispiel einer Doppelhaushälfte wird demonstriert, dass die Symbiose aus energieeffizientem und gleichzeitig erdbebensicherem Bauen in der höchsten deutschen Erdbebenzone mit monolithischem Ziegelmauerwerk gut realisierbar ist. Als Ziegelmauerwerk werden für die Außenwände wärmetechnisch optimierte Hochlochziegel verwendet, die sowohl die Anforderungen der Energieeinsparverordnung 2009 als auch die Anforderungen an Mauerwerkbaustoffe nach den aktuellen Erdbebennormen erfüllen. Der Erdbebennachweis der Doppelhaushälfte erfolgt mit einem nichtlinearen Nachweisverfahren, das für eine einfache praktische Anwendung programmtechnisch umgesetzt wurde. Für den Nachweis wurden aus zyklischen Schubwandversuchen ermittelte Last-Verformungskurven verwendet. Das gesamte in Deutschland noch nicht normativ geregelte Nachweiskonzept wurde im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall geprüft und genehmigt.
Die Erdbebensicherheit von Gebäuden aus Kalksandsteinmauerwerk ist aktuell nach DIN 4149 mit linearen Verfahren nachzuweisen. Dies führt in der praktischen Anwendung zu großen Problemen, da selbst traditionell übliche Grundrisse teilweise nicht mehr ohne zusätzliche Maßnahmen nachweisbar sind. Zur Lösung dieser Problematik wurden von der deutschen Mauerwerksindustrie auf nationaler und europäischer Ebene Forschungsprojekte initiiert, deren Ergebnisse in Form von statisch nichtlinearen Verfahren Eingang in den Nationalen Anhang zur DIN EN 1998-1 [12] gefunden haben. Mit den Verfahren wird die Nachweissituation zukünftig grundlegend verbessert, da mit diesen die Tragwerksreserven wesentlich besser ausgenutzt werden können. Im Folgenden wird die Anwendung der Verfahren am Beispiel einer Reihenhauszeile aus Kalksandsteinmauerwerk demonstriert. Der Nachweis der Reihenhäuser wurde im Rahmen einer Zustimmung im Einzelfall, die vom Bundesverband Kalksandsteinindustrie eV in Hannover koordiniert wurde, durch unabhängige Gutachter und die Bauaufsicht eingehend geprüft und für richtig befunden. Die Durchführung des Nachweises erfolgte auf Grundlage eines an der RWTH Aachen entwickelten neuen Nachweiskonzeptes. Die baupraktische Anwendbarkeit und einfache Nachvollziehbarkeit dieses Konzepts ist durch eine softwaretechnische Umsetzung sichergestellt.
Pseudo-dynamische Versuche an Reihenmittelhäusern – Vergleich mit aktuellen Berechnungsansätzen
(2008)
Verformungsbasierter seismischer Nachweis von Mauerwerksbauten mit der Kapazitätsspektrum-Methode
(2005)
Following earlier studies, we present forward and inverse simulations of heat and fluid transport of the upper crust using a local 3-D model of the Kola area. We provide best estimates for palaeotemperatures and permeabilities, their errors and their dependencies. Our results allow discriminating between the two mentioned processes to a certain extent, partly resolving the non-uniqueness of the problem. We find clear indications for a significant contribution of advective heat transport, which, in turn, imply only slightly lower ground surface temperatures during the last glacial maximum relative to the present value. These findings are consistent with the general background knowledge of (i) the fracture zones and the corresponding fluid movements in the bedrock and (ii) the glacial history of the Kola area.
Modeling contribution to risk assessment of thermal production power for geothermal reservoirs
(2013)
The proposed Den Haag Zuidwest district heating system of the city of The Hague consists of a deep doublet in a Jurassic sandstone layer that is designed for a production temperature of 75 °C and a reinjection temperature of 40 °C at a flow rate of 150 m3 h−1. The prediction of reservoir temperature and production behavior is crucial for success of the proposed geothermal doublet. This work presents the results of a study of the important geothermal and geohydrological issues for the doublet design. In the first phase of the study, the influences of the three-dimensional (3D) structures of anticlines and synclines on the temperature field were examined. A comprehensive petrophysical investigation was performed to build a large scale 3D-model of the reservoir. Several bottomhole temperatures (BHTs), as well as petrophysical logs were used to calibrate the model using thermal conductivity measurements on 50 samples from boreholes in different lithological units in the study area. Profiles and cross sections extracted from the calculated temperature field were used to study the temperature in the surrounding areas of the planned doublet. In the second phase of the project, a detailed 3D numerical reservoir model was set up, with the aim of predicting the evolution of the producer and injector temperatures, and the extent of the cooled area around the injector. The temperature model from the first phase provided the boundary conditions for the reservoir model. Hydraulic parameters for the target horizons, such as porosity and permeability, were taken from data available from the nearby exploration wells. The simulation results are encouraging as no significant thermal breakthrough is predicted. For the originally planned location of the producer, the extracted water temperature is predicted to be around 79 °C, with an almost negligible cooling in the first 50 years of production. When the producer is located shallower parts of the reservoir, the yield water temperatures is lower, starting at ≈76 °C and decreasing to ≈74 °C after 50 years of operation. This comparatively larger decrease in temperature with time is caused by the structural feature of the reservoir, namely a higher dip causes the cooler water to easily move downward. In view of the poor reservoir data, the reservoir simulation model is constructed to allow iterative updates using data assimilation during planned drilling, testing, and production phases. Measurements during an 8 h pumping test carried out in late 2010 suggest that a flow rate of 150 m3 h−1 is achievable. Fluid temperatures of 76.5 °C were measured, which is very close to the predicted value.
Numerische Simulation des Gefrierprozesses bei der Baugrundvereisung im durchströmten Untergrund
(2008)
Quantifying and minimizing uncertainty is vital for simulating technically and economically successful geothermal reservoirs. To this end, we apply a stochastic modelling sequence, a Monte Carlo study, based on (i) creating an ensemble of possible realizations of a reservoir model, (ii) forward simulation of fluid flow and heat transport, and (iii) constraining post-processing using observed state variables. To generate the ensemble, we use the stochastic algorithm of Sequential Gaussian Simulation and test its potential fitting rock properties, such as thermal conductivity and permeability, of a synthetic reference model and—performing a corresponding forward simulation—state variables such as temperature. The ensemble yields probability distributions of rock properties and state variables at any location inside the reservoir. In addition, we perform a constraining post-processing in order to minimize the uncertainty of the obtained distributions by conditioning the ensemble to observed state variables, in this case temperature. This constraining post-processing works particularly well on systems dominated by fluid flow. The stochastic modelling sequence is applied to a large, steady-state 3-D heat flow model of a reservoir in The Hague, Netherlands. The spatial thermal conductivity distribution is simulated stochastically based on available logging data. Errors of bottom-hole temperatures provide thresholds for the constraining technique performed afterwards. This reduce the temperature uncertainty for the proposed target location significantly from 25 to 12 K (full distribution width) in a depth of 2300 m. Assuming a Gaussian shape of the temperature distribution, the standard deviation is 1.8 K. To allow a more comprehensive approach to quantify uncertainty, we also implement the stochastic simulation of boundary conditions and demonstrate this for the basal specific heat flow in the reservoir of The Hague. As expected, this results in a larger distribution width and hence, a larger, but more realistic uncertainty estimate. However, applying the constraining post-processing the uncertainty is again reduced to the level of the post-processing without stochastic boundary simulation. Thus, constraining post-processing is a suitable tool for reducing uncertainty estimates by observed state variables.
In diesem Artikel werden zunächst einleitend der Gasmarkt Deutschland und der sich daraus ergebende Speicherbedarf skizziert. Folgend wird auf verschiedene Speichernutzen aus betriebswirtschaftlicher Perspektive eingegangen und die in diesem Artikel vorgestellten Bewertungsverfahren einleitend beschrieben. In diesem Artikel werden stochastische Optimierungsmethoden aufgegriffen, die sowohl eine Bewertung der Speicher gegenüber einem Spotpreis, als auch gegenüber einer gesamten Forwardcurve ermöglichen. Hierzu werden zunächst Modelle zur Beschreibung der Marktpreise vorgestellt und anhand empirischer Daten kalibriert. Dann wird eine beispielhafte Speicherscheibe zunächst auf Basis der LeastSquareMonteCarloTechnik gegenüber dem stochastischen mehrfaktoriellen Spotpreismodell bewertet. Hieran schließt sich die Vorstellung der Bewertung sowie des Hedgings gegenüber der Forwardcurve an. Abschließend erfolgt eine vergleichende Gegenüberstellung beider Verfahren.
Simulating the electromagnetic‐thermal treatment of thin aluminium layers for adhesion improvement
(2015)
A composite layer material used in packaging industry is made from joining layers of different materials using an adhesive. An important processing step in the production of aluminium-containing composites is the surface treatment and consequent coating of adhesive material on the aluminium surface. To increase adhesion strength between aluminium layer and the adhesive material, the foil is heat treated. For efficient heating, induction heating was considered as state-of-the-art treatment process. Due to the complexity of the heating process and the unpredictable nature of the heating source, the control of the process is not yet optimised. In this work, a finite element analysis of the process was established and various process parameters were studied. The process was simplified and modelled in 3D. The numerical model contains an air domain, an aluminium layer and a copper coil fitted with a magnetic field concentrating material. The effect of changing the speed of the aluminium foil (or rolling speed) was studied with the change of the coil current. Statistical analysis was used for generating a general control equation of coil current with changing rolling speed.
Heat production in the windings of the stators of electric machines under stationary condition
(2014)
In electric machines due to high currents and resistive losses (joule heating) heat is produced. To avoid damages by overheating the design of effective cooling systems is required. Therefore the knowledge of heat sources and heat transfer processes is necessary. The purpose of this paper is to illustrate a good and effective calculation method for the temperature analysis based on homogenization techniques. These methods have been applied for the stator windings in a slot of an electric machine consisting of copper wires and resin. The key quantity here is an effective thermal conductivity, which characterizes the heterogeneous wire resin-arrangement inside the stator slot. To illustrate the applicability of the method, the analysis of a simplified, homogenized model is compared with the detailed analysis of temperature behavior inside a slot of an electric machine according to the heat generation. We considered here only the stationary situation. The achieved numerical results are accurate and show that the applied homogenization technique works in practice. Finally the results of simulations for the two cases, the original model of the slot and the homogenized model chosen for the slot (unit cell), are compared to experimental results.
Formeln statt Zahlen : Referenzwerte Formeln zur energetischen Bewertung von Produktionsanlagen
(2005)
Non-nuclear and non-fossil energy resources and their possibilities for future power generation
(1975)
It must be stressed that the assessment of the exploitation possibilities of the energy resources discussed in this paper requires further studies. With this proviso, the situation can be provisionally summarised as follows: The total potential of known geothermal steam sources is only 64 GW. Geothermal energy could therefore only make a significant contribution to covering the worldwide power needs if we succeed in exploiting dry geothermal reservoirs. Exploitation of tidal energy is limited to a few geographically favourable locations. The power generation potential at these locations is only about 64 GW. An important drawback of tidal power is discontinuous power generation. Large scale exploitation of wind, wave and glacier energy, and of ocean heat, requires solution of a number of technological problems. The environmental effects of exploitation of these energy resources are to some extent of a qualitatively different nature from those of operation of fossil-fuel-fired and of nuclear power plants. The scanty knowledge in this area often results in these effects being underestimated. In any case, however, it would be deliberately misleading to postulate that any form of power generation is possible without some detrimental effects on the environment. It may be stated in conclusion that, owing to their small potential or to the as yet insufficiently advanced technological development, none of the energy resources discussed in this paper can make a significant contribution to the solution of middle-term energy supply problems, i.e., to a rapid replacement of mineral oil and natural gas.