Fachbereich Energietechnik
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Einfluß von Temperaturschwankungen auf das Verformungsverhalten von Rohren bei hohen Temperaturen
(1992)
The Ministry of Science and Research in North Rhine-Westphalia created eight platforms of excellence, one in the research area „Energy and Environment“ in 2002 at ACUAS. This platform concentrates the research and development of 13 professors in Jülich and Aachen and of two scientific institutes with different topics: – NOWUM-Energy with emphasis on efficient and economic energy conversion – The Solar Institute Jülich – SIJ – being the largest research institute in the field of renewables at a University of Applied Sciences in Germany With this platform each possible energy conversion – nuclear, fossil, renewable- can be dealt with to help solving the two most important problems of mankind, energy and potable water. At the CSE are presented the historical development, some research results and the combined master studies in „Energy Systems“ and „Nuclear Applications“
One of the most important parameters in a burning chamber - in power stations, in waste to energy plants - is the temperature. This temperature is in the range of 700-1500 °C - one of the most advanced measuring methods being the acoustic pyrometry with the possibility of producing temperature mapping in one level of the burning chamber - comparable to computer tomography. The results of these measurements discussed in the presentation can be used - to fulfil the legal requirements in the FRG or in the EU - to equalise the temperature in one level of the burning chamber to optimise the steam production (better efficiency of the plant) and to minimise the production of temperature controlled flue gas components (NO, CO a. o.) - to control the SNCR-process if used.
Prinzip und Anwendung der akustischen Gastemperaturmeßtechnik / Deuster, M. ; Brüssermann, Klaus
(1994)
Industrial facilities must be thoroughly designed to withstand seismic actions as they exhibit an increased loss potential due to the possibly wideranging damage consequences and the valuable process engineering equipment. Past earthquakes showed the social and political consequences of seismic damage to industrial facilities and sensitized the population and politicians worldwide for the possible hazard emanating from industrial facilities. However, a holistic approach for the seismic design of industrial facilities can presently neither be found in national nor in international standards. The introduction of EN 1998-4 of the new generation of Eurocode 8 will improve the normative situation with
specific seismic design rules for silos, tanks and pipelines and secondary process components. The article presents essential aspects of the seismic design of industrial facilities based on the new generation of Eurocode 8 using the example of tank structures and secondary process components. The interaction effects of the process components with the primary structure are illustrated by means of the experimental results of a shaking table test of a three story moment resisting steel frame with different process components. Finally, an integrated approach of
digital plant models based on building information modelling (BIM) and structural health monitoring (SHM) is presented, which provides not only a reliable decision-making basis for operation, maintenance and repair but also an excellent tool for rapid assessment of seismic damage.
Nowadays modern high-performance buildings and facilities are equipped with monitoring systems and sensors to control building characteristics like energy consumption, temperature pattern and structural safety. The visualization and interpretation of sensor data is typically based on simple spreadsheets and non-standardized user-oriented solutions, which makes it difficult for building owners, facility managers and decision-makers to evaluate and understand the data. The solution of this problem in the future are integrated BIM-Sensor approaches which allow the generation of BIM models incorporating all relevant information of monitoring systems. These approaches support both the dynamic visualization of key structural performance parameters, the effective long-term management of sensor data based on BIM and provide a user-friendly interface to communicate with various stakeholders. A major benefit for the end user is the use of the BIM software architecture, which is the future standard anyway. In the following, the application of the integrated BIM-Sensor approach is illustrated for a typical industrial facility as a part of an early warning and rapid response system for earthquake events currently developed in the research project “ROBUST” with financial support by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWI).
Mauerwerksbauten
(2003)
Past earthquakes demonstrated the high vulnerability of industrial facilities equipped with complex process technologies leading to serious damage of the process equipment and multiple and simultaneous release of hazardous substances in industrial facilities. Nevertheless, the design of industrial plants is inadequately described in recent codes and guidelines, as they do not consider the dynamic interaction between the structure and the installations and thus the effect of seismic response of the installations on the response of the structure and vice versa. The current code-based approach for the seismic design of industrial facilities is considered not enough for ensure proper safety conditions against exceptional event entailing loss of content and related consequences. Accordingly, SPIF project (Seismic Performance of Multi-Component Systems in Special Risk Industrial Facilities) was proposed within the framework of the European H2020 - SERA funding scheme (Seismology and Earthquake Engineering Research Infrastructure Alliance for Europe). The objective of the SPIF project is the investigation of the seismic behaviour of a representative industrial structure equipped with complex process technology by means of shaking table tests. The test structure is a three-story moment resisting steel frame with vertical and horizontal vessels and cabinets, arranged on the three levels and connected by pipes. The dynamic behaviour of the test structure and of its relative several installations is investigated. Furthermore, both process components and primary structure interactions are considered and analyzed. Several PGA-scaled artificial ground motions are applied to study the seismic response at different levels. After each test, dynamic identification measurements are carried out to characterize the system condition. The contribution presents the experimental setup of the investigated structure and installations, selected measurement data and describes the obtained damage. Furthermore, important findings for the definition of performance limits, the effectiveness of floor response spectra in industrial facilities will be presented and discussed.
Past earthquakes demonstrated the high vulnerability of industrial facilities equipped with complex process technologies leading to serious damage of process equipment and multiple and simultaneous release of hazardous substances. Nonetheless, current standards for seismic design of industrial facilities are considered inadequate to guarantee proper safety conditions against exceptional events entailing loss of containment and related consequences. On these premises, the SPIF project -Seismic Performance of Multi-Component Systems in Special Risk Industrial Facilities- was proposed within the framework of the European H2020 SERA funding scheme. In detail, the objective of the SPIF project is the investigation of the seismic behaviour of a representative industrial multi-storey frame structure equipped with complex process components by means of shaking table tests. Along this main vein and in a performance-based design perspective, the issues investigated in depth are the interaction between a primary moment resisting frame (MRF) steel structure and secondary process components that influence the performance of the whole system; and a proper check of floor spectra predictions. The evaluation of experimental data clearly shows a favourable performance of the MRF structure, some weaknesses of local details due to the interaction between floor crossbeams and process components and, finally, the overconservatism of current design standards w.r.t. floor spectra predictions.
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.
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.
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
Berechnung und Bemessung von durch Erdbeben beanspruchten Mauerwerksbauten nach DIN 4149 (04.2005)
(2007)
Pseudo-dynamische Versuche an Reihenmittelhäusern – Vergleich mit aktuellen Berechnungsansätzen
(2008)
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.
In order for traditional masonry to stay a competitive building material in seismically active regions there is an urgent demand for modern, deformation-based verification procedures which exploit the nonlinear load bearing reserves. The Capacity Spectrum Method (CSM) is a widely accepted design approach in the field of reinforced concrete and steel construction. It compares the seismic action with the load-bearing capacity of the building considering nonlinear material behavior with its post-peak capacity. The bearing capacity of the building is calculated iteratively using single wall capacity curves. This paper presents a new approach for the bilinear approximation of single wall capacity curves in the style of EC6/EC8 respectively FEMA 306/FEMA 356 based on recent shear wall test results of the European Collective-Research Project “ESECMaSE”. The application of the CSM to masonry structures by using bilinear approximations of capacity curves as input is demonstrated on the example of a typical German residential home.
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.
Industrial units consist of the primary load-carrying structure and various process engineering components, the latter being by far the most important in financial terms. In addition, supply structures such as free-standing tanks and silos are usually required for each plant to ensure the supply of material and product storage. Thus, for the earthquake-proof design of industrial plants, design and construction rules are required for the primary structures, the secondary structures and the supply structures. Within the framework of these rules, possible interactions of primary and secondary structures must also be taken into account. Importance factors are used in seismic design in order to take into account the usually higher risk potential of an industrial unit compared to conventional building structures. Industrial facilities must be able to withstand seismic actions because of possibly wide-ranging damage consequences in addition to losses due to production standstill and the destruction of valuable equipment. The chapter presents an integrated concept for the seismic design of industrial units based on current seismic standards and the latest research results. Special attention is devoted to the seismic design of steel thin-walled silos and tank structures.
Mauerwerksbauten in Deutschland sind mit Einführung des nationalen Anwendungsdokuments DIN EN 1998-1/NA auf Grundlage einer neuen probabilistischen Erdbebenkarte nachzuweisen. Für erfolgreiche Erdbebennachweise üblicher Grundrissformen von Mauerwerksbauten stehen in dem zukünftigen Anwendungsdokument neue rechnerische Nachweismöglichkeiten zur Verfügung, mit denen die Tragfähigkeitsreserven von Mauerwerksbauten in der Baupraxis mit einem überschaubaren Aufwand besser in Ansatz gebracht werden können. Das Standardrechenverfahren ist weiterhin der kraftbasierte Nachweis, der nun mit höheren Verhaltensbeiwerten im Vergleich zur DIN 4149 durchgeführt werden kann. Die höheren Verhaltensbeiwerte basieren auf der besseren Ausnutzung der gebäudespezifischen Verformungsfähigkeit und Energiedissipation sowie der Lastumverteilung der Schubkräfte im Grundriss mit Ansatz von Rahmentragwirkung durch Wand-Deckeninteraktionen. Alternativ dazu kann ein nichtlinearer Nachweis auf Grundlage von Pushover-Analysen zur Anwendung kommen. Vervollständigt werden die Regelungen für Mauerwerksbauten durch neue Regelungen für nichttragende Innenwände und Außenmauerschalen. Der vorliegende Beitrag stellt die Grundlagen und Hintergründe der neuen rechnerischen Nachweise in DIN EN 1998-1/NA vor und demonstriert deren Anwendung an einem Beispiel aus der Praxis.
Reinforced concrete (RC) frames with masonry infills are frequently used in seismic regions all over the world. Generally masonry infills are considered as nonstructural elements and thus are typically neglected in the design process. However, the observations made after strong earthquakes have shown that masonry infills can modify the dynamic behavior of the structure significantly. The consequences were total collapses of buildings and loss of human lives. This paper presents the new system INODIS (Innovative Decoupled Infill System) developed within the European research project INSYSME (Innovative Systems for Earthquake Resistant Masonry Enclosures in RC Buildings). INODIS decouples the frame and the masonry infill by means of special U-shaped rubbers placed in between frame and infill. The effectiveness of the system was investigated by means of full scale tests on RC frames with masonry infills subjected to in-plane and out-of-plane loading. Furthermore small specimen tests were conducted to determine material characteristics of the components and the resistances of the connections. Finally, a micromodel was developed to simulate the in-plane behavior of RC frames infilled with AAC blocks with and without installation of the INODIS system.
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.
The behaviour of infilled reinforced concrete frames under horizontal load has been widely investigated, both experimentally and numerically. Since experimental tests represent large investments, numerical simulations offer an efficient approach for a more comprehensive analysis. When RC frames with masonry infill walls are subjected to horizontal loading, their behaviour is highly non-linear after a certain limit, which makes their analysis quite difficult. The non-linear behaviour results from the complex inelastic material properties of the concrete, infill wall and conditions at the wall-frame interface. In order to investigate this non-linear behaviour in detail, a finite element model using a micro modelling approach is developed, which is able to predict the complex non-linear behaviour resulting from the different materials and their interaction. Concrete and bricks are represented by a non-linear material model, while each reinforcement bar is represented as an individual part installed in the concrete part and behaving elasto-plastically. Each brick is modelled individually and connected taking into account the non-linearity of a brick mortar interface. The same approach is followed using two finite element software packages and the results are compared with the experimental results. The numerical models show a good agreement with the experiments in predicting the overall behaviour, but also very good matching for strength capacity and drift. The results emphasize the quality and the valuable contribution of the numerical models for use in parametric studies, which are needed for the derivation of design recommendations for infilled frame structures.
Im Norden von Serbien erfolgt in Novi Sad der Neubau eines modernen Forschungsgebäudes für das BioSense-Institut mit finanzieller Unterstützung durch die Eu-ropäische Union. Der Gebäudeteil mit Laboren wird zum Schutz und zur Sicherstellung des reibungslosen Betriebs der sensiblen und kapitalintensiven technischen Einbauten mit ei-ner Erdbebenisolierung mit integrierter Körperschallisolation versehen. Zusätzlich wird der entkoppelte Laborteil des For-schungsgebäudes mit einem BIM-basierten Bauwerksmonito-ring versehen, um Änderungen des Gebäudezustands jederzeit abfragen und beurteilen zu können.
Im Rahmen des europäischen Verbundprojekts INSYSME wurden von den deutschen Partnern die Systeme IMES und INODIS zur Verbesserung des seismischen Verhaltens von ausgefachten Stahlbetonrahmen entwickelt. Ziel beider Systeme ist es, Stahlbetonrahmen und Ausfachung zu entkoppeln, anstatt die Tragfähigkeit durch aufwendige und kostspielige zusätzliche Bewehrungseinlagen zu erhöhen. Erste Ergebnisse des Systems IMES für Belastungen in und senkrecht zu der Wandebene werden vorgestellt.
Im Rahmen des europäischen Verbundprojekts INSYSME wurden von den deutschen Partnern die Systeme IMES und INODIS zur Verbesserung des seismischen Verhaltens von ausgefachten Stahlbetonrahmen entwickelt. Ziel beider Systeme ist es, Stahlbetonrahmen und Ausfachung zu entkoppeln, anstatt die Tragfähigkeit durch aufwendige und kostspielige zusätzliche Bewehrungseinlagen zu erhöhen. Erste Ergebnisse des Systems IMES für Belastungen in und senkrecht zu der Wandebene werden vorgestellt.