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This paper proposes a quick and simplified method to describe masonry vaults in global seismic analyses of buildings. An equivalent macro-element constituted by a set of six trusses, two for each transverse, longitudinal and diagonal direction, is introduced. The equivalent trusses, whose stiffness is calculated by fully modeled vaults of different geometry, mechanical properties and boundary conditions, simulate the vault in both global analysis and local analysis, such as kinematic or rocking approaches. A parametric study was carried out to investigate the influence of geometrical characteristics and mechanical features on the equivalent stiffness values. The method was numerically validated by performing modal and transient analysis on a three naves-church in the elastic range. Vibration modes and displacement time-histories were compared showing satisfying agreement between the complete and the simplified models. This procedure is particularly useful in engineering practice because it allows to assess, in a simplified way, the effectiveness of strengthening interventions for reducing horizontal relative displacements between vault supports.
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.
The performance and biomass yield of the perennial energy plant Sida hermaphrodita (hereafter referred to as Sida) as a feedstock for biogas and solid fuel was evaluated throughout one entire growing period at agricultural field conditions. A Sida plant development code was established to allow comparison of the plant growth stages and biomass composition. Four scenarios were evaluated to determine the use of Sida biomass with regard to plant development and harvest time: (i) one harvest for solid fuel only; (ii) one harvest for biogas production only; (iii) one harvest for biogas production, followed by a harvest of the regrown biomass for solid fuel; and (iv) two consecutive harvests for biogas production. To determine Sida's value as a feedstock for combustion, we assessed the caloric value, the ash quality, and melting point with regard to DIN EN ISO norms. The results showed highest total dry biomass yields of max. 25 t ha⁻¹, whereas the highest dry matter of 70% to 80% was obtained at the end of the growing period. Scenario (i) clearly indicated the highest energy recovery, accounting for 439 288 MJ ha⁻¹; the energy recovery of the four scenarios from highest to lowest followed this order: (i) ≫ (iii) ≫ (iv) > (ii). Analysis of the Sida ashes showed a high melting point of >1500 °C, associated with a net calorific value of 16.5–17.2 MJ kg⁻¹. All prerequisites for DIN EN ISO norms were achieved, indicating Sida's advantage as a solid energy carrier without any post-treatment after harvesting. Cell wall analysis of the stems showed a constant lignin content after sampling week 16 (July), whereas cellulose had already reached a plateau in sampling week 4 (April). The results highlight Sida as a promising woody, perennial plant, providing biomass for flexible and multipurpose energy applications.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
EU-Projekt INSYSME : innovative Systeme für erdbebentaugliche Ausfachungswände aus Ziegelmauerwerk
(2014)
Die PIA GmbH prüft seit fast 8 Jahren die Standsicherheit von Behältern für Kleinkläranlagen. Diese bestehen in der Regel aus Kunststoff oder Beton und müssen über ihre gesamte Lebensdauer den Beanspruchungen aus Handhabung, Einbau und Betrieb standhalten. Die Standsicherheit kann nach EN 12566 wahlweise durch einen rechnerischen Nachweis oder durch einen praktischen Nachweis wie die Bruchlastprüfung oder die Prüfung in der Grube erfolgen.
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.
Modeling contribution to risk assessment of thermal production power for geothermal reservoirs
(2013)
Often, detailed simulations of heat conduction in complicated, porous media have large runtimes. Then homogenization is a powerful tool to speed up the calculations by preserving accurate solutions at the same time. Unfortunately real structures are generally non-periodic, which requires unpractical, complicated homogenization techniques. We demonstrate in this paper, that the application of simple, periodic techniques to realistic media, that are just close to periodic, gives accurate, approximative solutions. In order to obtain effective parameters for the homogenized heat equation, we have to solve a so called “cell problem”. In contrast to periodic structures it is not trivial to determine a suitable unit cell, which represents a non-periodic media. To overcome this problem, we give a rule of thumb on how to choose a good cell. Finally we demonstrate the efficiency of our method for virtually generated foams as well as real foams and compare these results to periodic structures.
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.