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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)
Berechnung und Bemessung von durch Erdbeben beanspruchten Mauerwerksbauten nach DIN 4149 (04.2005)
(2007)
Mauerwerksbauten
(2003)
A concept for the analysis and optimal design of reinforced concrete structures is described. It is based on a nonlinear optimization algorithm and a finite element program for linear and nonlinear analysis of structures. With the aim of minimal cost design a two stage optimization using efficient gradient algorithm is developed. The optimization problems on global (structural) and local (crosssectional) level are formulated. A parallelization concept for solving the two stage optimization problem in minimal time is presented. Examples are included to illustrate the practical use and the effectively of the parallelization in the area of engineering design.
Baustatik in Beispielen
(2012)
Lately there has been an increasing concern about uranium toxicity in some districts of Punjab State located in the North Western part of India after the publication of a report (Blaurock-Busch et al. 2010) which showed that the concentration of uranium in hair and urine of children suffering from physical deformities, neurological and mental disorder from Malwa region (Fig. 1) of Punjab State was manifold higher than the reference ranges. A train which connects the affected region with the nearby city of Bikaner which has a Cancer Hospital has been nicknamed as Cancer Express due to the frenzy generated on account of uranium related toxicity.
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.