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The article presents the investigation of the seismic behaviour of a modern URM building located in the municipality of Finale Emilia in province of Modena, Northern Italy. The building is situated in the centre of the series of the 2012 Northern Italy earthquakes and has not suffered any damage during the earthquake series in 2012. The observed earthquake resistance of the building is compared with predicted resistances based on linear and nonlinear design approaches according to Eurocode. Furthermore, probabilistic analyses based on nonlinear calculation models taking into account scattering of the most relevant input parameters are carried out to identify their influence to the results and to derive fragility curves.
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.
In recent years, many onshore wind turbines are erected in seismic active regions and on soils with poor load bearing capacity, where pile grids are inevitable to transfer the loads into the ground. In this contribution, a realistic multi pile grid is designed to analyze the dynamics of a wind turbine tower including frequency dependent soil-structure-interaction. It turns out that different foundations on varying soil configurations heavily influence the vibration response. While the vibration amplitude is mostly attenuated, certain unfavorable combinations of structure and soil parameters lead to amplification in the range of the system's natural frequencies. This testifies the need for overall dynamic analysis in the assessment of the dynamic stability and the holistic frequency tuning of the turbines.
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.
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.
The 2012 Emilia-Romagna earthquake, that mainly struck the homonymous Italian region provoking 28 casualties and damage to thousands of structures and infrastructures, is an exceptional source of information to question, investigate, and challenge the validity of seismic fragility functions and loss curves from an empirical standpoint. Among the most recent seismic events taking place in Europe, that of Emilia-Romagna is quite likely one of the best documented, not only in terms of experienced damages, but also for what concerns occurred losses and necessary reconstruction costs. In fact, in order to manage the compensations in a fair way both to citizens and business owners, soon after the seismic sequence, the regional administrative authority started (1) collecting damage and consequence-related data, (2) evaluating information sources and (3) taking care of the cross-checking of various reports. A specific database—so-called Sistema Informativo Gestione Europa (SFINGE)—was devoted to damaged business activities. As a result, 7 years after the seismic events, scientists can rely on a one-of-a-kind, vast and consistent database, containing information about (among other things): (1) buildings’ location and dimensions, (2) occurred structural damages, (3) experienced direct economic losses and (4) related reconstruction costs. The present work is focused on a specific data subset of SFINGE, whose elements are Long-Span-Beam buildings (mostly precast) deployed for business activities in industry, trade or agriculture. With the available set of data, empirical fragility functions, cost and loss ratio curves are elaborated, that may be included within existing Performance Based Earthquake Engineering assessment toolkits.
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.
Stored and cooled, highly-charged ions offer unprecedented capabilities for precision studies in the realm of atomic, nuclear structure and astrophysics[1]. After the successful investigation of the 96Ru(p,7)97Rh reaction cross section in 2009[2], the first measurement of the 124Xe(p,7)125Cs reaction cross section has been performed with decelerated, fully-ionized 124Xe ions in 2016 at the Experimental Storage Ring (ESR) of GSI[3]. Using a Double Sided Silicon Strip Detector, introduced directly into the ultra-high vacuum environment of a storage ring, the 125Cs proton-capture products have been successfully detected. The cross section has been measured at 5 different energies between 5.5AMeV and 8AMeV, on the high energy tail of the Gamow-window for hot, explosive scenarios such as supernovae and X-ray binaries. The elastic scattering on the H2 gas jet target is the major source of background to count the (p,7) events. Monte Carlo simulations show that an additional slit system in the ESR in combination with the energy information of the Si detector will enable background free measurements of the proton-capture products. The corresponding hardware is being prepared and will increase the sensitivity of the method tremendously.
Cross sections for neutron-induced reactions of short-lived nuclei are essential for nuclear astrophysics since these reactions in the stars are responsible for the production of most heavy elements in the universe. These reactions are also key in applied domains like energy production and medicine. Nevertheless, neutron-induced cross-section measurements can be extremely challenging or even impossible to perform due to the radioactivity of the targets involved. Indirect measurements through the surrogate-reaction method can help to overcome these difficulties.
The surrogate-reaction method relies on the use of an alternative reaction that will lead to the formation of the same excited nucleus as in the neutron-induced reaction of interest. The decay probabilities (for fission, neutron and gamma-ray emission) of the nucleus produced via the surrogate reaction allow one to constrain models and the prediction of the desired neutron cross sections.
We propose to perform surrogate reaction measurements in inverse kinematics at heavy-ion storage rings, in particular at the CRYRING@ESR of the GSI/FAIR facility. We present the conceptual idea of the most promising setup to measure for the first time simultaneously the fission, neutron and gamma-ray emission probabilities. The results of the first simulations considering the 238U(d,d') reaction are shown, as well as new technical developments that are being carried out towards this set-up.
The fundamental modeling of energy systems through individual unit commitment decisions is crucial for energy system planning. However, current large-scale models are not capable of including uncertainties or even risk-averse behavior arising from forecasting errors of variable renewable energies. However, risks associated with uncertain forecasting errors have become increasingly relevant within the process of decarbonization. The intraday market serves to compensate for these forecasting errors. Thus, the uncertainty of forecasting errors results in uncertain intraday prices and quantities. Therefore, this paper proposes a two-stage risk-constrained stochastic optimization approach to fundamentally model unit commitment decisions facing an uncertain intraday market. By the nesting of Lagrangian relaxation and an extended Benders decomposition, this model can be applied to large-scale, e.g., pan-European, power systems. The approach is applied to scenarios for 2023—considering a full nuclear phase-out in Germany—and 2035—considering a full coal phase-out in Germany. First, the influence of the risk factors is evaluated. Furthermore, an evaluation of the market prices shows an increase in price levels as well as an increasing day-ahead-intraday spread in 2023 and in 2035. Finally, it is shown that intraday cross-border trading has a significant influence on trading volumes and prices and ensures a more efficient allocation of resources.
SHEMAT-Suite: An open-source code for simulating flow, heat and species transport in porous media
(2020)
SHEMAT-Suite is a finite-difference open-source code for simulating coupled flow, heat and species transport in porous media. The code, written in Fortran-95, originates from geoscientific research in the fields of geothermics and hydrogeology. It comprises: (1) a versatile handling of input and output, (2) a modular framework for subsurface parameter modeling, (3) a multi-level OpenMP parallelization, (4) parameter estimation and data assimilation by stochastic approaches (Monte Carlo, Ensemble Kalman filter) and by deterministic Bayesian approaches based on automatic differentiation for calculating exact (truncation error-free) derivatives of the forward code.
Innovative breeds of sugar cane yield up to 2.5 times as much organic matter as conventional breeds, resulting in a great potential for biogas production. The use of biogas production as a complementary solution to conventional and second-generation ethanol production in Brazil may increase the energy produced per hectare in the sugarcane sector. Herein, it was demonstrated that through ensiling, energy cane can be conserved for six months; the stored cane can then be fed into a continuous biogas process. This approach is necessary to achieve year-round biogas production at an industrial scale. Batch tests revealed specific biogas potentials between 400 and 600 LN/kgVS for both the ensiled and non-ensiled energy cane, and the specific biogas potential of a continuous biogas process fed with ensiled energy cane was in the same range. Peak biogas losses through ensiling of up to 27% after six months were observed. Finally, compared with second-generation ethanol production using energy cane, the results indicated that biogas production from energy cane may lead to higher energy yields per hectare, with an average energy yield of up to 162 MWh/ha. Finally, the Farm²CBG concept is introduced, showing an approach for decentralized biogas production.
Large scale central receiver systems typically deploy between thousands to more than a hundred thousand heliostats. During solar operation, each heliostat is aligned individually in such a way that the overall surface normal bisects the angle between the sun’s position and the aim point coordinate on the receiver. Due to various tracking error sources, achieving accurate alignment ≤1 mrad for all the heliostats with respect to the aim points on the receiver without a calibration system can be regarded as unrealistic. Therefore, a calibration system is necessary not only to improve the aiming accuracy for achieving desired flux distributions but also to reduce or eliminate spillage. An overview of current larger-scale central receiver systems (CRS), tracking error sources and the basic requirements of an ideal calibration system is presented. Leading up to the main topic, a description of general and specific terms on the topics heliostat calibration and tracking control clarifies the terminology used in this work. Various figures illustrate the signal flows along various typical components as well as the corresponding monitoring or measuring devices that indicate or measure along the signal (or effect) chain. The numerous calibration systems are described in detail and classified in groups. Two tables allow the juxtaposition of the calibration methods for a better comparison. In an assessment, the advantages and disadvantages of individual calibration methods are presented.
In this paper, a coupled multiphase model considering both non-linearities of water retention curves and solid state modeling is proposed. The solid displacements and the pressures of both water and air phases are unknowns of the proposed model. The finite element method is used to solve the governing differential equations. The proposed method is demonstrated through simulation of seepage test and partially consolidation problem. Then, implementation of the model is done by using hypoplasticity for the solid phase and analyzing the fully saturated triaxial experiments. In integration of the constitutive law error controlling is improved and comparisons done accordingly. In this work, the advantages and limitations of the numerical model are discussed.
In many cities, diesel buses are being replaced by electric buses with the aim of reducing local emissions and thus improving air quality. The protection of the environment and the health of the population is the highest priority of our society. For the transport companies that operate these buses, not only ecological issues but also economic issues are of great importance. Due to the high purchase costs of electric buses compared to conventional buses, operators are forced to use electric vehicles in a targeted manner in order to ensure amortization over the service life of the vehicles. A compromise between ecology and economy must be found in order to both protect the environment and ensure economical operation of the buses.
In this study, we present a new methodology for optimizing the vehicles’ charging time as a function of the parameters CO₂eq emissions and electricity costs. Based on recorded driving profiles in daily bus operation, the energy demands of conventional and electric buses are calculated for the passenger transportation in the city of Aachen in 2017. Different charging scenarios are defined to analyze the influence of the temporal variability of CO₂eq intensity and electricity price on the environmental impact and economy of the bus. For every individual day of a year, charging periods with the lowest and highest costs and emissions are identified and recommendations for daily bus operation are made. To enable both the ecological and economical operation of the bus, the parameters of electricity price and CO₂ are weighted differently, and several charging periods are proposed, taking into account the priorities previously set. A sensitivity analysis is carried out to evaluate the influence of selected parameters and to derive recommendations for improving the ecological and economic balance of the battery-powered electric vehicle.
In all scenarios, the optimization of the charging period results in energy cost savings of a maximum of 13.6% compared to charging at a fixed electricity price. The savings potential of CO₂eq emissions is similar, at 14.9%. From an economic point of view, charging between 2 a.m. and 4 a.m. results in the lowest energy costs on average. The CO₂eq intensity is also low in this period, but midday charging leads to the largest savings in CO₂eq emissions. From a life cycle perspective, the electric bus is not economically competitive with the conventional bus. However, from an ecological point of view, the electric bus saves on average 37.5% CO₂eq emissions over its service life compared to the diesel bus. The reduction potential is maximized if the electric vehicle exclusively consumes electricity from solar and wind power.
Speicher statt Kohle. Integration thermischer Stromspeicher in vorhandene Kraftwerksstandorte
(2019)
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.
Due to the Renewable Energy Act, in Germany it is planned to increase the amount of renewable energy carriers up to 60%. One of the main problems is the fluctuating supply of wind and solar energy. Here biogas plants provide a solution, because a demand-driven supply is possible. Before running such a plant, it is necessary to simulate and optimize the process. This paper provides a new model of a biogas plant, which is as accurate as the standard ADM1 model. The advantage compared to ADM1 is that it is based on only four parameters compared to 28. Applying this model, an optimization was installed, which allows a demand-driven supply by biogas plants. Finally the results are confirmed by several experiments and measurements with a real test plant.
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.
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.
We analyze the influence of dipole-dipole interactions in an electromagnetically induced transparency set up for a density at the onset of cooperative effects. To this end, we include mean-field models for the influence of local-field corrections and radiation trapping into our calculation. We show both analytically and numerically that the polarization contribution to the local field strongly modulates the phase of a weak pulse. We give an intuitive explanation for this local-field-induced phase modulation and demonstrate that it distinctively differs from the nonlinear self-phase-modulation that a strong pulse experiences in a Kerr medium.
The msprop program presented in this work is capable of solving the Maxwell–Schrödinger equations for one or several laser fields propagating through a medium of quantum optical few-level systems in one spatial dimension and in time. In particular, it allows to numerically treat systems in which a laser field interacts with the medium with both its electric and magnetic component at the same time. The internal dynamics of the few-level system is modeled by a quantum optical master equation which includes coherent processes due to optical transitions driven by the laser fields as well as incoherent processes due to decay and dephasing. The propagation dynamics of the laser fields is treated in slowly varying envelope approximation resulting in a first order wave equation for each laser field envelope function. The program employs an Adams predictor formula second order in time to integrate the quantum optical master equation and a Lax–Wendroff scheme second order in space and time to evolve the wave equations for the fields. The source function in the Lax–Wendroff scheme is specifically adapted to allow taking into account the simultaneous coupling of a laser field to the polarization and the magnetization of the medium. To reduce execution time, a customized data structure is implemented and explained. In three examples the features of the program are demonstrated and the treatment of a system with a phase-dependent cross coupling of the electric and magnetic field component of a laser field is shown.
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.
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.