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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.
Coronavirus disease 2019 (COVID-19) is a novel human infectious disease provoked by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). Currently, no specific vaccines or drugs against COVID-19 are available. Therefore, early diagnosis and treatment are essential in order to slow the virus spread and to contain the disease outbreak. Hence, new diagnostic tests and devices for virus detection in clinical samples that are faster, more accurate and reliable, easier and cost-efficient than existing ones are needed. Due to the small sizes, fast response time, label-free operation without the need for expensive and time-consuming labeling steps, the possibility of real-time and multiplexed measurements, robustness and portability (point-of-care and on-site testing), biosensors based on semiconductor field-effect devices (FEDs) are one of the most attractive platforms for an electrical detection of charged biomolecules and bioparticles by their intrinsic charge. In this review, recent advances and key developments in the field of label-free detection of viruses (including plant viruses) with various types of FEDs are presented. In recent years, however, certain plant viruses have also attracted additional interest for biosensor layouts: Their repetitive protein subunits arranged at nanometric spacing can be employed for coupling functional molecules. If used as adapters on sensor chip surfaces, they allow an efficient immobilization of analyte-specific recognition and detector elements such as antibodies and enzymes at highest surface densities. The display on plant viral bionanoparticles may also lead to long-time stabilization of sensor molecules upon repeated uses and has the potential to increase sensor performance substantially, compared to conventional layouts. This has been demonstrated in different proof-of-concept biosensor devices. Therefore, richly available plant viral particles, non-pathogenic for animals or humans, might gain novel importance if applied in receptor layers of FEDs. These perspectives are explained and discussed with regard to future detection strategies for COVID-19 and related viral diseases.
The paper presents an aerodynamic investigation of 70 different streamlined bodies with fineness ratios ranging from 2 to 10. The bodies are chosen to idealize both unmanned and small manned aircraft fuselages and feature cross-sectional shapes that vary from circular to quadratic. The study focuses on friction and pressure drag in dependency of the individual body’s fineness ratio and cross section. The drag forces are normalized with the respective body’s wetted area to comply with an empirical drag estimation procedure. Although the friction drag coefficient then stays rather constant for all bodies, their pressure drag coefficients decrease with an increase in fineness ratio. Referring the pressure drag coefficient to the bodies’ cross-sectional areas shows a distinct pressure drag minimum at a fineness ratio of about three. The pressure drag of bodies with a quadratic cross section is generally higher than for bodies of revolution. The results are used to derive an improved form factor that can be employed in a classic empirical drag estimation method. The improved formulation takes both the fineness ratio and cross-sectional shape into account. It shows superior accuracy in estimating streamlined body drag when compared with experimental data and other form factor formulations of the literature.
Stahlbau 2
(2020)
Additive manufacturing (AM) works by creating objects layer by layer in a manner similar to a 2D printer with the “printed” layers stacked on top of each other. The layer-wise manufacturing nature of AM enables fabrication of freeform geometries which cannot be fabricated using conventional manufacturing methods as a one part. Depending on how each layer is created and bonded to the adjacent layers, different AM methods have been developed. In this chapter, the basic terms, common materials, and different methods of AM are described, and their potential applications are discussed.
The results of a statistical investigation of 42 fixed-wing, small to medium sized (20 kg−1000 kg) reconnaissance unmanned air vehicles (UAVs) are presented. Regression analyses are used to identify correlations of the most relevant geometry dimensions with the UAV’s maximum take-off mass. The findings allow an empirical based geometry-build up for a complete unmanned aircraft by referring to its take-off mass only. This provides a bridge between very early design stages (initial sizing) and the later determination of shapes and dimensions. The correlations might be integrated into a UAV sizing environment and allow designers to implement more sophisticated drag and weight estimation methods in this process. Additional information on correlation factors for a rough drag estimation methodology indicate how this technique can significantly enhance the accuracy of early design iterations.
A hybrid-electric propulsion system combines the advantages of fuel-based systems and battery powered systems and offers new design freedom. To take full advantage of this technology, aircraft designers must be aware of its key differences, compared to conventional, carbon-fuel based, propulsion systems. This paper gives an overview of the challenges and potential benefits associated with the design of aircraft that use hybrid-electric propulsion systems. It offers an introduction of the most popular hybrid-electric propulsion architectures and critically assess them against the conventional and fully electric propulsion configurations. The effects on operational aspects and design aspects are covered. Special consideration is given to the application of hybrid-electric propulsion technology to both unmanned and vertical take-off and landing aircraft. The authors conclude that electric propulsion technology has the potential to revolutionize aircraft design. However, new and innovative methods must be researched, to realize the full benefit of the technology.
Kinematics and kinetics of handcycling propulsion at increasing workloads in able-bodied subjects
(2018)
In Paralympic sports, biomechanical optimisation of movements and equipment seems to be promising for improving performance. In handcycling, information about the biomechanics of this sport is mainly provided by case studies. The aim of the current study was (1) to examine changes in handcycling propulsion kinematics and kinetics due to increasing workloads and (2) identify parameters that are associated with peak aerobic performance. Twelve non-disabled male competitive triathletes without handcycling experience voluntarily participated in the study. They performed an initial familiarisation protocol and incremental step test until exhaustion in a recumbent racing handcycle that was attached to an ergometer. During the incremental test, tangential crank kinetics, 3D joint kinematics, blood lactate and ratings of perceived exertion (local and global) were identified. As a performance criterion, the maximal power output during the step test (Pmax) was calculated and correlated with biomechanical parameters. For higher workloads, an increase in crank torque was observed that was even more pronounced in the pull phase than in the push phase. Furthermore, participants showed an increase in shoulder internal rotation and abduction and a decrease in elbow flexion and retroversion. These changes were negatively correlated with performance. At high workloads, it seems that power output is more limited by the transition from pull to push phase than at low workloads. It is suggested that successful athletes demonstrate small alterations of their kinematic profile due to increasing workloads. Future studies should replicate and expand the test spectrum (sprint and continuous loads) as well as use methods like surface electromyography (sEMG) with elite handcyclists.