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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.