620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Monitoring systems usually used to control tailings, primarily pore water pressure gages and observation wells, are not self evidently representative for mechanical considerations. Therefore an effective risk assessment and risk management is necessary to get additional information to determine indicators for critical situations. Several tailings observations showed an alteration in chemical and radiological parameters during rising saturation induced by climatic changes. These parameters are appropriate to stress indices. A systematically research on correlations between changes in stress indices and the phreatic surface is part of the research activities of the Bauhaus University in Weimar. The contribution presents the principle of this kind of monitoring, the soil mechanical background, details of the equipment and first results.
The report is part of the research project 'TAILSAFE'. The project is supported by the european union. Basics of design and investigation procedures are presented within the report. Furthermore possible applications of design and investigation procedures are evaluated concerning to a smooth work during all using phases of a tailings facility, that is the planning and execution. Finally recomendations are given to optimise the handling with significant standards.
Der Planungsprozess im Konstruktiven Ingenieurbau ist gekennzeichnet durch drei sich zyklisch wiederholende Phasen: die Phase der Aufgabenverteilung, die Phase der parallelen Bearbeitung mit entsprechenden Abstimmungen und die Phase der Zusammenführung der Ergebnisse. Die verfügbare Planungssoftware unterstützt überwiegend nur die Bearbeitung in der zweiten Phase und den Austausch der Datenbestände durch Dokumente. Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung einer Systemarchitektur, die in ihrem Grundsatz alle Phasen der verteilten Bearbeitung und unterschiedliche Arten der Kooperation (asynchron, parallel, wechselseitig) berücksichtigt und bestehende Anwendungen integriert. Das gemeinsame Arbeitsmaterial der Beteiligten wird nicht als Dokumentmenge, sondern als Menge von Objekt- und Elementversionen und deren Beziehungen abstrahiert. Elemente erweitern Objekte um applikationsunabhängige Eigenschaften (Features). Für die Bearbeitung einer Aufgabe werden Teilmengen auf Basis der Features gebildet, für deren Elemente neue Versionen abgeleitet und in einen privaten Arbeitsbereich geladen werden. Die Bearbeitung wird auf Operationen zurückgeführt, mit denen das gemeinsame Arbeitsmaterial konsistent zu halten ist. Die Systemarchitektur wird formal mit Mitteln der Mathematik beschrieben, verfügbare Technologie beschrieben und deren Einsatz in einem Umsetzungskonzept dargestellt. Das Umsetzungskonzept wird pilothaft implementiert. Dies erfolgt in der Umgebung des Internet in der Sprache Java unter Verwendung eines Versionsverwaltungswerkzeuges und relationalen Datenbanken.
Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, für Strecken mit 2+1-Verkehrsführung (Straßentyp RQ 15,5) ein Verfahren zum Nachweis der Verkehrsqualität zu entwickeln. Dabei wurden in einem ersten Schritt zunächst für freie Streckenabschnitte Beziehungen zwischen den Verkehrsstärken (q) und den mittleren Pkw-Reisegeschwindigkeiten (v) ermittelt und darauf aufbauend ein Bemessungsverfahren abgeleitet. In einem zweiten Schritt wurde das Verfahren erweitert, um für den Fall der Einbindung planfreier Knotenpunkte ebenfalls eine Bewertung vornehmen zu können. Bislang standen in Deutschland keine ausreichenden Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen q und v für Strecken mit einem RQ 15,5 zur Verfügung. Eine Literaturanalyse ergab, dass sich frühere Untersuchungen mehrheitlich mit dem Aspekt der Verkehrssicherheit beschäftigten. Somit stellten die eigenen Messungen und die daran anschließende Ergänzung von Daten mit Hilfe einer mikroskopischen Verkehrsflusssimulation den Schwerpunkt der Untersuchung dar. Die empirischen Untersuchungen hatten - verglichen mit q-v-Beziehungen für herkömmliche Landstraßenabschnitte - ein zum Teil deutlich höheres Geschwindigkeitsniveau bei vergleichbaren Verkehrsstärken zum Ergebnis. Darüber hinaus konnten zum Teil wesentlich höhere Überholraten festgestellt werden als bei einbahnig zweistreifigen Streckenabschnitten, bei denen ein Überholen im Gegenverkehr erlaubt ist. Zweifellos tragen auch die zweistreifigen Abschnitte eines RQ 15,5 dazu bei, Fahrzeugpulks aufzulösen. Für die aus mehreren aufeinander folgenden ein- und zweistreifigen Abschnitten bestehenden Untersuchungsstrecken, konnte jedoch insgesamt keine bedeutsame Pulkauflösung festgestellt werden. Dies ist vor allem dadurch begründet, dass die Strecken mit einem einstreifigen Abschnitt endeten. Das Simulationsprogramm LASI2+1 wurde speziell auf die Simulation des Verkehrsablaufs auf einer Strecke mit 2+1-Verkehrsführung abgestimmt. Die Kalibrierung des Modells erfolgte auf Basis von Erkenntnissen lokaler Messungen (insbesondere Zeitlücken und Geschwindigkeitsverteilungen). Im Rahmen der Validierung erfolgte ein Abgleich zwischen den Ergebnissen der Messungen mit den mit LASI2+1 simulierten für jede einzelne nachgebildete Untersuchungsstrecke anhand der Parameter q und v. Mit LASI2+1 wurden zahlreiche Simulationsläufe durchgeführt, bei denen eine Vielzahl von Kombinationen der Streckenparameter sowie der Verkehrszusammensetzung bei einem möglichst breiten Spektrum von Verkehrsbelastungen betrachtet wurden. Die Ergebnisse lagen zunächst in „Punktwolken“ vor, wobei jeweils ein Punkt beschrieben wird durch eine in einem 5-Minuten-Intervall gültige Verkehrsstärke q und der zu diesem Intervall gehörigen mittleren Reisegeschwindigkeit der Pkw v. Zur Darstellung der den Verkehrsablauf beschreibenden Punktwolken wurden verschiedene makroskopische Modelle getestet. Dabei wurden ein- und zweistreifige Abschnitte getrennt voneinander betrachtet. Nach Anwendung mathematischer Verfahren zur Kurvenanpassung ergaben für die einstreifigen Abschnitte Wurzelfunktionen die besten Näherungen zur Beschreibung der Zusammenhänge zwischen q und v. Für die leicht konvexen Ausprägungen in den q-v-Punktwolken der zweistreifigen Abschnitte lieferten lineare Funktionen, die über Verkehrsdichte (k)-Geschwindigkeits-Relationen hergeleitet wurden, die besten Ergebnisse. Mit Hilfe von varianzanalytischen Berechnungen konnten außerdem die Einflüsse der verschiedenen Trassierungsparameter quantifiziert werden. Längsneigung und Schwerverkehrsanteile wurden direkt in den insgesamt zehn q-v-Diagrammen dargestellt. Einflüsse durch die Längen der Teilabschnitte bzw. die Anzahl der Abschnitte wurden über Abminderungen bzw. Erhöhungen der Pkw-Reisegeschwindigkeiten berücksichtigt. Daraus wurden in einem weiteren Schritt Korrekturfaktoren ermittelt. Für den konkreten Fall eines planfreien Knotenpunkttyps im so genannten unkritischen Wechselbereich wurden weitere Einflüsse auf die Pkw-Reisegeschwindigkeit ermittelt, die die Auswirkungen der sich im Knotenpunkt ändernden Verkehrsstärke (nämlich deutlich geringere Geschwindigkeiten gegenüber dem durchgehenden Fahrstreifen) berücksichtigen. Durch die Ergebnisse dieser Arbeit liegen erstmals abgesicherte q-v-Diagramme für freie Strecken mit 2+1-Verkehrsführung einschließlich planfreier Knotenpunkte in unkritischen Wechselbereichen vor, die einen Diskussionsbeitrag für eine Aufnahme in Fortschreibungen der derzeit gültigen Regelwerke darstellen.
In der Arbeit wird ein räumliches Materialmodell für den anisotropen Werkstoff Holz vorgestellt. Dessen Leistungsfähigkeit wird durch Verifikationsrechnungen und die Simulation eigener Versuche aufgezeigt. In diesen Versuchen wurde das Tragverhalten spezieller Schubverbindungselemente der Brettstapel-Beton-Verbundbauweise untersucht. Die Kombination eines Brettstapels mit einer schubfest angeschlossenen Betonplatte ist eine vorteilhafte Möglichkeit, Schnittholz mit geringem Querschnitt effektiv in biegebeanspruchten Bauteilen einzusetzen. Es werden die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zu den Schubverbindungselementen Flachstahlschloss und Nutverbindung vorgestellt. Diese zeichnen sich durch eine über die gesamte Plattenbreite kontinuierliche Übertragung der Schubkraft per Kontaktpressung aus. Vor allem in Brettstapel-Beton-Verbunddecken werden somit ein sehr hoher Verschiebungsmodul sowie eine eminente Tragfähigkeit erreicht. Um mit numerischen Strukturanalysen die in den Versuchen beobachteten Versagensmechanismen adäquat abbilden und realistische Prognosen für das Tragverhalten von Bauteilen oder Verbindungen treffen zu können, muss das physikalisch nichtlineare Verhalten aller beteiligter Baustoffe in die Berechnungen einbezogen werden. Im Rahmen der Dissertation wurde ein auf der Plastizitätstheorie basierendes Materialmodell für Nadelholz hergeleitet und in das FE-Programm ANSYS implementiert, welches die Mikrostruktur des Holzes als verschmierendes Ersatzkontinuum erfasst. Anhand des anatomischen Aufbaus des inhomogenen, anisotropen und porigen Werkstoffs werden die holzspezifischen Versagensmechanismen und die daraus abgeleiteten konstitutiven Beziehungen erläutert. Das ausgeprägt anisotrope Tragverhalten von Holz ist vor allem durch erstaunliche Duktilität bei Stauchung, sprödes Versagen bei Zug- und Schubbeanspruchung und enorme Festigkeitsunterschiede in den Wuchsrichtungen gekennzeichnet. Die Auswirkungen der größtenteils unabhängig voneinander auftretenden, mikromechanischen Versagensmechanismen auf die Spannungs-Verformungsbeziehungen wurden durch die Formulierung adäquater Ver- resp. Entfestigungsfunktionen in Abhängigkeit der Beanspruchungsmodi erfasst. Das dem Materialmodell zu Grunde liegende mehrflächige Fließkriterium berücksichtigt die Interaktion aller sechs Komponenten des räumlichen Spannungszustandes. Die durchgeführten Verifikations- und Simulationsberechnungen belegen, dass der erarbeitete Ansatz sowohl zur Bewertung des Tragvermögens als auch zur Beurteilung von Riss- bzw. Schädigungsursachen von Holzbauteilen eingesetzt werden kann. Die numerische Simulation eröffnet neue, bisher wenig beachtete Möglichkeiten zur Untersuchung komplexer Holzstrukturen sowie Anschlussdetails und wird sich auf Grund der Aussagekraft und Flexibilität auch im Ingenieurholzbau mehr und mehr gegenüber ausschließlich experimenteller Untersuchung durchsetzen.
Mit der Einführung des semiprobabilistischen Sicherheitskonzeptes im Bauwesen wurden auch die Berechnungs- und Nachweisgrundlagen für Brücken neu definiert. Für die praktische Anwendung auf nationaler Ebene und die Präzisierung der Festlegungen des EC’s wurde ein ARS mit konsistenten Regeln zur Ermittlung von Kräften und Verformungen für Brückenlager erstellt. Schwerpunkt der Arbeit ist die Ermittlung von Kräften und Verformungen an stahlbewehrten Elastomerlagern nach den Normengrundlagen der DIN 1072 und des DIN-Fachbericht 101 (in Erweiterung durch den Entwurf des ARS vom 25.07.2005) an einem komplexen Spannbeton-Brückentragwerk, um einen Normenvergleich bezüglich des Sicherheitsniveaus anstellen zu können. Die Berechnungen wurden unter Verwendung des FE-Programmsystems ANSYS am nichtlinearen, komplexen Gesamtsystem durchgeführt. Im Vorfeld erfolgte dazu ein grundlegender Vergleich der Sicherheitskonzepte, der Lastannahmen und maßgebenden Lastfallkombinationen. Für die Windlastannahmen wurden die aktuellen Regelungen der DIN 1055-4 (2005-03) und der EN 1991-1-4 (2005-07) angewandt. Für die Vorbemessung und Nachweise des Spannbeton-Überbaus wurde ein InfoCAD-FE-Modell genutzt. Resultierend in der Lagerdimensionierung wurde anhand der Untersuchungsergebnisse die Vergleichsanalyse des jeweils erreichbaren Sicherheitsniveaus durchgeführt. Unter der betrachteten Bemessungssituation ist das erreichte Sicherheitsniveau nach neuer Normung vergleichbar mit dem des bisherigen Erfahrungsbereiches der DIN 1072.
Die Finite-Elemente-Methode entwickelte sich in den letzten beiden Jahrzehnten zu einem wichtigen und mächtigen Werkzeug für Berechnungen im Ingenieurwesen. Waren zu Beginn dieser Entwicklung nur kleine Probleme lösbar, sind mit der heutigen Rechentechnik Systeme mit vielen Tausend Freiheitsgraden berechenbar. Durch diese Entwicklung werden Berechnungen von sehr komplizierten Strukturen möglich. Besonders in der Automobilindustrie kann mit einem solchen Verfahren die Konstruktion von Strukturen verbessert und optimiert werden. Um gute Ergebnisse bei den Berechnungen erzielen zu können müssen Programme entwickelt werden, die entsprechende mathematische Methoden enthalten. Besonders im Maschinenbau, aber auch in anderen Ingenieurbereichen wie dem Bauwesen, werden häufig gekrümmte dünne Schalenstrukturen untersucht. Eine effiziente und logische Konsequenz daraus ist die Nutzung von Schalenelementen innerhalb der FE-Berechnungen. Wird nun noch Wert auf eine realitätsnahe Modellierung gelegt, dann lässt es sich oft nicht vermeiden von der im Bauwesen üblichen Theorie erster Ordnung in eine nichtlineare Berechnungstheorie zu wechseln. Hierfür sind Methoden notwendig, die es vermögen diese Theorie abzubilden. Sollen Schalenstrukturen mit großen Verschiebungen betrachtet werden, ist es notwendig, die linearen Elementformulierungen um die nichtlinearen Ansätze der Strukturmechanik zu erweitern. Die Grundlage dieser Formulierung stellt oft die Lagrange'sche Betrachtungsweise dar, die Berechnungen an Strukturen mit großen Verformungen zulässt. Die Inhalte dieser Formulierung werden in Abschnitt 1.5 dieser Arbeit betrachtet. Räumlich veränderlichen Strukturen, also solche mit großen Verformungen, sind im Allgemeinen mit großen Rotationen verknüpft. Diese Rotationen werden bei Volumenelementen durch die unterschiedliche Verschiebung zweier benachbarter Elementknoten realisiert. Bei der Formulierung von dünnen Schalenelementen wird hingegen die Struktur als gekrümmte Raumfläche betrachtet. Da in Dickenrichtung nur ein Elementknoten zur Verfügung steht, muss die Rotation über eine andere Formulierung in die Berechnung einfließen. Ansätze zu allgemeinen großen Rotationen werden im Kapitel 2 betrachtet und für den Einsatz in einer Elementformulierung vorbereitet. Für die beschriebenen Schalenstrukturen werden häufig vierknotige Elemente genutzt, da mit ihnen Strukturen in einfacher Weise abgebildet werden können. Ein weiterer Vorteil besteht in der sich ergebenden geringen Bandbreite der Elementmatrizen. Diese Elementgruppe besitzt jedoch bei der klassischen isoparametrischen Formulierung einen großen Nachteil, der in der Erzeugung von parasitären Steifigkeitsanteilen besteht. Um dieses Sperrverhalten, was auch als 'Locking' bekannt ist, zu minimieren wurden in der Vergangenheit verschiedene Ansätze entwickelt. Ein sehr effizienter Ansatz zur Minimierung des Transversalschublockings bei bilinearen Schalenelementen stellt das Verfahren der veränderten Verzerrungsverläufe auf Elementebene dar. Dieses Verfahren wird vielfach in der Literatur aufgegriffen und als 'Assumed-Natural-Strain'-Ansatz oder als 'Mixed Interpolation of Tensorial Components' bezeichnet. Dieses Verfahren wird im Abschnitt 1.6 vorgestellt. Das Programmsystem SLang ermöglicht eine Berechnung von Strukturen mittels der Finite-Elemente-Methode. Um mit diesem Programm auch nichtlineare Probleme an Schalentragwerken berechnen zu können, wird im Rahmen dieser Diplomarbeit ein vierknotiges nichtlineares Schalenelement implementiert, das die genannten Ansätze für große Verformungen und finite Rotationen enthält. Für die Vermeidung von Transversalschublocking wird ein ANS-Ansatz in die Formulierung integriert. Das Kapitel 3 beschreibt die Formulierung dieses SHELL4N-Elementes. Dort werden die Elementmatrizen und deren Aufbau ausführlich dargestellt. Einige numerische Berechnungsbeispiele mit diesem neuen Element werden zur Evaluierung im Kapitel 4 dieser Arbeit dargestellt.
Ziel dieser Diplomarbeit war es unter Verwendung von Messwerten und mathematischen Grundlagen eine Ermittlung der Tragfähigkeit vorhandener Straßenkonstruktionen. Ausgangspunkt waren Messungen auf zwei verschiedenen Strecken (L 2141 Andisleben-Dachwig, L1042 Gierstedt-Kleinfahner). Die Messungen wurden jeweils mit dem Benkelmannbalken und dem Falling-Weight-Deflectometer vorgenommen. Beide Verfahren unterscheiden sich durch die Art der Lateintragung. Die Lasteintragung erfolgt mit dem Benkelmannbalken statisch und mit dem Falling-Weight-Deflectometer dynamisch. Daraus folgt, dass die aus den Einsenkungswerten ermittelten E-Module mittels Benkelmannbalken statische E-Module und mittels Falling-Weight-Deflectometer. dynamische E-Module sind. Der E-Modul einer Schicht ist ein Maß für den Verformungswiderstand einer Straßenkonstruktion. Jede Straßenkonstruktion weist ein kompliziertes Verformungsverhalten auf. Betonstraßen besitzen in der Regel größere E-Module als Asphaltstraßen, die sich aber viskoelastisch und viskoplastisch verformen können. Der E-Modul einer Schicht ist auch von der jeweiligen Schichthöhe abhängig. Grundsätzlich gilt, je mehr Einsenkungswerte von einer Straßenkonstruktion zur Verfügung stehen, desto genauer fallen die Beurteilungen hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit aus. Die mathematische Ermittlung der Tragfähigkeit einer Straßenkonstruktion erfolgt über die Festlegung eines mathematischen Modells. Es wurden verschiedene Modelle untersucht. Das einfachste Modell zur Beschreibung einer Straßenkonstruktion ist der elastisch- isotrope Halbraum, wobei der gesamte Straßenkörper durch einen einzigen E-Modul beschrieben wird. Eine wesentlich exaktere Beschreibung einer Straßenkonstruktion ist das Zweischichtensystem. In diesem System wird der bituminöse Aufbau mit der Schichtdicke h und dem E-Modul E1 gekennzeichnet und die Unterlage (Frostschutzschicht und Untergrund zusammengefasst) mit dem E-Modul E2 beschrieben. Das Zweischichtensystem hat den Vorteil, dass ein erkennbarer E-Modul Sprung zwischen der gebundenen Schicht (E1) und der ungebundnen Schicht (E2) entsteht. Ein drei oder mehrschichtiges System hier anzuwenden ist sehr schwierig, da dieses nicht eindeutig bestimmt ist. Das Zweischichtensystem ist eindeutig bestimmt und liefert genügend gute Ergebnisse, um die Tragfähigkeit zu beschreiben.
Bei der grundbautechnischen Bemessung und der Errichtung von Bauwerken im Grundwasser sind die wesentlichen Einwirkungen auf hydrodynamische Effekte zurückzuführen. Die zu-verlässige Funktion eines solchen Bauwerkes ist maßgeblich von der richtigen Einschätzung der unterschiedlichen Effekte abhängig. Aufgabe ist es, hydraulisch bedingte Versagensformen wie Hydraulischer Grundbruch, innere Erosion, Aufschwimmen und Auftrieb zu charakterisieren und voneinander abzugrenzen, ty-pische Beispiele dieser Versagensformen zu nennen, Interaktionen zwischen ihnen aufzu-zeichnen und zu quantifizieren sowie Einflussparameter und Grenzzustände zu beschreiben. Aufbauend auf diesen Betrachtungen soll am praktischen Beispiel einer Baugrubensicherung durch konventionelle Rechnung und numerische Simulation das Versagensprinzip des Hyd-raulischen Grundbruches in nicht bindigem Boden nachvollzogen werden. Die Ergebnisse der Analyse sind unter dem Gesichtspunkt der Richtigkeit der zugrunde liegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten zu bewerten.