620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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In Baden-Württemberg werden derzeit für ca. 12.500 km Gewässer Hochwassergefahrenkarten erstellt. Hierfür sind umfangreiche hydraulische Berechnungen erforderlich, die es zu optimieren gilt. Bei der Wasserspiegellagenermittlung kommen zumeist eindimensionale Berechnungsverfahren zum Einsatz bei denen die Topografie der Gewässer und Vorländer über Querprofile erfasst werden. Im Rahmen der Hochwassergefahrenkartenerstellung werden diese Querprofile zum einen im Bereich des Gewässers über kostenintensive, terrestrische Vermessung und zum anderen im Bereich der Vorländer über ein digitales Geländemodell (DGM) bestimmt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe die Querprofilerstellung und damit insgesamt die Methodik zur Erstellung der Hochwassergefahrenkarten verbessert werden kann.Das Verfahren ermöglicht es, unter optimaler Ausnutzung sowohl der vorhandenen terrestrischen Vermessungsdaten, als auch des hochaufgelösten digitalen Geländemodells zusätzlich zur vorhandenen Vermessung an beliebigen Stellen Ergänzungsquerprofile zu generieren. Des Weiteren wurde mittels Sensitivitätsanalyse untersucht, welche Auswirkungen eine Verringerung der Anzahl von vermessenen Querprofilen auf die Wasserstände haben.
Grundidee der Arbeit ist es, Lösungen von Randwertaufgaben durch Linearkombinationen exakter klassischer Lösungen der Differentialgleichung zu approximieren. Die freien Koeffizienten werden dabei durch die Bestimmung der besten Approximation der Randwerte berechnet. Als Basis der Approximation werden vollständige orthogonale und nahezu orthogonale Funktionensysteme verwendet. Anhand ausgewählter Beispiele mit Randvorgaben unterschiedlicher Glattheit wird am Beispiel der Kugel die prinzipielle Anwendbarkeit der Methode getestet und hinsichtlich der Entwicklung des Fehlers der Näherungslösung, der Stabilität des Verfahrens und des numerischen Aufwandes untersucht. Die erhaltenen Resultate geben einen begründeten Anlass, die Anwendung der Methode als Bestandteil einer hybriden analytisch-numerischen Methode, insbesondere der Verknüpfung mit der FEM, weiterzuverfolgen.
Es wird die Geschichte des Spannbetons im Brückenbau wiedergegeben. Hierzu wird unter anderem ein Normenvergleich zum Thema Spannbeton aufgestellt. Desweiteren wird erläutert, was die Grundlagen für die Nachrechnung bestehender Brücken sind. Für die Brücke über die Saale bei Jena-Kunitz wird ein Beprobungskonzept mit zerstörenden Prüfungen erstellt. Die erhaltenen Proben sollen in Labortests weiter untersucht werden. Die durch die Beprobung entstehenden Schädigungen sollen zu weiteren Messungen an der Brücke genutzt werden. Die Schädigungszustände werden statisch nachgewiesen. Zum Schluss werden Hinweise für den geplanten Abriss der Brücke gegeben.
Zur Tragwerksanalyse bzw. zu Tragfähigkeits- und Bemessungsaufgaben dienen Betrachtungen an ausgewählten Querschnitten der Tragelemente. Besonders interessieren Normalspannungs- und Dehnungsverteilungen sowie Grenzbeanspruchungsniveaus und Grenzkapazitäten am Querschnitt. Die statische Wirksamkeit von Verbundquerschnitten basiert auf Verbundwirkung zwischen Querschnittsanteilen unterschiedlicher Materialeigenschaften (z.B. Verbundbau) oder unterschiedlicher Zeitpunkte ihrer statischen Mitwirkung (z.B. nachträgliche Querschnittsergänzungen). Hierbei kommt es häufig zu Fehlinterpretationen des prinzipiellen Tragverhaltens. In der vorliegenden Arbeit werden numerische Berechnungsmodelle zur Querschnittsanalyse vorgestellt und das Tabellenkalkulationsprogramm MS EXCEL zur Lösung der iterativen Berechnungsalgorithmen genutzt. Betrachtet werden Querschnitte üblicher Konstruktionen des Massiv-, Stahl- und Verbundbaus (Baustahl-Beton) unter ein- oder zweiachsiger Biegebeanspruchung und Normalkraft. Zur annähernden Erfassung des realen Tragverhaltens zu ausgewählten Zeitpunkten sind nichtlineare Spannungs-Dehnungs-Beziehungen der Materialien, Vordeformationen von einzelnen Querschnittsanteilen, nachträgliche Ergänzungen zu neuen statisch wirksamen Verbundquerschnitten sowie Rissbildungsmodelle im Beton berücksichtigt. Die im Rahmen dieser Arbeit entstandene programmtechnische Umsetzung „VerbQ“ (auf Basis von MS EXCEL und MS VISUAL BASIC) wurde anhand von Beispielrechnungen vorgestellt und erläutert.
Für die weitgehende Nutzung der enthaltenen Nährstoffe in häuslichem Abwasser und die Realisierung des Kreislaufgedankens auch in kommunalen Abwassersystemen ist eine Trennung der Abwasserströme, wie sie vielfach bereist in der industriellen Produktion eingesetzt wird, Vorrausetzung. Die getrennte Erfassung und Sammlung sowie die Nutzung bzw. Behandlung der einzelnen Teilströme weicht von den üblichen Verfahren der bisher praktizierten end-of-pipe-Systeme ab und es gilt nach alternativen Verfahrensmöglichkeiten zu suchen, um die Ziele eines teilstromorientierten Abwasserkonzeptes zu verwirklichen. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein anaerobes mesophiles Behandlungsverfahren für den Teilstrom Braunwasser untersucht. Zu diesem Zweck wurden verschieden Versuche mit Faeces mit unterschiedlichen Wassergehalten und in unterschiedlichen Mischungen von Einsatz des Rohsubstrates bis hin zur Zugabe von Urin, Wasser und/oder Impfschlamm untersucht. Während der Versuche in temperierten Reaktoren fand eine Aufzeichnung der Gaserträge der einzelnen Ansätze, der pH-Werte in ausgewählten Ansätzen, der Raumtemperatur und der Substrattemperatur im Reaktor statt. Diese verschiedenen Ansätze sind anhand ihrer Zusammensetzung dargestellt und in den gewonnenen Ergebnissen untereinander und mit denen in der Startliteratur angegebenen Werten verglichen und bewertet. Ziel der anaeroben Behandlung war es, ein stabilisiertes Substrat aus der anaeroben Stufe zu erhalten. Aus den gewonnenen Ergebnissen wird ein Verfahrensvorschlag für eine anaerobe Stabilisierung gemacht.
In dieser Arbeit wird eine umfassende Untersuchung der raumakustischen Qualität der Schlosskapelle des Weimarer Residenzschlosses für den Zustand, wie sie zwischen 1658 und 1774 existierte, durchgeführt. Die Schlosskapelle als sakraler Raum innerhalb der Schlossanlage diente der Ausübung religiöser Handlungen und war fester Bestandteil des kulturellen Lebens am Weimarer Hof. Eine wesentliche Bedeutung erlangte sie in diesem Zusammenhang als musikalische Wirkungsstätte Johann Sebastian Bachs. Mit ihrer akustischen Qualität hatte sie einen erheblichen Einfluss auf sein musikalisches Schaffen. Die Untersuchung der raumakustischen Situation stellt damit eine notwendige Grundlage für eine musikwissenschaftliche Einordnung der Schlosskapelle als Aufführungsstätte geistlicher Kompositionen dar. Der raumakustische Zustand der Weimarer Schlosskapelle ist eng mit der baulichen Entwicklung der gesamten Schlossanlage verbunden, die infolge äußerer Einflüsse einem steten Wandel unterlag. Die Umgestaltung der Schlosskapelle zu Beginn des 17. Jahrhunderts erfolgte nach barocken Raumvorstellungen. Einen wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung des Innenraumes übte zudem die reformierte Kirche mit ihren liturgischen Anforderungen aus. Die historische Entwicklung der architektonischen Stilepoche sowie der protestantischen Kirche wird in Bezug zu dem akustischen Erscheinungsbild der Schlosskapelle näher untersucht. Ausgehend von der architektonischen Rekonstruktion wird die Raumstruktur der historischen Schlosskapelle in ein Computermodell übertragen, mit dem die Berechnung akustischer Bewertungskriterien möglich ist. Eine ausgiebige Recherche nach verwendeten Materialien und der Ausbildung baulicher Konstruktionen ist dabei die Grundvoraussetzung für aussagekräftige Simulationsergebnisse. Die Wahl der Materialparameter sowie der Einfluss der geometrischen Besonderheiten der Weimarer Schlosskapelle auf die simulierten Schallfeldparameter werden durch die Untersuchung eines Referenzobjektes verifiziert. Dafür werden die akustischen Bewertungskriterien mit einer raumakustischen Messung ermittelt und mit Simulationsergebnissen verglichen. Ein besonderes Interesse bei der Simulation der Schlosskapelle gilt der Nachhallzeit als Charakteristikum der Halligkeit, die in sakralen Gebäuden die auffälligste akustische Raumeigenschaft darstellt. Mit der rekonstruierten Nachhallzeit wird die Schlosskapelle mit barocken Kirchen verglichen und bezüglich ihrer Lage im baustiltypischen Bereich beurteilt. Der Direktschall und die im zeitig folgenden Reflexionen sind bei der raumakustischen Simulation maßgeblicher Gegenstand der Betrachtung. Während der Nachhall das Verschmelzen einzelner Töne zu einem Gesamtklang fördert, ist der Direktschall für die Deutlichkeit von Sprache und der klanglichen Durchsichtigkeit von musikalischen Strukturen verantwortlich. Der Einfluss des Direktschalls wird mit speziellen Energiekriterien beurteilt, mit denen gezielte Aussagen über die akustische Qualität einzelner Platzbereiche möglich sind. Die unterschiedlichen akustischen Anforderungen an die Schlosskapelle bei der jeweiligen Nutzung des Raumes werden mit den Energiekriterien differenziert untersucht und bewertet.
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.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Energieeintrag beim Laserstrahl-schweißen untersucht. Das verwendete Material ist ein Stahl der Sorte S355 J2G3. Für das FE-Programm SYSWELD sind verschiedene Wärmequellen entwickelt, erprobt und über Temperaturfelder mit einander verglichen wurden. Dabei kamen unterschiedliche Netz-varianten zum Einsatz. Der Energieeintrag wurde abzüglich der Verluste die beim Laserstrahlschweißen entstehen betrachtet, dabei sind die Verluste aus Transmission, Reflexion und Metalldampf separat betrachtet wurden. Es wurden auch Materialparameter wie: Verdampfungsenthalpie, spezifische Wärmekapazität sowie Wärmeleit-fähigkeit analysiert. Die Ergebnisse zur Anpassung des Energieeintrages waren im Gegensatz zu den Materialparametern noch ausbaufähig.
The intention of this thesis is first, to determine material constants of ductile cast irons (EN-GJS-400-15,EN-GJS-500-7, EN-GJS-600-3) for estimating fatigue damage. These constants are obtained from experimental results. These results are stress versus strain tests, strain versus crack initiation life tests,and consequently, Smith, Watson and Topper damage parameter, PSWT can be calculated. Using data fitting, the constants can be estimated, thus Uniform Material Law for ductile cast irons is fulfilled. Endurance limit stress is obtained based on research report termed Synthetic Wöhler Lines(SWL).It is found out that the endurance limit stress is a function of yield limit stress. Endurance life cycle is set as three millions for the three materials. Secondly, fatigue life assessment is done for diesel engine pump part made of the three ductile cast irons. Finite element calculation is done to get elastic stress concentration factor, Kt, and plastic notch factor Kp. Neuber ´s rule is used to determine local stress at notch subjected to constant amplitude load test and variable amplitude loading. The constant amplitude loading is conducted at a stress ratio of R=0 on the pump part. The test results show that fatigue life assessment based on the material constants is accurate. On the basis of the accuracy of constant amplitude test results, it is possible to determine for fatigue life for variable amplitude loading which is the real loading on the pump part. The variable amplitude loading is normally standardized for computational efficiency. This standardized loading is termed as CORAL (COmmon RAil Loading) sequence. CORAL is used to calculate fatigue life of pump part and is inputted to a Fatigue Life Evaluation computer program. This program uses rain flow cycle counting method. It can be concluded that the material constants for ductile cast irons fit well which is proved by experimental tests by constant amplitude loading on pump part. Then life prediction can be done for the typical pump loading, standardized variable amplitude loading known as CORAL