Kaiserslautern - Fachbereich Bauingenieurwesen
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In 2022 verfehlten Gebäude- und Verkehrssektor die Klimaschutzziele in Deutschland. Im Gegensatz zum Verkehrssektor stehen im Gebäudesektor lange Lebensdauern schnellen Technologiewechseln entgegen, weshalb Strategien besonders frühzeitig umgesetzt werden müssen. Zudem ist der Gebäudebestand durch hohe Investitionskosten bei vergleichsweise geringen Treibhausgaseinsparungen je investiertem Euro geprägt. In Kombination erschweren diese Hemmnisse die Erreichung der Klimaschutzziele für den Wohngebäudebestand deutlich.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Wohngebäudebestandsmodells, um Transformationspfade unter dem Einfluss variierender ökonomischer Rahmenbedingungen, wie z.B. dem Einfluss unterschiedlicher CO2-Preisverläufe und eine Reinvestition der CO2-Steuer in die Modernisierung der Gebäude, simulieren und analysieren zu können.
Im ersten Schritt wird ein Wohngebäudebestandsmodell bei Fortschreibung der ökonomischen Rahmenbedingungen im Startjahr entwickelt und angewendet. Hierzu werden wichtige Parameter des Gebäudebestands identifiziert und diese anhand des vergangenen Verlaufs analysiert sowie Szenarien und Prognosen betrachtet. Ergebnis sind Ausgangsbedingungen und Einflussfaktoren auf den weiteren Verlauf, die für die Modellierung genutzt werden. Im zweiten Schritt wird eine Systematik entwickelt, um Modernisierungsraten endogen bei Variation der ökonomischen Rahmenbedingungen berechnen zu können.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell vorgestellt, dass die ökonomischen Rahmenbedingungen und das Kopplungsprinzip dynamisch bei der Simulation von Vollmodernisierungsraten berücksichtigt. Die Ergebnisse zeigen, dass Vollmodernisierungsraten von 2 %/a über längere Zeiträume extreme Rahmenbedingungen benötigen und unrealistisch sind. Haupthemmnisse sind der Sanierungsbedarf (Kopplungsprinzip), sinkende Energieeinsparpotenziale der jüngeren Baualtersklassen und Mitnahmeeffekte bei verbesserter Förderung. Da eine Erreichung der Klimaschutzziele nur durch Anpassung der CO2-Steuer (auch bei Reinvestition) nicht innerhalb realistischer Steuerhöhen im Modell möglich ist, wird stattdessen ein Maßnahmenpaket aus wirtschaftlichen und legislativen Rahmenbedingungen zur Zielerreichung vorgestellt.
Auf Grundlage normativer Regelungen, aktueller Forschungsvorhaben und deren Erkenntnisse (Kuhlmann u. a. 2008 und 2012) wurden experimentelle sowie numerische Untersuchungen an großen Ankerplatten mit mehr als der aktuell normativ zugelassenen Anzahl an Kopfbolzen durchgeführt. Ziel der Untersuchungen war es, einen Ansatz für die Tragfähigkeit großer nachgiebiger Ankerplatten mit Kopfbolzen zu entwickeln. Durch Variationen der maßgebenden Parameter wie der Ankerplattendicke, der Kopfbolzenlänge, des Grads der Rückhängebewehrung sowie des Zustands des Betons konnte anhand der experimentellen Untersuchungen ein Komponentenmodell verifiziert werden. Mögliche Versagensmechanismen, wie Stahlversagen der Kopfbolzen auf Zug, Fließen der Ankerplatte infolge der T-Stummelbildung, kegelförmiger Betonausbruch sowie Stahlversagen der Rückhängebewehrung, konnten mithilfe dieser Parameter abgebildet werden. Weiter hat sich beim Versagensmodus ‚kegelförmiger Betonausbruch‘ die Oberflächenbewehrung im Nachtraglastbereich als zusätzlicher Parameter herausgestellt.
Das auf Grundlage der DIN EN 1993-1-8 entwickelte Modell und die Berücksichtigung der Komponentensteifigkeiten ermöglichen die Bemessung starrer und nachgiebiger Ankerplatten. Durch den Einbezug der Steifigkeiten einzelner Komponenten kann die Gesamtsteifigkeit einer Anschlusskonfiguration berechnet werden, um ein duktiles Tragverhalten zu erhalten. Neben verschiedenen möglichen Fließzonen auf der Ankerplatte infolge unterschiedlicher Geometrien und Anordnungen der Verbindungsmittel werden kegelförmige Betonausbrüche in Abhängigkeit einer möglichen zusätzlichen Rückhängebewehrung im Modell berücksichtigt.
Das in dieser Arbeit beschriebene Modell für die sich bildende Zugseite starrer sowie nachgiebiger Ankerplatten mit mehr als aktuell nach Norm zulässigen Ver-bindungsmitteln konnte anhand experimenteller und numerischer Versuche verifiziert werden. Der plastische Bemessungsansatz zeigt, über alle Versuchsserien hinweg, eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Untersuchungen sowie den numerischen Parameterstudien.
In einem zweiten Schritt wurden Auswirkungen einer Kurzzeitrelaxation des Betons infolge Zwang auf große Ankerplatten in Verbindung mit Kopfbolzen untersucht. Mit dem in Anlehnung an die Komponentenmethode der DIN EN 1993-1-8 entwickelten Federmodell können zeitabhängige Verformungen von Beton infolge von Kriechen und Schwinden berücksichtigt werden. Mithilfe des anhand experimenteller und numerischer Versuche verifizierten Modells ist es möglich, Auswirkungen infolge Zwang auf Ankerplatten zu untersuchen.
Zur Förderung der Nahmobilität, insbesondere der Basismobilität „Zufußgehen“, ist die Möglichkeit zur Teilhabe im öffentlichen Verkehrsraum für alle Menschen und im Besonderen für mobilitätseingeschränkte (Bedürfnisgruppen) unerlässlich. Nur mit Hilfe einer barrierefrei gestalteten Umwelt kann die Teilhabe Aller erreicht werden. In diesem Zusammenhang ist es notwendig, ein durchgehend barrierefreies Fußverkehrsnetz herzustellen. Hierzu sind die Fußverkehrsanlagen (Gehbereiche, Überquerungsstellen, Treppen, Rampen und Aufzüge) entsprechend zu gestalten. Ein nachvollziehbares und praxisorientiertes Verfahren zur Bewertung der Barrierefreiheit von Fußverkehrsnetzen existiert allerdings derzeit nicht. An diesem Punkt setzt die vorliegende Forschungsarbeit an. Durch die Entwicklung
eines Verfahrens zur Bewertung der bestehenden Barrierefreiheit von Fußverkehrsnetzen anhand von Qualitätsstufen wird ein praktisches Anwendungstool geschaffen. Dieses richtet sich an verantwortliche Personen, u.a. aus Planung, Politik und Verwaltung, um eine Priorisierung und Umsetzung von
Maßnahmen zum Abbau von Barrieren vornehmen zu können.
Grundlage für das Bewertungsverfahren bilden Interviews und Befragungen von Fachleuten und Bedürfnisgruppen. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf motorisch und visuell eingeschränkten Personen. Die Befragungen befassten sich mit der Höhe der Erschwernisse, je nach Bedürfnisgruppe, bei der Nutzung von Fußverkehrsanlagen im öffentlichen Raum, wenn diese nicht den Vorgaben der Technischen Regelwerke entsprechen. Das Bewertungsverfahren übersetzt die Barrierefreiheit in eine verständliche und nachvollziehbare Größe, indem die Erschwernisse in eine gefühlte zusätzliche Entfernung umgerechnet werden. Weiterhin wird neben der gefühlten auch die tatsächliche zusätzliche Entfernung aufgrund von Umwegen berücksichtigt. Aufbauend auf der Bewertung von Fußverkehrsanlagen können so Routen und Verbindungen sowie Fußverkehrsnetze bewertet werden. Der grundsätzliche Ablauf des Bewertungsverfahrens ist für alle Bedürfnisgruppen gleich. Er besteht aus vier wesentlichen Schritten und hat jeweils eine von sechs Qualitätsstufen der Barrierefreiheit (QSB, Stufen von A bis F) zum Ergebnis. Im Rahmen der Forschungsarbeit wird festgelegt, dass der Übergang von der Stufe D zur
Stufe E für die Mehrheit der betrachteten Bedürfnisgruppen die Grenze zwischen Selbstständigkeit und Notwendigkeit fremder Hilfe beim Nutzen der Fußverkehrsanlagen darstellt. Das entwickelte Bewertungsverfahren bietet eine gute Grundlage zur Bewertung von Fußverkehrsnetzen in Bezug auf die Barrierefreiheit. Aufgrund der Modularität und Flexibilität ist es möglich, sowohl
weitere Aspekte als auch weitere Bedürfnisgruppen zu integrieren. Wichtig sind eine kontinuierliche Anwendung des Verfahrens und die Berücksichtigung der Barrierefreiheit von Anfang an in jeder Planung. Ebenfalls ist eine gesetzliche Integration der barrierefreien schrittweisen Umgestaltung anhand
anerkannter Technischer Regelwerke notwendig. Nur so kann ein durchgehend barrierefreies Netz entstehen und allen Menschen, egal ob mit oder ohne Mobilitätseinschränkung, eine Teilhabe im öffentlichen Verkehrsraum ohne fremde Hilfe ermöglicht werden. Zudem kann durch die Steigerung der
Attraktivität die Nahmobilität gefördert werden. Hiermit kann erreicht werden, Menschen bei kurzen Entfernungen vom zu Fuß gehen bzw. von der Nutzung des Rollstuhls zu überzeugen. Letztlich ist so auch eine Minderung des CO2-Ausstoßes denkbar, wenn für kurze Routen kein oder seltener das Kfz
genutzt wird. Das nachhaltigste und umweltschonendste Fortbewegungsmittel ist das zu Fuß gehen und ein barrierefreies Umfeld trägt somit schlussendlich zum Klimaschutz bei.
Mit Durchführung des Instandsetzungsverfahrens 8.3 nach der Technischen Regel Instandhaltung, kurz TR-IH; wird zunächst keine direkte Repassivierung des Bewehrungsstahls angestrebt. Der Instandsetzungserfolg ist vielmehr an die zeitliche Änderung der korrosionsrelevanten Kenngrößen gekoppelt. Hierzu zählen die Erhöhung des spezifischen Elektrolytwiderstands des Betons infolge von Austrocknung sowie die Abnahme der Korrosionsströme und Treibspannungen am Bewehrungsstahl.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden grundlegende Untersuchungen zur Wirkungsweise und zu den Anwendungsgrenzen des Instandsetzungsverfahrens 8.3 durchgeführt. Zur Beschreibung der Feuchteaufnahme und Feuchtespeicherung von chloridbelastetem Beton im Vergleich zu chloridfreiem Beton erfolgte die Untersuchung der Sorptionsisotherme an Betonen mit unterschiedlichen Chloridgehalten. Im Weiteren erfolgte die Untersuchung des Austrocknungsverhaltens von chloridbelasteten Betonproben unter eher diffusionsoffenen und stark diffusionsbremsenden Beschichtungen. Zusammen mit dem Austrocknungsverhalten wurde auch die Korrosionsaktivität der Bewehrung mittels elektrochemischer Messmethoden untersucht.
Die korrosionsbremsende Wirkungsweise des Verfahrens 8.3 wird bei niedrigen Wassergehalten primär durch eine anodische Steuerung der Korrosion als maßgeblicher Faktor beeinflusst. Der spezifische Elektrolytwiderstand hat als Systembestandteil im untersuchten Aufbau einen wichtigen, aber für den Nachweis des Instandsetzungserfolgs nicht hinreichenden Anteil, wenngleich er eine gute Korrelation mit der Austrocknung des Betons besitzt. Zur Bewertung der Korrosionskinetik ist die alleinige Betrachtung des spezifischen Elektrolytwiderstands daher ungeeignet.
Im Hinblick auf die Anwendungsgrenze des Verfahrens 8.3 zeigt sich der auf Höhe des Betonstahls im Beton vorhandene Chloridgehalt als ein maßgebliches Kriterium. Während die Korrosionsaktivität selbst bei moderat austrocknenden Proben unter stark diffusionsbremsenden Beschichtungen bei Chloridgehalten von 1 M.-% Cl-/z im Bereich der Passivstromdichte liegt, ist eine vergleichbare Reduktion der Stromdichten bei Chloridgehalten von 2 M.-% Cl-/z von weiteren Randparametern abhängig. Die Art der Beschichtung beeinflusst die Austrocknung des Betons entscheidend. So kann ein weniger dichter Beton unter einer diffusionsoffenen Beschichtung (OS 4) so weit austrocknen, dass die Passivstromdichte erreicht wird. Bei eher diffusionsdichten Beschichtungen und Vorhandensein hoher Chloridgehalte von 2 M.-% Cl-/z führte das Instandsetzungsverfahren 8.3 bei dem gewählten Versuchsaufbau innerhalb üblicher Zeiträume (hier 1,5 Jahre) nachweislich nicht zum Erfolg (unschädliche Korrosionsraten).
Der Klimawandel stellt eine der größten Herausforderungen der aktuellen Zeit dar. Um die globale Erwärmung zu begrenzen, ist eine deutliche Reduzierung der CO2-Emissionen erforderlich. Dies muss auch im Gebäudesektor erfolgen. In Deutschland lassen sich auf diesen 34 % des gesamten Endenergieverbrauchs und 28 % der CO2-Emissionen zurückführen.
Um den Heiz- und Kühlenergiebedarf von Gebäuden möglichst umweltschonend sicherzustellen, ist es erforderlich, dass Gebäude mit ihrer Umgebung als eine Einheit betrachtet werden. Neben einem hohen Dämmniveau und einer möglichst luftdichten Ausführung der Gebäudehülle bedarf es dazu einer effizienten Anlagentechnik. Ziel dieser ist es, einen möglichst großen Anteil der erforderlichen Energie aus der Umwelt zu gewinnen und einzuspeichern, wenn diese in ausreichender Menge und auf dem erforderlichen Temperaturniveau zur Verfügung steht und abzugeben, wenn diese zur Beheizung oder Kühlung des Gebäudes benötigt wird.
Bei der Entwicklung solcher Gebäudegesamtsysteme ist es sinnvoll, die einzelnen Komponenten und deren Zusammenspiel über Simulationsprogramme zu modellieren. Auf diese Weise lässt sich die Funktion und Effizienz der Systeme untersuchen und bewerten. Aus diesem Grund wurde ein auf Latentwärmespeichern und Peltier-Wärmetauschern basierender Ansatz für ein neuartiges Gebäudegesamtsystem experimentell und simulativ untersucht.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die an einzelnen Komponenten durchgeführten Versuche im Labor sowie in einem Versuchsgebäude. Anhand der gewonnenen Messwerte erfolgt anschließend aufgeteilt in ein Teilsystem zur Kühlung und ein Teilsystem zur Beheizung die Modellierung des Systems über das Gebäudesimulationsprogramm TRNSYS. Um die Funktions-weise der untersuchten Latentwärmespeicher und die Steuerung des Gesamtsystems abzubilden, wurde in TRNSYS der Type62 verwendet.
Es stellte sich heraus, dass sich dieser sehr gut eignet, um Messdaten in die Simulation zu implementieren, physikalische Prozesse abzubilden sowie um Algorithmen zur Steuerung des Systems zu programmieren. Auf diese Weise ließen sich für das neuartige Gebäudegesamtsystem das Zusammenspiel der einzelnen Technologien, der Deckungsanteil am Jahresenergiebedarf sowie die Energieeffizienz analysieren. Beim Teilsystem zur Kühlung wurden darüber hinaus die thermische Behaglichkeit sowie die Auswirkungen, die sich bei einer Holzrahmenbauweise und einem extrem warmen Testreferenzjahr ergeben, untersucht.
Die entwickelten Simulationsmodelle ermöglichen es, Randbedingungen sowie die Dimensionierung einzelner Komponenten zu variieren oder die Steuerungstechnik zu erweitern. Auch besteht die Möglichkeit weitere Technologien mit einzubinden, um deren Effekt auf die Leistungsfähigkeit und Effizienz des Gesamtsystems zu untersuchen. Optimierungspotential besteht beim Teilsystem zur Kühlung darin, weitere prädiktive Steuerungsalgorithmen zu hinterlegen, um die Betriebszeiten der Anlage und somit auch den Stromverbrauch zu reduzieren.
Stress- und Sicherheitsempfinden – Chancen und Potenziale zur Förderung der Radverkehrssicherheit
(2023)
Radfahren trägt zu einer Verbesserung der Lärm- und Luftqualität bei, wenn stattdessen weniger motorisierte Fahrzeuge genutzt werden. Für viele Interessierte ist es jedoch wichtige Voraussetzung, dass Radverkehrsanlagen stressfrei und sicher befahren werden können. Während sich die objektive Sicherheit im Unfallgeschehen widerspiegelt, existiert zur subjektiven Sicherheitswahrnehmung von Radfahrenden jedoch nur wenig gesichertes Wissen.
Aus diesem Grund wurden mehrere Befragungen zur Erfassung des subjektiven Sicherheits- und Stressempfindens durchgeführt. Die Befragungsergebnisse zeigen, dass diese beiden Empfindungen in engem Zusammenhang stehen. Das Stressempfinden wurde zusätzlich in einer Feldstudie gemessen. Durch die Befragungen und die Feldstudie konnten subjektiv empfundene Sicherheitsdefizite in innerstädtischen Radverkehrsnetzen identifiziert werden. Dabei zeigen die Auswertungen, dass hauptsächlich geringe Abstände zu fahrenden und parkenden Kfz sowie das besondere Dooring-Risiko bei seitlich parkenden Kfz einen hohen Einfluss auf das Stressempfinden von Fahrradfahrenden haben. Die Ergebnisse decken sich mit allgemein bekannten Unfallstellen und -ursachen im Radverkehr und den Befunden anderer Studien. Weiterhin konnten auch bisher nicht bekannte Stresspunkte und -auslöser identifiziert werden, wie signalisierte Knotenpunkte, Bordsteinkanten an Querungsstellen und dunkle Unterführungen. Das Fahren auf geschützten Radfahrstreifen sowie Radwegen, Wald- und Wirtschaftswegen, Fahrradstraßen und verkehrsberuhigten Bereichen hingegen wird als stressarm bewertet. Neben den Ursachen von subjektivem Stress im Radverkehr wurden ebenso Licht- und Assistenzsysteme hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Stressempfinden untersucht. Dabei zeichnet sich einerseits ein noch bestehender Forschungs- und Entwicklungsbedarf hinsichtlich Helligkeit und Verbreitung, andererseits auch eine sehr hohe Nutzungsbereitschaft ab. Durch die Nutzung der Systeme wird ein großer Sicherheitsgewinn erwartet, da sie Sichtverdeckungen (z. B. in Kreuzungsbereichen, an Grundstücksein- und -ausfahrten) ausgleichen und der Witterung und schlechten Lichtverhältnissen gegenüber unempfindlich sind.
Aus den ermittelten Stresswerten der Befragungen und der Feldstudie wurde ein Bewertungsverfahren für Radverkehrsanlagen entwickelt, das eine Ergänzung der etablierten Verfahren darstellt. Die Bewertung erfolgt durch die Berechnung von Potenzialen zur Stressreduktion anhand eines Formblatts. Aus den Bewertungen lassen sich folgende Handlungsempfehlung zur Stressreduktion für Radfahrende ableiten: In Wohnquartieren empfiehlt sich die Führung über verkehrsberuhigte Bereiche oder Fahrradstraßen. An Hauptstraßen eröffnet eine Reduzierung der zulässigen Geschwindigkeit auf 30 km/h sowie die Führung über geschützte Radfahrstreifen und Radwege die größten Potenziale. Bei der Gestaltung von Knotenpunkten werden Einmündungen und geschützte Kreuzungen angeraten. Weitere Stressreduktionen sind durch die Nutzung von Licht- und Assistenzsystemen zu erwarten. Die Potenziale der Stressreduktion können jedoch nur ausgeschöpft werden, wenn die Streckenabschnitte Teil eines durchgängigen Radverkehrsnetzes sind. Der Fokus von Maßnahmen für den Radverkehr sollte daher auf der Einrichtung bzw. Vervollständigung eines Radverkehrsnetzes über stressarme Routen liegen, um den Radverkehr weiter zu fördern.
Automatisierte und individualisierte Mobilitätsdienstleistungen - Anforderungen und Umweltwirkungen
(2023)
Durch die Digitalisierung und Prozessautomatisierung sowie die Sharing Economy, positionieren sich zunehmend neue Mobilitätsdienstleistungen im Verkehrssektor. Mit der zusätzlichen Automatisierung der Fahrzeuge, werden sich diese Dienstleistungen zu Robotaxen und Roboshuttles weiterentwickeln. Die Angebote ordnen sich zwischen dem heutigen öffentlichen Verkehr und dem Individualverkehr ein und nutzen die technischen Möglichkeiten, um ein auf die Bedürfnisse der Fahrgäste zugeschnittenes, flexibel nutzbares Angebot zu erstellen. Welche verkehrlichen und ökologischen Auswirkungen eine Einführung solcher Angebote hat, ist bis dato noch nicht bekannt oder kann allenfalls auf Grundlage von bestehenden Simulationsstudien abgeleitet werden. Das Ziel der Dissertation ist es, die Nutzungsintention und die Anforderungen an die Angebotsparameter in der Bevölkerung zu erheben und die potenzielle Nutzung sowie deren Wirkungen auf das Verkehrssystem und die Umwelt abzuschätzen.
In einem ersten Arbeitsschritt wurde zunächst der Entwicklungsrahmen der Fahrzeugautomatisierung und der Mobilitätsangebote definiert. Eine wichtige Grundlage sind dafür die Systemgrenzen für den heutigen und künftigen Einsatz automatisierter Fahrzeuge. Diese wurden durch eine Analyse der auf dem Markt verfügbaren Fahrzeuge und mit Hilfe gemachter Erfahrungen aus dem Testbetrieb ermittelt. Eine Marktstudie und eine Leitbildanalyse dienten zudem zur Definition möglicher Pfade und Szenarien zur Weiterentwicklung des automatisierten Fahrens und der Mobilitätsangebote.
Um die Akzeptanz des automatisierten Fahrens erheben zu können, wurde eine Faktorenanalyse mit einer nachgelagerten Clusteranalyse auf Grundlage quantitativer, empirischer Daten durchgeführt. Es wurden die beiden psychologischen Konstrukte der Befürchtungen und wahrgenommenen Wirkungen identifiziert, welche die Nutzungsintention direkt beeinflussen. Auf Grundlage dieser latenten Variablen wurden die befragten Personen in fünf Personengruppen eingeteilt. Diese sind besorgte Pessimisten, unbesorgte Pessimisten, Unentschlossene, besorgte Optimisten und unbesorgte Optimisten. Eine Analyse zeigt, dass die Nutzungsintention selbstfahrender Elektroshuttles in verschiedenen Szenarien von der Gruppe der besorgten Pessimisten bis zur Gruppe der unbesorgten Optimisten ansteigt.
Da die Mobilitätsangebote per Definition auf die Bedürfnisse der Nutzer und Nutzerinnen zugeschnitten sind, wurden zusätzlich die Anforderungen an die Angebotsparameter erhoben. Grundlegend waren neben der quantitativen Empirie auch qualitative Daten zu möglichen Angebotskonzepten, welche von Teilnehmenden in gruppenspezifischen Workshops definiert wurden.
Die Ergebnisse einer abschließend durchgeführten Beispieluntersuchung verdeutlichen, dass positive, ökologische Wirkungen durch die Angebote erzielt werden können. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Angebote mehrere Fahrtenwünsche bündeln und gezielt in den Erschließungslücken des öffentlichen Verkehrs eingesetzt werden.
Neue nachhaltige und dezentrale Energiesysteme können einen großen Beitrag bei der Einsparung von Energie sowie für die Verringerung der CO2-Emissionen des Gebäudesektors leisten. Bei der Entwicklung dieser Systeme ist eine ganzheitliche Betrachtung ihrer wesentlichen Auswirkungen und Einflussfaktoren essenziell. Ziel dieser Arbeit ist es, ein neuartiges, auf Peltier-Elementen basierendes Heiz- und Kühlsystem ganzheitlich zu bewerten. Peltier-Elemente sind kleine thermoelektrische Wandler und sollten, installiert in der Außenwand eines Gebäudes, als dezentrale Wärmepumpen fungieren. Die Bewertung des Gesamtsystems ist durch eine Kombination aus experimentellen Untersuchungen und thermischen Simulationen möglich. Die experimentellen Untersuchungen konzentrierten sich zunächst auf die Leistungsfähigkeit der Peltier-Elemente und wurden später zu Versuchen an einem Prototyp erweitert, der sowohl im Labor als auch im Freilandversuch analysiert wurde. Aufbauend auf den Erkenntnissen dieser Untersuchungen wurden thermische Bauteilsimulationen in TRISCO und VOLTRA sowie thermische Gebäudesimulationen in TRNSYS durchgeführt. Anhand der Freilandversuche und der Gebäudesimulationen konnte das entwickelte thermoelektrische Heiz- und Kühlsystem abschließend energetisch bewertet werden. Mit einem durchschnittlichen jährlichen System-COP von 0,96 bis 1,02 erwies sich das erforschte System als nicht ausreichend effizient. Vor allem im direkten Vergleich mit einem auf einer Wärmepumpe basierenden Referenzsystem zeigte sich, dass das untersuchte Peltier-System beim derzeitigen Stand der Technik keine zukunftsfähige Technologie ist.
Numerische Berechnungsmodelle wurden in den letzten Jahren zunehmend für
geotechnische Nachweise eingesetzt, da sie die Möglichkeit bieten, komplizierte
Systemgeometrien und realistische, nichtlineare Materialmodelle für den Boden
zu verwenden. In den geltenden Europäischen Normen gibt es hierzu kaum
Vorgaben, weshalb deren Neufassung numerische Verfahren als
Nachweismöglichkeit enthalten wird. Motiviert durch diese Entwicklung
beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Implementierung und
Modellierung verschiedener geotechnischer Randwertprobleme mittels der
Finite-Elemente-Methode.
Die Grundbruchsicherheit von Fundamenten kann mit numerischen Methoden
gut abgebildet werden. Trotz Modellierungsschwierigkeiten lässt sich der
Einfluss der Fundamentform über 3D-Modelle abschätzen und etablierte
Vorschläge zur Berücksichtigung der Auswirkungen der Lastexzentrizität
konnten verifiziert werden. Die Ergebnisse bestätigten außerdem, dass der
Ansatz, die Anteile des Grundbruchwiderstands getrennt zu berechnen und dann
zu überlagern, auf der sicheren Seite liegt. Zur Berücksichtigung seismischer
Belastungen wurde die klassische Grundbruchformel um seismische
Trägheitsfaktoren erweitert. Für Gründungen auf geschichteten Böden konnten
Werte aus früheren analytischen und numerischen Untersuchungen gut
reproduziert werden.
Gestützte Baugrubenwände wurden mit zwei verschiedenen
Nachweisalternativen numerisch analysiert: dem Material Factor Approach und
dem Effect Factor Approach. Für beide Varianten wurden die Schnittkräfte in
der Wand verglichen. Während an den Auflagern und entlang der Wandbettung
beide Methoden ähnliche Ergebnisse liefern, zeigen sich in den Feldmomenten
Unterschiede. Auch der Einfluss des Grundwassers wurde untersucht.
Die Umsetzung des räumlichen Erdwiderstands in numerischen Modellen ist
noch immer eine Herausforderung. Für den ebenen Zustand stimmen die
numerischen Ergebnisse sehr gut mit den analytischen Lösungen der Normen
überein. Einflussfaktoren auf die numerische Umsetzung von
Brückenwiderlagern wurden identifiziert. Dazu gehören die Netzfeinheit und die
Nachgiebigkeit der Flügelwände. Die Ergebnisse der Untersuchungen und die daraus abgeleiteten
Schlussfolgerungen können in der Praxis und für die weitergehende Analyse von
geotechnischen Bauwerken verwendet werden.
Analyse des Potenzials von Phasenwechselmaterialien im Einsatz bei mehrschichtigen Bauelementen
(2023)
Das letzte Jahrzehnt hat die menschliche Wahrnehmung von Klimawandel und Energieverbrauch dramatisch verändert. Es ist ersichtlich, dass der Mensch aufgrund der
CO2-Emissionen aus dem fossilen Energieverbrauch eine dominante Rolle im Klima-
wandel spielt. Es ist heute weitgehend Konsens, dass wir den Einsatz fossiler Brenn-
stoffe reduzieren müssen, um die Abhängigkeit von den Lieferländern zu verringern
und die CO2-Emissionen zu reduzieren. In dieser Hinsicht ist die beste Alternative die
Verwendung Erneuerbarer Energien.
Energie aus solarer Strahlung ist weder kontinuierlich noch vollständig steuerbar, aber
quasi kostenlos verfügbar. Um die nicht kontinuierliche, teilweise steuerbare Bereit-
stellung zu kompensieren, muss die Energie für ihre Nutzung möglichst effizient ge-
speichert werden. Aktuell werden Bauteile bereits passiv als Wärmespeicher genutzt
und decken einen Teil des Wärmebedarfs von Gebäuden. Für eine umfangreichere
Deckung dieses Bedarfs können Bauteile mittels thermischer Aktivierung aktiv beladen
werden. Darüber hinaus können Materialien eingesetzt werden, um die thermische
Speicherkapazität zu erhöhen. Besonders interessant sind Phasenwechselmaterialien
(PCM), welche ohne Temperaturanstieg Wärme speichern.
PCMs weisen ein nichtlineares Verhalten auf, was bei Simulationen oder Steuerungen
neue Herausforderungen bedeutet. Daher ist es unerlässlich, ihr Verhalten anhand ei-
ner numerischen Methode zu modellieren. In dieser Dissertation wird die Finite-Diffe-
renzen-Methode (FDM) zur Modellierung und Simulation des thermischen Verhaltens
von thermisch aktivierten Bauteilen, ausgestattet mit PCM, benutzt und zur Diskreti-
sierung der Differentialgleichungen wird das Crank-Nicolson-Verfahren eingesetzt. Au-
ßerdem wird zur Modellierung des latenten Verhaltens von PCM die Enthalpie-Me-
thode angewendet. Die Hysterese vom PCM ist auch modelliert. Für die Simulation der
aktivierten Bauteile wird das Stern-Dreieck-Transformationsverfahren genutzt. Basie-
rend auf den genannten Methoden und den dazugehörigen Gleichungen wird ein Code
im MATLAB Programm implementiert, mit dem das thermische Verhalten von ther-
misch aktivierten Bauteilen, ausgestattet mit PCM, untersuchen werden kann. Letzt-
endlich wird zur Validierung des numerischen Modells das komplexe Verhalten von
PCM untersucht und zusätzlich wird der entwickelte Code durch thermische Simulati-
onen einer genormten Wand in „ANSYS Workbench“ verifiziert. Nach der Validierung
des Codes und seiner Entwicklung als TRNSYS-Komponente wird die Parametrisie-
rung durchgeführt. Sein Zweck war es, unter Berücksichtigung der verschiedenen Pa-
rameter eine Außenwand zu entwerfen, die den Heizwärmebedarf des Referenzge-
bäudes, SFH30 nach IEA SHC Task32, maximal und gleichmäßig im Laufe der drei
aufeinanderfolgenden kältesten Tage in jedem Monat der Heizperiode abdecken kann.
Schließlich wird ein Optimierungscode mit Hilfe der Simulated Annealing Methode im
MATLAB Programm implementiert. Mit diesem Code wird die Wandkonstruktion be-
stimmt, welche den gesamten Heizwärmebedarf des Referenzgebäudes gleichmäßig
im Lauf der drei aufeinanderfolgenden kältesten Tage in jedem Monat der Heizperiode
abdecken kann.