Kaiserslautern - Fachbereich Bauingenieurwesen
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CAFM-Systeme werden zunehmend zur Unterstützung der Arbeitsabläufe im Bereich des Immobilien und Facility Managements eingesetzt. Die Einführung eines CAFM-Systems ist ein umfangreiches Vorhaben, das mit einem hohen Aufwand an Zeit, Kosten und Personal verbunden ist. Häufig ist allerdings der Mangel an personellen Kapazitäten ein großes Hindernis bei der Einführung und auch beim späteren Betrieb von CAFM-Systemen. Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, Kennzahlen für die Personalbemessung bei Digitalisierungsprojekten im Immobilien und Facility Management zu entwickeln, ausgehend vom Personalbedarf vergangener Projekte zur Einführung von CAFM-Systemen, um eine Orientierung bei der Bemessung der Personalressourcen zu liefern. Die Kennzahlen für den Personalbedarf in Bezug auf CAFM-Systeme wurden abgeleitet von den Ergebnissen einer Umfrage, bei der Personen zu ihrem CAFM-System und den damit verbundenen Kosten und dem Personalaufwand befragt wurden. Im Anschluss daran wurden diese Kennzahlen durch Experteninterviews überprüft und es wurden weitere qualitative Einflussfaktoren und die Übertragbarkeit der Kennzahlen auf andere Digitalisierungsprojekte untersucht. Das Ergebnis der Auswertungen und Untersuchungen ist eine Spanne des Personalbedarfs von 1,5 bis 4,0 Personenjahren für die Einführung eines CAFM-Systems und 0,67 bis 2,0 Vollzeitäquivalente für den Betrieb. Diese Kennzahlen sind nur für das Bildungswesen und die öffentliche Hand repräsentativ und können nicht einfach auf andere Digitalisierungsprojekte übertragen werden. Für eine realistische Ermittlung des Personalbedarfs ist zudem eine intensive Projektplanung und -vorbereitung entscheidend, was sowohl für CAFM als auch für andere Digitalisierungsprojekte gilt.
In recent years, the concept of a centralized drainage system that connect an entire city to one single treatment plant is increasingly being questioned in terms of the costs, reliability, and environmental impacts. This study introduces an optimization approach based on decentralization in order to develop a cost-effective and sustainable sewage collection system. For this purpose, a new algorithm based on the growing spanning tree algorithm is developed for decentralized layout generation and treatment plant allocation. The trade-off between construction and operation costs, resilience, and the degree of centralization is a multiobjective problem that consists of two subproblems: the layout of the networks and the hydraulic design. The innovative characteristics of the proposed framework are that layout and hydraulic designs are solved simultaneously, three objectives are optimized together, and the entire problem solving process is self-adaptive. The model is then applied to a real case study. The results show that finding an optimum degree of centralization could reduce not only the network’s costs by 17.3%, but could also increase its structural resilience significantly compared to fully centralized networks.
Global trends such as climate change and the scarcity of sustainable raw materials require adaptive, more flexible and resource-saving wastewater infrastructures for rural areas. Since 2018, in the community Reinighof, an isolated site in the countryside of Rhineland Palatinate (Germany), an autarkic, decentralized wastewater treatment and phosphorus recovery concept has been developed, implemented and tested. While feces are composted, an easy-to-operate system for producing struvite as a mineral fertilizer was developed and installed to recover phosphorus from urine. The nitrogen-containing supernatant of this process stage is treated in a special soil filter and afterwards discharged to a constructed wetland for grey water treatment, followed by an evaporation pond. To recover more than 90% of the phosphorus contained in the urine, the influence of the magnesium source, the dosing strategy, the molar ratio of Mg:P and the reaction and sedimentation time were investigated. The results show that, with a long reaction time of 1.5 h and a molar ratio of Mg:P above 1.3, constraints concerning magnesium source can be overcome and a stable process can be achieved even under varying boundary conditions. Within the special soil filter, the high ammonium nitrogen concentrations of over 3000 mg/L in the supernatant of the struvite reactor were considerably reduced. In the effluent of the following constructed wetland for grey water treatment, the ammonium-nitrogen concentrations were below 1 mg/L. This resource efficient decentralized wastewater treatment is self-sufficient, produces valuable fertilizer and does not need a centralized wastewater system as back up. It has high potential to be transferred to other rural communities.
Ein werkstoffgerechter und wirtschaftlicher Einsatz von ultrahochfestem Beton (UHPC) erfordert hybride Konstruktionen mit minimierten Querschnitten. Hierfür bieten sich Verbundträger, bestehend aus Stahlprofilen geringer Blechdicke und Betongurten von wenigen Zentimetern Plattenstärke an, deren Einsatzgebiet im Hochbau als filigrane Fassadenplatten oder tragende Hohlwände mit integrierter Haustechnik liegen kann. Besonderes Augenmerk ist bei derartigen Verbundkonstruktionen auf die Ausbildung und die Leistungsfähigkeit der Verbundfuge zu legen. Aufgrund der reduzierten Betongurtdicke ist eine Anwendung von konventionellen Verbundmitteln nicht möglich. Daher wurde ein neuartiges Verbundmittel durch das Anordnen von rechteckförmigen Stahlzähnen an der Blechoberkante entwickelt, welche an ihrer Spitze um 90° verdreht werden. Die Trag- und Verformungsfähigkeit dieser sogenannten "Stahlschare" wurde in dem von der DFG geförderten Projekt Schn 771/5-1 im Zuge des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1182 untersucht und ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit.
Der Verdrehvorgang und die daraus resultierenden Dehnungen wurden mittels einer optischen Messung sowie FE-Simulation analysiert und zur weiteren Beurteilung der Längsschubtragfähigkeit herangezogen. Hierfür wurden 6 Push-out-Versuchsserien mit 38 Einzelversuchen mit verschiedenen Parametervariationen durchgeführt und ausgewertet. Zusammen mit den Ergebnissen von entsprechenden FE-Modellen und theoretischen Überlegungen wurde ein Bemessungskonzept für Längsschub entwickelt. Dieses beinhaltet die Versagensarten Längsaufreißen des Betongurts, Betonausbruch sowie Stahlversagen durch Abscheren der Schare. Die vorgeschlagenen Widerstandsmodelle wurden zudem einer statistischen Auswertung gemäß Eurocode 0 unterzogen. Abschließend wurde das Zugtragverhalten in Pull-out-Versuchen sowie das Verhalten in großmaßstäblichen Verbundträgern mit unterschiedlichen Verdübelungsgraden geprüft.
Ein werkstoffgerechter und wirtschaftlicher Einsatz von ultrahochfestem Beton (UHPC) erfordert hybride Konstruktionen mit minimierten Querschnitten. Hierfür bieten sich Verbundträger, bestehend aus Stahlprofilen geringer Blechdicke und Betongurten von wenigen Zentimetern Plattenstärke an, deren Einsatzgebiet im Hochbau als filigrane Fassadenplatten oder tragende Hohlwände mit integrierter Haustechnik liegen kann. Besonderes Augenmerk ist bei derartigen Verbundkonstruktionen auf die Ausbildung und die Leistungsfähigkeit der Verbundfuge zu legen. Aufgrund der reduzierten Betongurtdicke ist eine Anwendung von konventionellen Verbundmitteln nicht möglich. Daher wurde ein neuartiges Verbundmittel durch das Anordnen von rechteckförmigen Stahlzähnen an der Blechoberkante entwickelt, welche an ihrer Spitze um 90° verdreht werden. Die Trag- und Verformungsfähigkeit dieser sogenannten "Stahlschare" wurde in dem von der DFG geförderten Projekt Schn 771/5-1 im Zuge des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1182 untersucht und ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit.
Der Verdrehvorgang und die daraus resultierenden Dehnungen wurden mittels einer optischen Messung sowie FE-Simulation analysiert und zur weiteren Beurteilung der Längsschubtragfähigkeit herangezogen. Hierfür wurden 6 Push-out-Versuchsserien mit 38 Einzelversuchen mit verschiedenen Parametervariationen durchgeführt und ausgewertet. Zusammen mit den Ergebnissen von entsprechenden FE-Modellen und theoretischen Überlegungen wurde ein Bemessungskonzept für Längsschub entwickelt. Dieses beinhaltet die Versagensarten Längsaufreißen des Betongurts, Betonausbruch sowie Stahlversagen durch Abscheren der Schare. Die vorgeschlagenen Widerstandsmodelle wurden zudem einer statistischen Auswertung gemäß Eurocode 0 unterzogen. Abschließend wurde das Zugtragverhalten in Pull-out-Versuchen sowie das Verhalten in großmaßstäblichen Verbundträgern mit unterschiedlichen Verdübelungsgraden geprüft.
Sandwichelemente aus Stahlbeton genügen zahlreichen Ansprüchen hinsichtlich
energetischer, wirtschaftlicher, architektonischer und gestalterischer Gesichtspunkte
sowie tragfähiger Konstruktionen. Neben Sandwichwänden können Sandwichelemente auch als biegebeanspruchte Bauteile wie Sandwichdecken oder Sandwichdächer eingesetzt werden. Das große Potential solcher Elemente kann jedoch aufgrund
fehlender Kenntnisse bezüglich des Last-Verformungs-Verhaltens bisher nicht ausgeschöpft werden.
Das Tragverhalten von Stahlbetonsandwichelementen wird maßgeblich durch die
Rissbildung in den Betonschichten beeinflusst. Während die Berücksichtigung der
Rissbildung beispielsweise bei der Verformungsberechnung von biegebeanspruchten
Stahlbetonbauteilen schon intensiv erforscht wurde und realitätsnah beschrieben werden kann, steht die Entwicklung einer abschnittsweisen Berücksichtigung der reduzierten Dehn- und Biegesteifigkeiten infolge der Rissbildung für biegebeanspruchte Sandwichelemente aufgrund der höheren Komplexität noch am Anfang. Bisher existieren
nur Modelle, die die Rissbildung im Beton von Sandwichelementen für die Berechnung
der Teilschnittgrößen und der Verformung näherungsweise berücksichtigen. Die Anwendung dieser Rissmodelle ist aber aufgrund verschiedener Annahmen und Vereinfachungen, die diesen Modellen zugrunde liegen, für die in dieser Arbeit untersuchten
Sandwichelemente mit Stahlbetontragschichten nicht geeignet.
Mithilfe eines realitätsnahen Ansatzes zur Bestimmung des Schubmoduls eines
Dämmstoffes, der Auswahl eines geeigneten Verfahrens zur Berechnung des Last-
Verformungs-Verhaltens eines Stahlbetonbauteils einschließlich der Berücksichtigung
der Rissbildung sowie eines Modellvorschlags zur Nachrechnung der Schubversuche
an Sandwichelementen wird ein eigenes Ingenieurmodell zur Nachrechnung des Last-
Verformungs-Verhaltens von biegebeanspruchten Sandwichelementen entwickelt.
Aufbauend auf diesem Ingenieurmodell erfolgt die Erstellung eines Berechnungswerkzeuges. Anhand der Nachrechnung zahlreicher Versuchsergebnisse kann gezeigt
werden, dass mit diesem Berechnungswerkzeug eine sehr gute Übereinstimmung der
rechnerisch ermittelten mit den im Versuch bestimmten Last-Verformungs-Kurven erzielt werden kann. Das neue Ingenieurmodell berücksichtigt sowohl die reduzierten
Dehn- und Biegesteifigkeiten infolge der Rissbildung als auch abschnittsweise unterschiedlich große Schubsteifigkeiten der Kernschicht, die sich aus der Anordnung von
stiftförmigen Verbundmitteln ergeben.
Basierend auf dem Ingenieurmodell sowie den umfangreichen experimentellen Untersuchungen zum Last-Verformungs-Verhalten von Sandwichelementen wird ein Berechnungswerkzeug sowie ein Bemessungskonzept für Stahlbetonsandwichelemente
mit stiftförmigen Verbundmitteln vorgestellt. Damit konnte ein Fortschritt erzielt und die
Grundlage für den Einsatz von Sandwichelementen mit Stahlbetontragschichten sowie
einer Kernschicht aus Dämmstoffplatten und stiftförmigen Verbundmitteln gelegt werden.
Die Nachrechnung bestehender Bauwerke muss grundsätzlich auf Basis der aktuellen, bauaufsichtlich eingeführten technischen Baubestimmungen geführt werden. Dazu werden charakteristische Materialkennwerte der verwendeten Baustoffe benötigt.
Im Rahmen einer Vordimensionierung kann die Betondruckfestigkeit durch Umrechnung von aus der Herstellzeit dokumentierten Werten abgeschätzt werden. Für eine abgesicherte Nachrechnung hingegen muss die charakteristische Betondruckfestigkeit durch Untersuchungen am Bauwerk ermittelt werden, um den Einfluss verschiedener last- oder zeitabhängiger Prozesse zu erfassen.
Zur statistischen Bewertung der experimentell ermittelten Werte der In-situ-Betondruckfestigkeit existieren verschiedene Verfahren. Besonders bei kleinem Stichprobenumfang führen die bisher gebräuchlichen Verfahren nach DIN EN 1990:2010-12 und DIN EN 13791:2008-05 jedoch teilweise zu ingenieurmäßig als kritisch einzustufenden Ergebnissen, welche die tatsächliche In-situ-Betondruckfestigkeit erheblich über- oder unterschätzen können.
Aufbauend auf Untersuchungen an realen, umfangreichen Datensätzen wurde in dieser Arbeit ein neues Verfahren mit den vom Stichprobenumfang und dem Variationskoeffizienten abhängigen modifizierten Ansätzen A und B zur Bestimmung der charakteristischen In-situ-Betondruckfestigkeit, basierend auf experimentell, mit direkten Prüfverfahren ermittelten Einzelwerten, entwickelt.
Zur Bestimmung des Nachrechnungswertes der Betondruckfestigkeit gilt es über den charakteristischen Wert der In-situ-Betondruckfestigkeit hinaus auch noch den Unterschied zwischen Bauwerks- und Normprobekörperdruckfestigkeit sowie den Einfluss von Dauerstandseffekten zu bewerten.
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass bei Bestandsbetonen, wie auch bereits im Neubaufall, das Verhältnis zwischen Bauwerks- und Normprobekörperfestigkeit ca. 0,85 beträgt. Auch bei der experimentellen Ermittlung der In-situ-Betondruckfestigkeit an aus dem Bauwerk entnommenen Proben ist der Unterschied zwischen Kurzzeit- und Dauerstandsfestigkeit mit dem im Neubaufall gebräuchlichen Faktor αcc = 0,85 zu berücksichtigen.
Neben der Druckfestigkeit, ist im Rahmen der Nachrechnung von Bestandsbauwerken auch teilweise die Zugfestigkeit oder der Elastizitätsmodul von Bestandsbetonen zu bewerten. Die in DIN EN 1992-1-1:2011-01 enthaltenen Beziehungen zwischen Druck- und Zugfestigkeit sowie zwischen Druckfestigkeit und Elastizitätsmodul sind jedoch ausschließlich für im Neubaufall verwendete Betone nach DIN EN 206-1:2001-07 ausgelegt.
Die Untersuchungen zeigen, dass die in DIN EN 1992-1-1:2011-01 enthaltene Korrelation zwischen Druck- und Zugfestigkeit auch zur groben Abschätzung der Zugfestigkeit von Bestandsbetonen verwendet werden kann. Im Einzelfall sind jedoch auch große Abweichungen nicht auzuschließen. Bedingt durch den großen Einfluss der Gesteinskörnung ist nur eine sehr grobe Abschätzung des Elastizitätsmoduls aus der In-situ-Betondruckfestigkeit möglich.
Financing measures and incentive schemes for (existing and new) building owners can promote the sustainable settlement development of rural regions or municipalities and, in a wider sense, entire countries or cross-border regions. In order to be used on a broad scale, the concept of revolving funds must continue to be further developed. In this research, the concept of an advanced revolving housing fund (ARF) for building owners to support the sustainable development of rural regions and potential mechanisms are introduced. The ARF is designed to reflect impacts and challenges with regard to rural regions in Germany, Europe and beyond. Based on New Institutional Economics, the Theory of Spatial Organisms, an expert workshop, interviews and discussions and further literature research, the fundamentals for incentive schemes and the essential mechanisms and design aspects of the ARF are derived. This includes the principal structure and governance of a holding fund and several regional funds. Based on this, input parameters for the financial modelling of an ARF are presented as well as guiding elements for empirical testing to promote more research in this area. It is found that the ARF should have a regional focus and must be a comprehensive instrument of settlement development with additional informal and formal measures. The developed concept promises new impulses, in particular, for rural regions. It is proposed to test the concept by means of case studies in pioneer regions of different countries
Nitrogen removal from wastewater is increasingly important to protect natural water sources and has proven a challenge for wastewater treatment plants in different countries. Strict discharge norms for nitrogen components and unfavourable wastewater quality are among the main challenges observed.
An example WWTP (450,000 PECOD,120), representative of these challenges (i.e. strict discharge norm for NH4-N and TN, partially unfavourable wastewater composition for upstream denitrification) was modelled with the software SIMBA. The model was calibrated, and validated, using different statistical parameters. The model was used for dynamic simulation to test different operational and automation strategies, to improve nitrogen removal.
The tested strategies considered the bypass of primary clarifiers, changes in the anaerobic, anoxic, and aerobic reactors configuration, changes in the aeration system (DO setpoint, the inclusion of online sensors and different control approaches in the aeration loop), the adjustment of the internal recirculation rate, the implementation of intermittent denitrification, among others. The addition of an anaerobic digestion stage, considering the adjustment of the sludge age in the biological treatment and the treatment of the centrate (including nitrogen backload), was tested as well.
To evaluate the strategies' performance, an evaluation criteria chart was created to select the best strategies from an overall perspective, considering the improvements or deterioration in norm compliance, aeration requirements, pollutant emissions to the environment, and biogas production (if applicable).
The best overall results were obtained with strategies that aimed to improve the denitrification capacity (e.g. increase anoxic volume by reducing aerobic volume), adjusted the air requirements (e.g. inclusion of an NH4-N online measurement in the aeration control loop), and provided flexibility (e.g. intermittent denitrification). With the right combination of strategies, the norm compliance was significantly improved e.g. reduced from 31 to 4 in a year, as well as the emissions to the environment.
The inclusion of an anaerobic digestion stage for sewage sludge treatment challenges the nitrogen removal even further, but similar optimisation strategies, based on the same approach were able to improve norm compliance.
However, none of the combinations, with or without anaerobic digestion, achieved total norm compliance. Therefore, a different technology than A2/O, an SBR treatment stage was designed, providing increased operational flexibility. The A2/O system in the computer model was replaced by an SBR process. This showed the best results, based on the criteria previously defined, with total norm compliance.
Based on the learnings of the design, redesign, and strategies tested, a guideline for an integral optimisation of nitrogen removal was developed, based on six pillars, considering a detailed WWTP operational analysis, the use of dynamic simulation as a tool, the testing of known and simple optimization approaches, the definition of clear and objective evaluation criteria, the consideration of anaerobic digestion (and the backload) and finally the re-evaluation of the type of technology for biological wastewater treatment.
Zur Abkehr von fossilen Rohstoffen, wird die Bedeutung der Produktion von
Kunststoffen aus alternativen Rohstoffquellen in den kommenden Jahrzehnten
zunehmen. In dieser Arbeit wurde daher ein Verfahren untersucht, bei dem
Primärschlamm (PS) einer kommunalen Kläranlage (KA) und Brauereiabwasser als
Rohstoffe zur Polymerproduktion dienen. Zur Anwendung kam dabei ein dreistufiges
Verfahren, mit dem Polyhydroxyalkanoate (PHA), eine Gruppe biologisch abbaubarer
Polymere, durch Bakterienmischkulturen wie Überschussschlamm (ÜSS) nach gezielter
Selektion und Akkumulation synthetisiert werden können. Als Substrat für diesen
Prozess dienen kurzkettigen organischen Säuren (VFA) aus der Versäuerung der
Abwasserströme. Das Ziel der Arbeit war, vorhandenes Grundlagenwissen zu
erweitern, um den PHA-Produktionsprozess in größere Produktionsmaßstäbe zu
skalieren und damit den Betrieb unter realen Bedingungen vorzubereiten. Zur
Erreichung dieser Ziele wurde die Arbeit in drei Teile untergliedert.
Im ersten Teil konnte im Labormaßstab anhand einer Voruntersuchung und
anschließenden Versäuerungsversuchen mit vier Lebensmittelabwässern aufgezeigt
werden wie die Eignung potentieller Abwasserströme zur VFA- und PHA-Produktion
überprüft werden kann und die Versäuerungsbedingungen in Abhängigkeit der
Substratzusammensetzung gezielt an das jeweilige Abwasser gewählt werden können.
In einem nächsten Schritt wurde nachgewiesen, dass gleichbleibende
Selektionsbedingungen auf ÜSS verschiedener KA zu einer vergleichbaren PHA-
Speicherfähigkeit führten. Eine bisher fehlende langfristige Stabilität relevanter
Betriebsparameter erfordert jedoch weitergehende Untersuchungen. Weiterhin
wurde am Beispiel von Brauereiabwasser gezeigt, dass durch die Anwendung einer
niedrigen Raumbelastung in der Selektion der Betrieb mit Abwässern mit einem
geringem CSB möglich ist.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Pilotanlage auf der KA Buchenhofen in
Wuppertal mit PS unter möglichst niedrigem Ressourceneinsatz betrieben. Dabei wies
der CSBVFA des versäuerten PS eine Jahreszeit-unabhängige große Spanne auf, dennoch
war eine ganzjährige Eignung zur PHA-Produktion gegeben. Die VFA-
Zusammensetzung war ganzjährig stabil und ermöglichte damit eine gleichbleibende
PHA-Zusammensetzung. Die PHA-Speicherfähigkeit konnte in einem Selektionsbetrieb
mit niedriger Raumbelastung nicht reproduziert werden. Es wird angenommen, dass
Unterschiede des VFA-Anteils im Substrat vorrangig ursächlich waren.
Für den dritten Teil der Arbeit wurde aufbauend auf den Ergebnissen des Pilotbetriebs,
unter Verzicht auf Hilfsströme, eine verfahrenstechnische Auslegung für die
Anschlussgröße der KA Buchenhofen mit 550.000 E durchgeführt. Mit den Ergebnissen
konnten die Dimensionen einer PHA-Produktionsanlage eingeordnet werden.
Weitergehend wurden bei der Auslegung Ansatzpunkte aufgedeckt, die im
versuchstechnischen Betrieb angepasst oder untersucht werden müssen, um eine
reale und wirtschaftliche Betriebsweise in der weiteren Prozessentwicklung zu
ermöglichen.