Gebäude und Infrastruktur
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In dieser Arbeit werden die bei monolithischem Planziegelmauerwerk auftretenden Beanspruchungssituationen am Außenwand-Decken-Knoten sowohl experimentell als auch numerisch untersucht sowie die daraus resultierenden Besonderheiten charakterisiert. Vor dem Hintergrund, dass die Knotenmomente mit der vereinfachten Rahmenberechnung nach [EN 1996-1-1:2022] Anhang C.3 basierend auf der Elastizitätstheorie ermittelt werden, liegt der Fokus vor allem auf der Ermittlung und Quantifizierung von nichtlinearen Einflüssen auf die Knotenmomente am Wandkopf und -fuß.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen zeitweise fließfähigen, selbstverdichtenden Verfüllbaustoffen (kurz: ZFSV) und erdverlegten, thermisch beanspruchten Rohren und die Entwicklung eines Berechnungsansatzes, mit dem das Tragverhalten der Rohre genauer beschrieben werden kann. Zu den thermisch belasteten Rohren zählen Fernwärmeleitungen sowie Übertragungsleitungen für hohe Gleichspannungen. Zur Berechnung der Verschiebungs- und Normalkraftverläufe entlang der Rohre ist vor allem die Kenntnis über den Widerstand gegen temperaturbedingte axiale Rohrverschiebung maßgebend. Der Verschiebewiderstand wird mit speziell entwickelten, kleinmaßstäblichen Versuchen im Labor untersucht und in Abhängigkeit des Probenalters und der Normalspannung dargestellt. Da die Normalspannung Einfluss auf die Größe des Widerstands hat, wird ein Großversuch durchgeführt, mit dem aus der radialen Temperaturausdehnung des Rohres auf die Kontaktnormalspannungsänderung geschlossen werden kann. Es wird bei dem Großversuch sowie bei den kleinmaßstäblichen Laborversuchen ein quasi-kontinuierlich messendes faseroptisches Messsystem eingesetzt, mit dem die Dehnungen bzw. Stauchungen des Rohres und des ZFSV bestimmt werden können. Aus den Versuchen wird gefolgert, dass im Vergleich zu nichtbindigen Böden, zwischen dem Rohr und dem ZFSV Adhäsionskräfte auftreten, die zu deutlichen Verschiebewiderständen führen. Da es aktuell keine Regelwerke sowie wissenschaftliche Untersuchungen gibt, mit denen zuverlässig ein thermisch beanspruchtes Rohr bemessen werden kann, bei dem auch Adhäsionskräfte an der Kontaktfläche berücksichtigt werden, ist eine Bemessung von in ZFSV verlegten Rohren aktuell nicht möglich. Im Rahmen dieser Arbeit wird das Tragverhalten solcher Rohrleitungssysteme untersucht und die Grundlagen für die Bemessung erstellt. Aus den kleinmaßstäblichen Laborversuchen, dem Großversuch sowie mit numerischen Untersuchungen wird das Kontaktverhalten analysiert und eine Arbeitslinie entwickelt, die den Verschiebewiderstand in Abhängigkeit der axialen Rohrverschiebung wiedergibt. Mit dieser Kontaktwiderstandsarbeitslinie wird ein Stab-Feder-System und ein halbanalytischer Berechnungsansatz entwickelt, mit denen die Normalkräfte und Verschiebungen von erdverlegten, thermischen beanspruchten Rohren berechnet werden können.
Between 51% and 72% of a bituminous roofing membrane used for structural water-proofing consists of organic material, predominantly bitumen - a derivative of crude oil refining - highlighting the strong dependence of this product on fossil resources. Considering that several tonnes of these membranes must be replaced every 30 to 50 years, substantial potential exists for emission reduction through the establishment of circular material systems. This study investigates this potential by analysing 26 Environmental Product Declarations (EPDs) and life cycle datasets from across Europe covering the period from 2007 to 2023. To ensure comparability, all data were normalised to a declared unit of 1 kg of roofing membrane. The reinforcement layers were categorised into glass and polyester & glass composites, and their differences were examined using Welch’s t-tests.
Correlative analyses and linear as well as multiple regression models were then applied to explore relationships between environmental indicators and the shares of organic and mineral mass fractions. The findings reveal that renewable energy sources, although currently representing only a small share of total production energy, provide a major lever for
reducing nearly all environmental impact categories. The type of reinforcement layer was also found to influence the demand for fossil resources, both materially and energetically.
For most environmental indicators, only multiple regression models can explain at least 30% of the variance based on the proportions of organic and mineral inputs. Overall, the study underscores the crucial importance of high-quality, transparently documented product data for accurately assessing the sustainability of building products. It further demonstrates that substituting fossil energy carriers with renewable sources and optimising material efficiency can substantially reduce environmental burdens, provided that methodological consistency and clarity of indicator definitions are maintained.
In Europa werden ca. 62 % aller neuen Flachdächer mit Bitumenbahnen abgedichtet (Das Dachdecker-Handwerk, 2023). Bitumenbahnen bestehen typischerweise aus einem Trägermaterial – einem Glas-moder Kunststoffvlies. Dieses ist beidseitig mit Bitumen(-massen) beschichtet. Diese Bitumenmassenbestehen zu einem großen Anteil aus erdölbasiertem Bitumen, dessen Herstellung viel Energieverbraucht und somit einen hohen Emissionsausstoß aufweist. Am Ende der Nutzungsdauer vonBitumenbahnen werden diese aufgrund ihres Heizwertes thermisch verwertet.Mit diesem Forschungsprojekt wurden die wissenschaftlichen und technischen Hindernisse für diestoffliche Verwertung und das kontinuierliche Recycling von bituminösem Abdichtungs- undDachbahnen-Abfall in Deutschland eruiert. Dazu wurden alle Verarbeitungsschritte zur Gewinnung undAufbereitung von wiedergewonnenen Bitumenbahnen aus Bauabfällen als wertvolle Ressource fürAnwendungen im Hochbau in Form neuer Bitumenbahnen betrachtet. Hierzu wurden zunächstunterschiedliche Aufbereitungstechniken erprobt, um die Bitumenmasse von den Trägereinlagenabzutrennen. Zur Charakterisierung der Bitumenmassen und deren Alterungsverhalten wurdenrheologische Prüfverfahren im Dynamischen Scherrheometer durchgeführt. Diese erlauben dieBeurteilung der viskoelastischen Eigenschaften und des Gebrauchsverhaltens bei Wärme und beiKälte. Anhand der rheologischen Prüfungen wurde das Alterungsverhalten von Bitumenmassenumfassend untersucht, um daraus die Grundlage für die Rezepturentwicklung von rezykliertenBitumenmassen zu erstellen.Aus den zerkleinerten Rezyklaten konnten Prototypen von Bitumenbahnen mit Recycling-Anteilen vonbis zu 37 % hergestellt werden. Für die großtechnische Umsetzung des Recyclingverfahrens ist dieAbtrennung der Trägereinlagen und möglichen mineralischen Abstreuungen anzustreben. Die begleitende Ökobilanzierung zeigte ein Einsparpotenzial bei den Treibhausemissionen (GWP) vonbis zu 33,0 %. Unter Einbindung erneuerbarer Energien ist eine Reduktion von bis zu 43,1 % denkbar. Im Bereich der nicht erneuerbaren Primärenergie (PENRT), die sich bei Bitumendachbahnen hauptsächlich aus materiellen und energetischen fossilen Stoffen zusammensetzt, kann etwa die Hälfte davon eingespart werden. Das ist den 80 % des Bitumenmaterials zuzuschreiben, die maximal prozesstechnisch substituiert werden können, was schließlich deutlich höher ausfällt, als die theoretischen Einsparpotentiale im Treibhauspotential.
Der Ausbau des deutschen Höchstspannungsnetzes im Zuge der Energiewende erfordert zunehmend die Verlegung leistungsfähiger Erdkabelsysteme als Alternative zu Freileitungen. Großprojekte wieder SüdLink oder SüdOstLink in Deutschland stellen dabei zentrale Infrastrukturvorhaben dar, die zukünftig große Strommengen aus norddeutschen Windparks in süddeutsche Verbrauchszentren transportieren sollen. Nach Angaben der TransnetBW sollen allein für den Südlink bis zum Projektende rund 2400 Kilometer Erdkabel verlegt werden. Die Dimensionen dieser Mega-Projekte stellen die Geotechnik vor neue Herausforderungen und erfordern zur Sicherstellung der Betriebssicherheit eine
Erweiterung der bisherigen Kompetenzfelder um das Verständnis des Wärmetransports im Boden. Besonders bei engen Trassenkorridoren mit geringem Kabelabstand, dem Kreuzen von wärmeemittierenden Bestandsleitungen oder Abschnitten mit großer Überdeckungshöhe werden hohe Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit der Bettung gestellt. Hierbei kommen vermehrt
zeitweise fließfähige, selbstverdichtende Verfüllbaustoffe zum Einsatz, welche eine homogene und
setzungsfreie Verfüllung, sowie hohe Reproduzierbarkeit der thermischen Eigenschaften bieten.
Allerdings finden sich derzeit in geotechnische Normenwerken wie dem EC 7 lediglich in Verbindung mit Geothermie quantitativen Angaben zum Wärmetransport. Dies sorgt seitens der ausführenden Firmen für Unsicherheit hinsichtlich der geeigneten Maßnahmen zur Einhaltung der
Schwellenwerte, welche von elektrotechnischen Sachverständigen im Zuge der Trassen- und
Kabelplanung an die Wärmeleitfähigkeit der Kabelbettung gestellt werden. In dieser Arbeit soll
beleuchtet werden, welche Schritte nötig sind, um vom Ausgangsmaterial zur hochwärmeleitenden
Bettung als Systemkomponente einer kritischen Infrastruktur zu kommen. Zudem soll ein Workflow aufgezeigt werden, mit dem teils negativen Erfahrungen aus der Vergangenheit mit zu festem, nicht-wiederaushubfähigem Flüssigboden vermieden werden können.
Etwa 99% der Höchstspannungsübertragung findet in Deutschland über Freileitungen statt. Durch die dezentrale Energiegewinnung, welche aus dem Fokus auf regenerative Stromerzeugung resultiert, ist ein Ausbau des Übertragungsnetzes alternativlos – auch mit Hinblick auf den steigenden Strombedarf in den kommenden Jahrzehnten. Der Ausbau ist bereits beschlossene Sache, schreitet aber schleppend oder gar zu langsam voran. Die Gründe hierfür sind jedoch nicht Verzögerungen der Bauausführung, sondern vor allem Bürgerinitiativen gegen „Monstertrassen“, welche zu jahrelangen Planungs- und Genehmigungsphasen führen. Die Bürgerbewegungen gegen den Netzausbau sind meist mit auf dem Einfluss auf das Landschaftsbild, der Strahlungsbelastung oder Lärmbelästigung begründet. Erdkabel würden hinsichtlich dieser Probleme (trotz kurzfristiger Mehrbelastung während der Bauphase) eine Alternative darstellen, führen jedoch zu Blindleistungs-Problematiken und sehr breiten Kabelgräben. Diese Negativpunkte könnten durch eine Verwendung eines erdverlegten, gasisolierten Gleichstromübertragungssystems umschifft werden. An der TU Darmstadt wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „DC-CTL DBI“ eine gasisolierte HGÜ-Leitung (GIL) einem Langzeitversuch unterzogen. Hierbei wurde die GIL teilweise erdverlegt um die Einflüsse der Abwärme auf einen ZFSV als Verfüllmaterial zu untersuchen. Auch wenn der ZFSV hinsichtlich seiner Beschaffenheit hervorragende Eigenschaften zur Verwendung als thermische Bettung mitbringt, so gibt es kaum Studien, welche eine langfristige Prognose der thermischen Stabilität erlauben. Als Folge gibt es auch kaum Berechnungsrichtlinien, welche eine realistische Bemessung und somit ein effizientes Betreiben der Trasse ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde versucht, eine FE-Berechnung mit Plaxis2D durchzuführen. Die Ergebnisse der Modellierung wurden hierbei stets durch die im Feldversuch verbaute Sensorik verifiziert. Häufig musste aufgrund mangelnder Kenntnis der Material- oder Einflussparameter auf Annahmen zurückgegriffen werden. Umso beeindruckender waren jedoch am Ende die Ergebnisse der Berechnung, welche häufig nur um wenige Grad von den Messwerten der Sensorik abwichen. Das zeigt, dass mit einer Kombination von labortechnischen Untersuchungen zur Ermittlung der Bodenparameter und einer FE-Modellierung die Dimensionierung und Bemessung einer solchen erdverlegten Trasse möglich ist. In dieser Arbeit wurden lediglich die thermischen und hydraulischen Entwicklungen und Einflüsse des Bodens berücksichtigt. Es ist aber durchaus möglich, Verformungen und Kräfte in die Berechnung zu integrieren und so ein ganzheitliches Berechnungsmodell zu erstellen. Hierbei steigen jedoch die Anforderungen an die Rechenleistung überproportional mit der Feinheit des Modells an