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The renewable material wood and hereof derived structural engineered wood products (EWPs) is widely acknowledged as being the major pillar of sustainable building construction. Due to the strongly increasing demand and technical assets the wood resource hardwoods, previously less used as compared to softwoods, is gaining a high momentum for EWPs. Here, the species white oak (Quercus robur, petraea) representing beside beech (Fagus sylvatica) the largest hardwood stocks in Europe is investigated. This work addresses the need of improved understanding and modeling of the variability of stiffness and strength along and between boards and the resulting impact on the size-effect of glued laminated timber (GLT) made of oak. A set of 53 oak boards (Quercus robur) was used to study the variation of mechanical properties along the board's main axis. For each board, detailed information regarding size and position of knots was obtained, which was then used to digitally reproduce the geometry of the knots. The modulus of elasticity (MOE) parallel to the fiber was measured in tension along each board in 15 consecutive segments of 100 mm in length. The boards were tested in tension until failure and the remnants were then tested in secondary tension tests, when possible. Thus, multiple values for tensile strength were obtained per board. Based on the MOE results, a first order autoregressive [AR(1)] model for the simulation of local MOE profiles within board was developed. The model considers the non-stationarity of the MOE profiles by means of a two step method. Firstly, a Gaussian AR process is conducted and then mapped to the normalized MOE distribution. In a second step, the result in scaled to fit a specified global MOE value. The tensile strength data was analyzed by means of survival analysis, where different parametric and regression type statistical models were fitted. The tensile strength models were coupled to the localized MOE AR(1) model by means of a cross-correlation coefficient, thus obtaining a modified vector autoregressive (VAR) model for the local MOE and tensile strength along board. Numerical simulations with the fitted tensile strength models predicted a relatively high size effect, i.e. length effect, characterized by a size-effect exponent of around 0.23 at the 5%-quantile level. A stochastic finite element model for the analysis of GLT beams was developed. The model considers the local variation of mechanical properties within each lamination, simulated by the derived VAR model, as well as the stochastic distribution of finger-joints connecting adjacent boards. A simple energy-based failure mechanism is considered for the evolution of tensile damage in wood and finger-joint elements. The model was calibrated with experiments of oak GLT beams of three different cross-sections tested at the MPA, University of Stuttgart, and then applied to simulate a second database of oak GLT beams tested at FCBA, France. The results obtained with the model are in good agreement with the experiments. In particular, the size effect of beam depth is correctly represented. The influence of the used material models for wood and finger-joints was analyzed parametrically. It is shown that the lower tail of the local tensile strength distribution, which can be estimated rather accurately by survival analysis dominates the GLT bending strength. This is fortunate, as the lower tails can be estimated by means of survival analysis in a rather accurate manner, while the upper tails require further assumptions. The author hopes that the presented work contributes to stimulate the discussion on modelling of structural timber elements made of hardwoods.

The very comprehensive document mainly describes the impact of the co-incineration of waste-derived fuels and raw materials in clinker production plants on the emissions to air. For this purpose, the emission monitoring data from all 34 German cement plants were evaluated. In this respect, all relevant waste gas parameters are specifically discussed (dust, total organic carbon (TOC/VOC), carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx), sulphur dioxide (SO2), heavy metals with special consideration of mercury (Hg), ammonia (NH3), hydrogen chloride (HCl), hydrogen fluoride (HF), benzene, toluene, ethylbenzene and xylenes (BTEX), hexachlorobenzene (HCB), polychlorinated dibenzo-p-dioxins and furans (PCDD/F), polychlorinated biphenyls (PCB), polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH)) in detail. It is shown that the input points of waste-derived fuels are most important for emissions to air. Whereas the input via the main burner is best, much care has been taken for the secondary firing. The input of waste-derived raw materials via the raw material route can cause significant environmental problems., e-mail contact: harald.schoenberger@iswa.uni-stuttgart.de

The determination of the moisture content in building materials is a contro versially discussed subject. The only scientifically accepted reference is the gravimetric method, i.e. the moisture assessment of a sample of building material by drying. Yet, even here, disagreements arise from the question of the “correct” drying temperature, which results from the multiple definitions in use for the dry material state. The significance of moisture for a virtually inconceivable number of matters in civil engineering reflects in the nonetheless numerous approaches for its measurement. Some of them are successfully established in practice, despite of the debates on their accuracy and reproducibility. The reason lies in the urgent need for suitable moisture measurement methods. Their use is not totally condemnable, but requires a profound understanding of the underlying physical concepts and the knowledge of each method’s application, possibilities and limitations. The measurement of a material’s electrical impedance for the determination of its moisture content are often viewed especially critical. This objection is justified primarily by the strong influence of salts and other conductive inclusions, such as clay or metals. However, the method has some unique features, which, if applied right, can give valuable insight into processes within the considered material or investigated structure. In contrast to many other methods, it is possible to realize an instrumented monitoring of an object outside of laboratory conditions. The measurement location remains fixed wherever chosen and therefore allows the comprehension of gradual processes, such as drying or accumulation of salts, while offering the possibility to continuously take the ever-changing ambient conditions into account. The focus of this research work lies on putting impedance spectroscopy into practical application. The method itself has long been studied, but only the latest developments of fully integrated impedance converters have made it possible to incorporate impedance functionality into structural health monitoring systems. Their scope regarding accuracy or frequency range is certainly reduced compared to laboratory devices. However, this evolution provides the opportunity for a permanent instrumentation of structures outside of laboratory conditions to assess moisture developments therein. Special attention was set in the research to the development and optimization of suitable impedance electrodes, which show both sufficient durability for instrumented monitoring and minimize the influence of the electric double layer. It was found that nickel-graphite silicon electrodes are well suited. To be capable of understanding impedance data, which is influenced under natural conditions by many factors that do not or only in other ways occur in a protected laboratory environment, it is necessary to study these effects on the impedance. The two main sources of material moisture are the humidity from the air and capillary water. The present thesis regards impedance measurements for qualitative moisture monitoring of porous building materials, particularly sandstone. Long-term measurements were carried out to research the gradually adapting material moisture of different sandstones caused by a change in the ambient relative humidity between 54 and 100 %. The considered sandstone varieties were selected from southern Germany. In detail Abbacher green sandstone, Burgpreppacher sandstone, Main sandstone white-grey, Sander reed sandstone and Trebgaster new red sandstone. Further measurements were performed to study the detectability of water fronts during the capillary rise of water and the subsequent drying process, as well as the influence of temperature changes. To begin with, the scientific motivation for the present work is presented in chapter 1. Chapter 2 introduces the basic concepts of porosity, water storage and transport therein, and the effects of soluble salts in this water. Chapter 3 gives an overview of electrical impedance monitoring with special respect to measurements on porous materials. Possibilities for the temperature compensation of impedance data are presented. The developed device for impedance monitoring is described in chapter 4. Its conception in the global context of other moisture measurement options and with regard to the specific field of monitoring of protected historic structures is examined. The optimization of the impedance electrodes and the choice of a suitable measurement frequency are discussed. Chapter 5 presents the impedance monitoring of sandstone in the hygroscopic and over-hygroscopic moisture range. A look at the time-dependent data collected for different sandstone types during a long-term experiment with stepwise variation of the ambient relative humidity is followed by an analysis of the impedance regarding material moisture and its distribution within the porous network. The measurement of capillary rise of water and a reflection on possible electrode configurations along with their consequences for the detection of capillary water fronts are regarded thereafter. The chapter closes with a description of the procedure for temperature compensation of impedance data. An example of applied impedance monitoring is presented in the concluding chapter 6, which regards both the hygroscopic and over-hygroscopic moisture range. Two more application examples follow, which show a perspective for other applications. The first pictures the monitoring of hydrating screed, the second illustrates the use of impedance monitoring for the assessment of self-healing concrete., Die Bestimmung der Feuchte von Baumaterialen ist eine kontrovers diskutierte Thematik. Die einzig wissenschaftlich anerkannte Referenzmethode ist die gravimetrische Messung, d.h. die Erfassung der Feuchte eines Stücks des Baumaterials durch Trocknen. Jedoch besteht selbst hier Uneinigkeit über die „richtige“ Temperatur, mit welcher der trockene Materialzustand entsprechend der verwendeten Definition erreicht werden soll. Die Bestimmung der Feuchte ist für eine nahezu unüberschaubare Bandbreite an Fragestellungen im Bauwesen relevant, die Ansätze für die Feuchtemessung sind entsprechend vielseitig. Einige davon haben sich in der Praxis erfolgreich etabliert, ungeachtet der Debatten zur Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messergebnisse. Der Grund dafür liegt in dem dringenden Bedarf an geeigneten Feuchtemessmethoden. Ihre Verwendung ist dennoch nicht völlig verwerflich, sie setzt aber ein fundiertes Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Konzepte und das Wissen um die Anwendung, die Möglichkeiten und Grenzen der Methoden voraus. Die Messung der elektischen Impedanz eines Materials zur Bestimmung von dessen Feuchtegehalt wird häufig besonders kritisch gesehen. Dieser Vorbehalt liegt in erster Linie im starken Einfluss von Salzen und anderen leitfähigen Einschlüssen, wie Lehm oder Metallen, begründet. Dennoch hat die Methode einige einzigartige Eigenschaften, die, bei korrekter Anwendung, wertvolle Einblicke in die Prozesse im betrachteten Material oder in der untersuchten Struktur geben können. Im Gegensatz zu vielen anderen Verfahren kann hiermit ein instrumentieres Monitoring eines Objekts außerhalb einer Laborumgebung verwirklicht werden. Der Messpunkt bleibt konstant an einer Stelle und ermöglicht damit das Erfassen langsamer Vorgänge, wie der Trocknung oder der Anreicherung mit Salzen, unter kontinuierlicher Berücksichtigung der sich ständig ändernden Umgebungsbedingungen. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeit liegt in der Aufgabe, die Impedanzspektroskopie in die praktische Anwendung zu bringen. Die Methode selbst wurde lange erforscht, aber erst die neuesten Entwicklungen für integrierte Schaltungen von Impedanzkonvertern haben es ermöglicht, elektrische Impedanzmessungen in Geräte für die Bauwerksüberwachung zu integrieren. Im Vergleich zu Laborgeräten ist ihr Messumfang hinsichtlich Genauigkeit oder Frequenzbereich sicherlich eingeschränkt. Jedoch bietet diese Entwicklung die Möglichkeit, dauerhaft Strukturen außerhalb der Laborumgebung zu instrumentieren, um die Feuchteänderung darin zu erfassen. Besonderere Aufmerksamkeit wurde dabei der Forschung an geeigneten Impedanzelektroden gewidmet, die sowohl für eine Dauerüberwachung geeignet sind als auch den Einfluss der elektrischen Doppelschicht minimieren. Es wurde festgestellt, dass Nickel-Graphit-Silikonelektroden gut geeignet sind. Impedanzdaten werden unter natürlichen Umgebungsbedingungen durch vielfältige Faktoren beeinflusst, welche in einer geschützen Laborumgebung nicht oder nur in anderer Weise auftreten. Um die Messdaten interpretieren zu können, ist es notwendig, diese Einflüsse auf die Impedanz zu untersuchen. Die Materialfeuchte ist hauptsächlich von der relativen Feuchte der Luft sowie vom Kapillarwasser abhängig. In der vorliegenden Arbeit werden Impedanzmessungen für die qualitative Dauerüberwachung der Feuchte poröser Baumaterialien, insbesondere Sandstein, betrachtet. Es wurden Langzeitmessungen durchgeführt, um die sich langsam anpassenden Materialfeuchten verschiedener Sandsteine zu untersuchen. Diese werden im Experiment durch änderungen der relativen Luftfeuchte im Bereich zwischen 54 und 100 % hervorgerufen. Die betrachteten Sandsteinvarietäten wurden aus Süddeutschland gewählt. Im Einzelnen waren dies Abbacher Grünsandstein, Burgpreppacher Sandstein, Mainsandstein weiß-grau, Sander Schilfsandstein und Trebgaster Buntsandstein. Weiter wurden Impedanzmessungen durchgeführt, um die Erkennbarkeit von Wasserfronten bei kapillarem Wassertransport und den nachfolgenden Trocknungsprozess sowie den Einfluss von Temperaturänderungen zu untersuchen. Einleitend wird in Kapitel 1 die wissenschaftliche Motivation für die vorliegende Arbeit dargelegt. In Kapitel 2 werden die grundlegenden Konzepte der Porosität, von Wasserspeicherung und -transport darin und die Effekte von im Porenwasser gelösten Salzen vorgestellt. Kapitel 3 gibt einen überblick zur Dauerüberwachung mit elektrischen Impedanzmessungen unter besonderer Berücksichtigung der Messung an porösen Materialien. Es werden Möglichkeiten für die Temperaturkompensation von Impedanzdaten vorgestellt. Das entwickelte Messsystem für Impedanzmonitoring wird in Kapitel 4 beschrieben. Seine Konzeption wird im übergreifenden Kontext weiterer Feuchtemessmethoden betrachtet, auch im Hinblick auf den speziellen Anwendungsfall des Monitorings denkmalgeschützter, historischer Bauten. Die Optimierung der Impedanzelektroden sowie die Wahl einer geeigneten Messfrequenz werden diskutiert. In Kapitel 5 wird das Impedanzmonitoring von Sandstein im hygroskopischen und überhygroskopischen Feuchtebereich dargestellt. Auf die Betrachtung der zeitabhängigen Daten, die für verschiedene Sandsteintypen während eines Langzeitversuchs unter stufenweiser änderung der Umgebungsfeuchte gesammelt wurden, folgt eine Analyse der Impedanz hinsichtlich Materialfeuchte und dessen Verteilung im Porensystem. Im Anschluss werden Messungen des kapillaren Aufstiegs von Wasser und überlegungen zu möglichen Elektrodenkonfigurationen sowie deren Auswirkungen auf die Erkennung von kapillaren Wasserfronten betrachtet. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die Temperaturkompensation von Impedanzdaten. Ein Beispiel für praktisch angewendetes Impedanzmonitoring wird im abschließenden Kapitel 6 vorgestellt. Hierbei werden sowohl der hygroskopische, als auch der überhygroskopische Feuchtebereich betrachtet. Es folgen zwei weitere Beispiele, mit denen eine Perspektive auf weitere Anwendungsgebiete eröffnet wird. Das erste schildert die überwachung der Hydratation von Estrich, das zweite veranschaulicht die Nutzung von Impedanzmonitoring für die Bewertung von selbstheilendem Beton.