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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.

Die Ökobilanzierung gilt als wissenschaftlich anerkanntes Verfahren, mit dem potentielle Umweltwirkungen von technischen Systemen abgeschätzt werden können. Hierfür wird eine Vielzahl von Informationen aus unterschiedlichen Bereichen der Ingenieur- und Naturwissenschaften benötigt. Zur Erfassung der technischen Systeme sind sehr sensible Herstellerdaten sowie tiefgreifende Informationen zu vor- und nachgelagerten Prozessen notwendig. Diese sind oftmals nicht umfassend verfügbar. Die Abbildung der Umweltwirkungen basiert auf mitunter sehr komplexen Modellen, deren Ergebnisse von signifikanten Unsicherheiten geprägt sein können. Dies hat zur Folge, dass die Sicherheit der Ergebnisse von Ökobilanzen häufig in Frage gestellt wird. Es fehlt ein ingenieur- und praxistaugliches Verfahren, mit dem Unsicherheiten umfassend und transparent berücksichtigt werden können. Problematisch hierbei sind die Heterogenität der Unsicherheit sowie der relative Ansatz, der mit der Methodik der Ökobilanzierung einhergeht. So eignen sich je nach Art der Unsicherheit unterschiedliche Methoden zu deren Analyse. Die Zusammenführung diverser Verfahren ist mitunter zwar möglich, erschwert aber die Interpretation der Ergebnisse. Durch den relativen Ansatz fehlt darüber hinaus die sichere Seite: eine Veränderung eines Kennwerts verändert nicht nur diesen, sondern auch den relativen Bezug und die Beurteilung aller anderen Kennwerte, die mit diesem im Verhältnis stehen. Unsichere Daten können daher nicht mit Sicherheitsfaktoren wie bei statischen Bemessungen auf der sicheren Seite liegend belegt werden, da sonst alle Systeme, welche diese Kennwerte verwenden, zu optimistisch oder zu pessimistisch eingeschätzt werden können. Vor diesem Hintergrund sollte in dieser Arbeit die Methodik der Ökobilanzierung um einen intervallbasierten Ansatz erweitert werden. Mit diesem sollen Unsicherheiten in Form von Intervallen erfasst werden, wobei die Unter- und Obergrenzen die Grenzen zum Unmöglichen oder Irrelevanten darstellen. Dies verhindert Über- oder Unterschätzungen, indem bei unsicheren Daten die gesamte Bandbreite des Möglichen und Relevanten einbezogen wird. Aus den resultierenden Ergebnissen können robuste Aussagen über potentielle Umweltwirkungen abgeleitet werden. Die Lösung intervallarithmetischer Probleme weist eine hohe Komplexität auf. Im Zuge der Berechnung können Intervalle durch mehrfaches Einsetzen zu sehr aufgeweitet werden, was die Aussagekraft der Resultate reduziert. Der Fokus lag daher auf der Entwicklung und Implementierung eines intervallbasierten Berechnungsverfahrens, welches unter Berücksichtigung des Rechenzeitaufwands möglichst enge Ergebnisintervalle ermittelt. Hierfür wurden diverse Gleichungslöser implementiert und mit Testreihen auf Basis fiktiver Produktsysteme untersucht. Es ließ sich kein einzelner Gleichungslöser identifizieren, der hinsichtlich der Intervallweiten und der Rechenzeit für alle Arten und Dimensionen von Produktmatrizen besonders geeignet ist. Stattdessen stellt die Kombination mehrerer Gleichungslöser eine gute Alternative dar. Es wurde ein allgemeingültiges Verfahren abgeleitet, das unter Berücksichtigung der vorliegenden Dimension und Art der Produktmatrix geeignete Gleichungslöser aufruft. Hierfür wurde auch ein Algorithmus entworfen, mit dem der Rechenaufwand durch Splitten großer Matrizen in kleinere Submatrizen reduziert werden kann. Das entwickelte Verfahren zur intervallbasierten Ökobilanzierung kann den Grundstein für eine neue Generation von Ökobilanzen darstellen, mit denen belastbare und abgesicherte Ergebnisse ermittelt werden können.

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

Beton, insbesondere hochfester Beton, neigt im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen, die zu einer Reduzierung des tragfähigen Querschnitts und im schlimmsten Fall zu einem Bauteilversagen führen können. Als Ursache für explosionsartige Betonabplatzungen werden gegenwärtig thermohydraulische sowie thermomechanische Schädigungsprozesse angesehen. Zur Analyse der thermohydraulischen Schädigungsprozesse ist die Kenntnis der ablaufenden Transport-, Umlagerungs- und Freisetzungsprozesse des im Beton vorhandenen Wassers von zentraler Bedeutung. Daher liegt der Fokus der vorliegenden Dissertation auf der zerstörungsfreien Analyse des thermisch induzierten Feuchtetransports sowie der Feuchteumlagerung in Hochleistungsbeton (HPC). Insbesondere zielt die Arbeit auf den zerstörungsfreien Nachweis der Ausbildung einer Feuchteakkumulationszone im Betoninneren infolge der einseitigen thermischen Beanspruchung, entsprechend der „moisture clog“-Theorie, ab. Die experimentellen Arbeiten umfassen dabei Brandversuche an kleinformatigen Bauteilen, die zerstörungsfreie Verfolgung der Feuchteverteilung in miniaturisierten Prüfkörpern und die ergänzenden Baustoffuntersuchungen. Der Schwerpunkt liegt auf der Verfolgung der Feuchteverteilung und Feuchteumlagerung im miniaturisierten Prüfkörper mittels unterschiedlicher zerstörungsfreier Prüftechnik. Im Rahmen der Brandversuche an kleinformatigen Bauteilen wurde sowohl die Abplatzneigung der verwendeten Betonrezeptur als auch die Wirksamkeit einer Polypropylenfaserzugabe zur Vermeidung derartiger Abplatzungen nachgewiesen. Neben der visuellen Begutachtung der Prüfkörperoberflächen vor und nach der Brandbeanspruchung erfolgte ein Zustands- und Schadensmonitoring während der Brandversuche mit verschiedenartigen, zerstörungsfreien Prüftechniken sowie die Analyse der äußeren und inneren Gefügeveränderungen nach dem Brand. Feuchtetransport- und Feuchteumlagerungsprozesse konnten während der Brandversuche nur anhand des über Risse aus den Prüfkörpern austretenden Porenwassers vermutet werden. Aufschluss über den Feuchtezustand im Prüfkörper nach dem Brandversuch lieferten die begleitend durchgeführten Radarmessungen. Mithilfe dieser konnte ein zusätzlicher Reflektor im Prüfkörper horizontal zur brandbeanspruchten Oberfläche erfasst werden, der auf einen Permittivitätssprung infolge der Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationsfront im Prüfkörper zurückgeführt wird. Zur Verifizierung der Ergebnisse der Radarmessungen wurde zusätzlich an einem aus den Brandprüfkörpern gewonnenen Segment die Permittivitätsverteilung über die Prüfkörpertiefe mittels eines Feuchtigkeitsmessgeräts bestimmt. Die Messungen bestätigten den vermuteten Permittivitätssprung, der mit der Ausbildung einer Trocknung- und Dehydratationsfront einhergeht. Im Rahmen der Analyse des thermisch induzierten Feuchtetransports an miniaturisierten Prüfkörpern mittels verschiedenartiger zerstörungsfreier Prüftechnik wurden die Feuchtetransportvorgänge und Feuchteumlagerungsprozesse mittels Röntgen-Computer Tomographie und Neutronen-Computer Tomographie simultan zur einseitigen Erwärmung sowie mittels 1H-Nuclear Magnetic Resonance (1H-NMR) vor und nach der Erwärmung verfolgt. Grundlage für die durchgeführten Untersuchungen bildet der entwickelte miniaturisierte Prüfkörper mit zweischaliger Umhüllung. Die Kombination aus Glaskeramik- bzw. Invarumhüllung und einer Dämmschale aus Hochtemperaturaluminiumsilikatwolle ermöglicht die Abbildung eines einseitig erwärmten, flächigen Bauteils in miniaturisierter Form unter Einhaltung der thermischen, hygrischen und mechanischen Randbedingungen. Aus den Ergebnissen der simultan zur Erwärmung durchgeführten tomografischen Untersuchungen können folgende Rückschlüsse auf die Feuchteverteilung und den thermisch induzierten Feuchtetransport gezogen werden: - Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationszone ausgehend von der erwärmten Betonseite - Die erfasste Trocknungs- und Dehydratationsfront ist durch einen starken Feuchtegradient im Beton gekennzeichnet. - Eine Feuchteakkumulation tritt unmittelbar vor der Trocknungs- und Dehydratationsfront auf und geht mit einer teilweisen Vollsättigung der sichtbaren Makroporen des Betons einher. - Eine Polypropylenfaserzugabe führt zu einer schnelleren und tieferen Entwicklung der Trocknungs- und Dehydratationszone. - Die Faserzugabe verringert die Feuchteakkumulation während der Erwärmung, kann sie jedoch nicht verhindern. Auf Basis der tomografischen Untersuchungen konnten die örtlich und zeitlich aufgelösten Feuchtedifferenzen erstmals quantitativ abgeschätzt werden. Die begleitend zur Erwärmung durchgeführten 1H-NMR Messungen erlauben die vergleichende Betrachtung der Feuchteverteilung im miniaturisierten Prüfkörper vor und nach der Erwärmung im abgekühlten Zustand. Neben der tiefenaufgelösten Ermittlung des erfassbaren Feuchtegehalts wurde zusätzlich die Feuchteverteilung anhand der transversalen Relaxationszeit (T2-Zeit) porengrößenabhängig analysiert. Dabei wurde erstmals gezeigt, dass es neben der Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationszone zu einer Feuchteakkumulation und einer Feuchteumlagerung von den Mikroporen zu den Mesoporen in tieferen Prüfkörperbereichen kommt. Diese Umlagerungsprozesse umfassen den Gelporen- und Interhydratporenbereich. Es wird vermutet, dass diese Umlagerungsprozesse im Zusammenhang mit der thermisch bedingten Änderung der Mikrostruktur stehen. Sowohl der erfassbare Gesamtfeuchtegehalt als auch die T2-Zeit abhängigen Feuchtegehalte wurden mittels Referenzproben quantifiziert. Im Rahmen der ergänzenden Baustoffuntersuchungen wurde die temperaturabhängige Feuchtetransport- und Feuchtespeicherkapazität sowie das temperaturabhängige Dehydratationsverhalten des verwendeten Betons charakterisiert. Die Permeabilitätsmessungen an verschiedenartig temperierten Betonzylindern verdeutlichen die Zunahme der Gaspermeabilität mit zunehmender Konditionierungstemperatur. Signifikant zeichnet sich dabei die sprunghafte Erhöhung der Permeabilität der Faserbetone beim Erreichen der Faserschmelztemperatur ab. Dies erklärt die zerstörungsfrei ermittelte, beschleunigte Feuchteabgabe der Faserbetone während der einseitigen Erwärmung. Neben der Permeabilität nimmt mit zunehmender Temperaturbeanspruchung ebenfalls die Gesamtporosität der Betone zu. Die Änderung der Porosität geht dabei mit einer Abnahme der Gelporen im Größenbereich von Ø 4-10 nm und einer Zunahme und Vergröberung der Poren im Kapillarporenbereich (Ø 10-400 nm) einher. Diese Porenstrukturänderungen sind auf die einsetzende Dehydratisierung und Zersetzung der Zementsteinphasen zurückzuführen. Zur Charakterisierung des Trocknungs-, Dehydratations- und Zersetzungsverhaltens des untersuchten Betons wurden thermogravimetrische Untersuchungen an zermahlenen Betonproben durchgeführt. Dabei zeichneten sich drei Temperaturbereiche mit erhöhtem Masseverlust ab. Diese können der Abgabe des physikalisch gebundenen Wassers und der ersten Dehydratation der C-S-H Phasen, der Zersetzung des Portlandits sowie der Entsäuerung des vorhandenen Calciumcarbonats zugeordnet werden. Die Interaktion zwischen dem temperaturabhängigen Trocknungs- und Dehydratationsverhalten und der Permeabilität des Betongefüges spielt für die Feuchtefreisetzung und die Feuchteabgabe eine zentrale Rolle. Aus diesem Grund wurden zusätzlich Erwärmungsversuche an Betonzylindern durchgeführt und der Masseverlust der Prüfkörper kontinuierlich gemessen. Die Faserbetone wiesen dabei ab dem Erreichen der Faserschmelztemperatur einen verstärkten Masseverlust auf. Dieser wird auf die verstärke Feuchteabgabe infolge der Permeabilitätserhöhung zurückgeführt. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass für die Analyse des thermohydraulischen Schädigungsmechanismus sowohl der Feuchtetransport, die Feuchteumlagerung als auch die temperaturabhängige Feuchtefreisetzung eine entscheidende Rolle spielen.

Thermische Energiespeicher werden häufig in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt und basieren auf der Verwendung von Salzschmelzen als Speichermedium. Zur Steigerung der Energieeffizienz sind kontinuierliche Weiterentwicklungen der Technik sowie das Einführen neuer Prozessparameter, wie z.B. höhere Prozesstemperaturen, notwendig. Diese Änderungen wirken sich jedoch häufig auch auf die Anforderungen an die einzusetzenden Werkstoffe aus. Ziel dieser Arbeit war es, die veränderten Anforderungen an die Werkstoffe hinsichtlich des Korrosionsverhaltens zu untersuchen, um die Lebensdauer solcher Kraftwerke zu erhöhen und substantielle wissenschaftliche Ergebnisse in diesem Anwendungsgebiet zu erhalten. Das Korrosionsverhalten der Stähle wurde mittels Oxidationsversuchen und gravimetrischer Auswertung bei 560°C untersucht, um die Abtragsraten für verschiedene nichtrostende Stähle und einen hochwarmfesten Stahl in unterschiedlichen Nitratsalzmischungen in Abhängigkeit von der Auslagerungsdauer isotherm und zyklisch bestimmen zu können. Im Anschluss wurden mittels diverser elektronenmikroskopischer und röntgenografischer Untersuchungsmethoden (FIB, REM, EDX; XRD) die Eigenschaften der gebildeten Oxidschichten hinsichtlich Beschaffenheit, Haftfestigkeit, chemischer Zusammensetzung und der vorliegenden Phasen untersucht, das Wachstumsverhalten der Oxidschichten analysiert sowie der erfolgte korrosive Angriff begutachtet. Weiterhin wurden durch TEM-Untersuchungen die Einflüsse der Nitratsalzschmelze auf die Struktur des Grundwerkstoffs identifiziert. Mittels zwei verschiedener elektrochemischer Prüfmethoden, Stromdichte-Potential-Kurven (I/E) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), wurde das Korrosionsverhalten der Stähle in-situ bei Temperaturen zwischen 410 und 560 °C und in Abhängigkeit von der Reinheit der Salzschmelze analysiert sowie die Stabilität und Eigenschaften der gebildeten Oxidschichten evaluiert. Die Korrosionsbeständigkeit der untersuchten Cr,Ni-Stähle erwies sich gegenüber der des hochwarmfesten Cr-Stahls speziell in Salzschmelzen, die Chloridgehalte über 0,5 Gew.-% aufweisen, deutlich überlegen. Der Effekt der Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens vom Chloridgehalt ist der Ausbildung von Fe- bzw. Cr-Chloriden und deren unterschiedlichem Einfluss auf die Stabilität der Oxidschichten zuzuschreiben. Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der Oxidschichten ergab für alle untersuchten Stähle Cr,Fe-reiche Oxide, die sowohl als vorwiegend Cr-reiche oder Fe-reiche Oxide sowie als Mischoxide vorkommen. Die Schichten weisen außerdem eine hohe Porosität und eine schlechte Haftung auf dem Grundmaterial auf. Bei längeren Auslagerungszeiten (3000 h) wurden Auswirkungen der natriumhaltigen Schmelze, sowohl auf das Grundmaterial als auch auf die Oxidschicht, beobachtet. Es entstehen zum einen zusätzlich Na,Fe- reiche Oxidschichten, die aus einer Reaktion mit der Schmelze resultieren und zum anderen wurden im Grundwerkstoff Gefügeveränderungen identifiziert. Beim hochwarmfesten Stahl 1.4903/T91 bildeten sich in der kompletten Matrix nadelförmige Cr-Nitride, während bei 1.4404 in Ni-reichen Körnern an der Grenze zwischen Oxid und Grundwerkstoff Cr,N-reiche runde Ausscheidungen beobachtet wurden. 1.4571 zeigt nach den Auslagerungen eine Sensibilisierung der Korngrenzen, obwohl dieser Stahl mit Titan stabilisiert ist. Durch den zusätzlichen Stickstoffeintrag aus der Schmelze können sich direkt sensibilisierend wirkende Chromnitride an der Korngrenze bilden oder alternativ ist durch die Bildung von Titannitriden nicht mehr genug ungebundenes Titan vorhanden und es bilden sich trotz der Stabilisierung Chromkarbide. Weiterhin wurde die Stabilität der Salzschmelze untersucht. Es wurden Änderungen des Nitrat/Nitrit-Verhältnisses, bedingt durch Zersetzungsreaktionen der Salzschmelze beobachtet und die Tendenz von Chrom zur Lösung in der Salzschmelze festgestellt. Diese unerwünschten Effekte können zu veränderten Eigenschaften der Salzschmelze hinsichtlich ihrer Wärmespeicherkapazität, ihrer generellen Stabilität und ihrer Korrosivität führen. Durch elektrochemische Untersuchungen konnte die Abhängigkeit der Korrosionsbeständigkeit vom Cl--Gehalt bestätigt werden sowie eine eindeutige Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von der gewählten Temperatur nachgewiesen werden. Die Beständigkeit ist bei 410°C deutlich höher als bei 560°C. Sie sinkt also mit zunehmender Temperatur. Sowohl durch Aufnahme von I/E-Kurven als auch mittels EIS war keine bedeutende Unterscheidung der Werkstoffe unter den gleichen Bedingungen möglich. Allerdings konnte mittels EIS erstmalig die Stabilität und Beständigkeit der Werkstoffe in Nitratsalzschmelzen bei 560°C abhängig von der Dicke und Beschaffenheit der Oxidschichten sowohl qualitativ als auch quantitativ dargestellt werden. Das vorgeschlagene Ersatzschaltbild ermöglicht trotz der Komplexität der Bedingungen eine gute Adaptierung der berechneten Kennwerte auf das vorliegende Korrosionssystem. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass auch andere physikalische Prozesse, die in dieser Arbeit nicht bedacht wurden, eine Rolle spielen könnten. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie eignet sich daher prinzipiell sehr gut, um bei hohen Temperaturen auch in komplexen Elektrolyten einen ersten Eindruck vom jeweiligen Korrosionssystem zu erhalten, sollte aber grundsätzlich durch mikroskopische Analysen ergänzt werden um eine vollständige Aussage treffen zu können. Die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse erweitern den bisher in der Fachliteratur präsentierten Kenntnisstand des Korrosionsverhaltens von verschiedenen anwendungsrelevanten Stählen in Nitratsalzschmelzen und ermöglichen damit für Planer und Konstrukteure eine gezieltere Materialauswahl.

Befestigungen mit nachträglich montierten Dübeln haben sich im Hochbau in den letzten Jahrzehnten als flexibel einsetzbare Verbindungsmethode zwischen Komponenten und Stahlbetontragwerken bewährt. Auch im kerntechnischen Bereich wurden nachträglich montierte Dübel zur Befestigung z. B. von Rohrleitungen an Stahlbetonstrukturen eingesetzt. Aufgrund der hohen sicherheitstechnischen Bedeutung von Integrität und Funktionsfähigkeit kerntechnischer Komponenten werden an deren lastabtragende Befestigungen ebenfalls hohe Anforderungen gestellt. Dies gilt insbesondere für außergewöhnliche Einwirkungen z. B. im Falle eines Erdbebens. Durch die Erdbebenerregung des Reaktorgebäudes und der daran befestigten Komponenten sind auch die Befestigungen schwingenden Belastungen ausgesetzt. Kommt es infolge der Erdbebeneinwirkung auf das Tragwerk zu Rissbildung im Beton, können Risse im Verankerungsgrund auch zu einer signifikanten Anzahl von Rissöffnungszyklen führen, die das Last-Verschiebungsverhalten der Dübel beeinflussen. Die detaillierte Untersuchung des Tragverhaltens von Dübelbefestigungen bei schwingender Belastung und bei Öffnen und Schließen von Rissen war in den letzten Jahren Gegenstand zahlreicher Forschungsvorhaben auch in Deutschland, nachdem in deutschen Kernkraftwerken fehlerhaft montierte Dübel festgestellt wurden und dadurch Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Auswirkungen auf Komponenten entstanden. Die in dieser Dissertation vorgestellten Untersuchungen leisten insbesondere zur numerischen Untersuchung des Tragverhaltens des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung einen Beitrag. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand realitätsnah gewählter numerischer Modelle den Einfluss des lokalen Befestigungstragverhaltens auf das strukturdynamische und –mechanische Verhalten des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden zunächst nach Darlegung der Problemstellung (Kapitel 1), Vorgehensweise und Zielsetzung (Kapitel 2) die notwendigen Grundlagen der relevanten Themengebiete im Stand von Wissenschaft und Technik (Kapitel 3) erarbeitet. Für die Entwicklung eines numerischen Modells des Tragverhaltens einer Befestigung werden zunächst vereinfachte (Rechen-)Modelle und Modellansätze, die in der Literatur zu finden sind, erläutert (Kapitel 4). Anhand dieser analytischen Rechenmodelle wird eine erste Abschätzung der zu erwartenden Dübelverschiebungen infolge Erdbebeneinwirkung durchgeführt. Anschließend wird entsprechend der Regeln des Kerntechnischen Ausschusses (KTA) eine Erdbebensimulation jeweils für ein Reaktorgebäude und für eine Rohrleitungskomponente durchgeführt (Kapitel 5). Um eine numerische Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu ermöglichen, wird ein numerisches Modell für eine Befestigung mit nachträglich montierten Dübeln auf Basis der zuvor dargestellten vereinfachten Rechenmodelle entwickelt (Kapitel 6). Darüber hinaus werden zulässige Modellvereinfachungen vorgenommen, um den Modellierungs- und Simulationsaufwand bei den Erdbebensimulationen zu reduzieren. Das numerische Modell für die Befestigung wird anschließend bei der numerischen Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung verwendet (Kapitel 7). Abschließend werden die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit diskutiert (Kapitel 8) und zusammengefasst (Kapitel 9) und ein Ausblick auf weitere Untersuchungen gegeben, die an diese Arbeit anknüpfen können (Kapitel 10).

Warmbeton vereint tragende und wärmedämmende Eigenschaften in einem Baustoff. Damit ist die monolithische Ausführung von Außenwänden und der Verzicht auf eine zusätzliche Wärmedämmschicht möglich. Die Entwicklung und Verbesserung solcher Baustoffe wird von der klimaschutzpolitischen Forderung nach einem annähernd klimaneutralen Gebäudebestand in Deutschland gefördert. Findet die Entwicklung neuer Betone ausschließlich im Labor statt, sind unter den dort herrschenden optimalen Bedingungen sehr gute Betoneigenschaften einstellbar. Für eine erfolgreiche Übertragung in den Realmaßstab ist bereits von Beginn der Mischungsentwicklung an auf ein robustes Frischbetonverhalten zu achten, das über die Betrachtung der Packungsdichte abzuschätzen ist. Wird ebenfalls frühzeitig der von Mischerbautyp und -größe abhängige Energieeintrag in die Mischung betrachtet, ist die Übertragung vom Labor- auf den Produktionsmischer bei nahezu gleichbleibender Betongüte möglich. Unter Berücksichtigung dieser Einflussgrößen gelang die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit eines Warmbetons auf einen Bemessungswert von lediglich 0,125 W/(m·K). In der vorliegenden Arbeit werden Mischungsentwicklung und Betoneigenschaften zusammengefasst.

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.