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Bauteilermüdung von Windenergieanlagen aus Stahlbeton und Spannbeton unter hochzyklischer Beanspruchung, Teilvorhaben: Ermüdungsverhalten von druckschwellbeanspruchtem Beton sowie Stahl- und Spannbetonbauteilen mit und ohne trockene Fugen

Ein zentraler Baustein für die Reduktion von Treibhausgasemissionen ist der Ausbau der erneuerbaren Energien, wobei die Windenergie eine tragende Rolle einnimmt. Dabei ist nicht nur die effiziente Funktionsweise der Windenergieanlage von Bedeutung, sondern auch die ressourceneffiziente Herstellung der Turmstrukturen. Die im vorangegangenen Verbundforschungsvorhaben WinConFat (FKZ 0324016) umfangreichen durchgeführten Ermüdungsuntersuchungen an normal- und hochfestem Beton waren auf die Materialebene ausgerichtet. Jedoch werden von den regelwerksgebenden Gremien zusätzliche, über die reinen Materialuntersuchungen hinausgehende, Analysen an Bauteilen verlangt. Im hier beantragten Teilvorhaben des Verbundvorhabens 'WinConFat-Structure' wird diese noch ausstehende Übertragung der Ergebnisse von der Materialebene auf die Bauteil- bzw. Bauwerksebene adressiert. Dabei liegt der Schwerpunkt auf drei Arbeitspaketen. Im ersten Forschungsschwerpunkt wird sich mit dem Einfluss der Bewehrung auf die Ermüdungsfestigkeit bei überdrückten Bauteilen befasst. Der zweite wesentliche Forschungsschwerpunkt liegt in der Betrachtung des Ermüdungsverhaltens von trockenen Bauteilfugen. Hierzu sollen systematische experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt werden, um den Einfluss von ermüdungsbeanspruchten horizontalen und vertikalen Fugen in Windenergieanlagen auf das Tragverhalten zu analysieren. Im dritten Forschungsschwerpunkt soll eine stochastisch begründete Auswertung des Ermüdungsverhaltens von druckschwellbeanspruchtem Beton durchgeführt werden, um daraus eine Optimierung des bestehenden Sicherheitskonzepts anzustreben. Aus allen drei Forschungsschwerpunkten sollen am Ende des beantragten Vorhabens Empfehlungen für Bemessungskonzepte hinsichtlich der jeweiligen Schwerpunkte entstehen. Durch die Einbindung des DAfStb und DBV als assoziierte Partner wird die Überführung der Empfehlungen in die Bemessungspraxis sichergestellt.

Simulation des Regelverhaltens von Fernwaermenetzen 'SR'

Das Forschungsvorhaben ist Teil eines Verbundprojektes mit dem Titel 'Bessere Ausnutzung von Fernwaermeanlagen', das vom BMBF und sieben deutschen Fernwaermebetreibern finanziert wird. Ziel des Verbundprojektes ist es, Methoden und Software zu entwickeln, um den laufenden Betrieb einer Fernwaermeanlage so zu steuern, dass die wirtschaftlich guenstigste Loesung hinsichtlich Waermeerzeugung und Verteilung erreicht wird. Die fuer die Betriebsoptimierung erforderlichen Regeleingriffe der Steuertechnik und Leittechnik fuehren zu hydraulisch und thermisch instationaeren Zustaenden in der Anlage. Beispiele fuer optimierte Fahrvorschlaege sind: - gleitende Netzfahrzweisen, - Lastumlagerung zwischen Erzeugeranlagen, Nutzung industrieller Abwaerme, - Netzspeicherung, Netztrennung. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das instationaere Regelverhalten von Fernwaermenetzen zu analysieren. Das Regelverhalten eines Fernwaermenetzes ist die Reaktion des Netzes und seiner regelbaren Komponenten auf planmaessige Betriebsaenderungen und Stoerfaelle. Die hierfuer erforderliche Modelltechnik, einschliesslich der numerischen Methoden, wird im Rahmen des Projektes weiterentwickelt und in Software umgesetzt.

Numerische Simulation von langsam veränderlichen elektromagnetischen Felder im menschlichen Körper

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens besteht in der Entwicklung effizienter Algorithmen zur numerischen Berechnung von langsam veränderlichen elektromagnetischen Feldern im menschlichen Körper unter Verwendung realitätsnaher Körpermodelle. Elektromagnetische Feldexpositionen des menschlichen Körper liegen im Alltag durch eine Vielzahl elektrischer Geräte und Maschinen am Arbeitsplatz oder im Haushalt und in der Nähe von Hochspannungsleitungen vor. Dieser sogenannte Elektrosmog ist seit geraumer Zeit besonders unter gesundheits- und arbeitsmedizinischen Aspekten von wissenschaftlichem Interesse. Aus diesem Grund ist die Vorhersage von Stärke und Verteilung langsam veränderlicher elektromagnetischer Feldverteilungen im menschlichen Körper ein Thema aktueller Forschungsbemühungen.

Leckagetolerantes Design für thermoplastische Wasserstoffdruckspeicher basierend auf matrixgleichen Zwischenschichten, Leckagetolerantes Design für thermoplastische Wasserstoffdruckspeicher basierend auf matrixgleichen Zwischenschichten

Optimierung holzbasierter Dämmstoffe, Teilvorhaben 1: Bildverarbeitung und Simulation der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Holzfaserdämmplatten

Geotechnische Bemessung mit numerischen Verfahren

In der Praxis hat sich die Finite-Elemente-Methode (FEM) für geotechnische Verformungsnachweise durchgesetzt. Über den vorhandenen Kenntnisstand hinaus soll Wissen zum Nachweis von Standsicherheitsbetrachtungen unter Einsatz numerischer Methoden erworben werden. Ziel ist es, Grundlagen und Empfehlungen für eine durchgehende geotechnische Bemessung mit numerischen Verfahren zu geben. Aufgabenstellung und Ziel Bauvorhaben der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) werden zunehmend komplexer. Das liegt zum einen daran, dass sie fast alle in unmittelbarer Nähe von vorhandener, oftmals maroder Infrastruktur liegen und räumlich oft keine Ausweichmöglichkeiten bestehen (z. B. Wehre, Schleusen und Fischaufstiegsanlagen an Neckar, Mosel und Main, Schleuse Lüneburg). Zum anderen liegt es auch an erhöhten Anforderungen an das Bauvorhaben, die sich einerseits aus den Einwirkungen ergeben (z. B. Bemessungshochwasser) und die andererseits im Hinblick auf die Beeinflussung der Umwelt gestellt werden (z. B. Grundwasser). Die Komplexität von Geometrie und Belastungen, Baugrundeigenschaften und Grundwasserverhältnissen ist mit analytischen Modellen nur schwer zu erfassen. Mithilfe numerischer Verfahren können die vorhandene Altsubstanz im Baufeld, die Belastungsgeschichte des Baugrunds, die angrenzende Infrastruktur, die reellen Baugrundeigenschaften und insbesondere die nichtlinearen Zusammenhänge realitätsnäher abgebildet werden. In der Praxis hat sich hierfür die Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgesetzt. Derzeit werden mit der FEM Gebrauchstauglichkeits- bzw. Verformungsnachweise geführt oder Eingangswerte für die Bemessung mit analytischen Verfahren (z. B. Erddruck) ermittelt. Für eine durchgehende Bemessung von Bauwerken und Bauteilen mithilfe numerischer Verfahren fehlen in Deutschland erprobte Grundlagen und Regeln. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Die gewonnenen Erkenntnisse werden die Beratungsleistungen der BAW gewinnbringend ergänzen. Die fachliche Zusammenarbeit mit der WSV in Projekten an den Bundeswasserstraßen wird damit qualitativ weiter verbessert. Mit der Einführung des neuen Eurocode DIN EN 1997-1 (EC7) ist mit einem zunehmenden Einsatz numerischer Verfahren in der geotechnischen Bemessung zu rechnen. Diese Thematik wird auch im „Arbeitskreis Baugruben“ und im „Arbeitsausschuss Ufereinfassungen“ ausführlich diskutiert. Für die Beurteilung der Standsicherheit, z. B. von bestehenden und neu zu planenden Bauwerken, wird ein vertieftes Verständnis numerischer Bemessungsverfahren bei der Beratung der WSV zwingend erforderlich sein. Untersuchungsmethoden Für im Wasserbau übliche geotechnische Bauwerkskonstruktionen sollen verschiedene Nachweisformate numerisch untersucht und Anwendungsgrenzen definiert werden. Die Nachweisführung soll entsprechend dem Teilsicherheitskonzept zusätzlich mit bewährten analytischen Berechnungsverfahren erfolgen, um einen Vergleich der Berechnungsergebnisse zu ermöglichen. Fragen zu Einfluss und Sensitivität von Baugrundkenngrößen und Grundwasserverhältnissen bei der durchgehenden Bemessung mit numerischen Verfahren stehen über die praktischen Fragestellungen hinaus im Fokus. Es ist geplant, die analytischen und numerischen Berechnungen an Bemessungsbeispielen bestehender Bauvorhaben bzw. Projekten durchzuführen. Reale Bemessungsbeispiele bestehender Vorhaben bieten den Vorteil, dass Messdaten von Verformungen vorliegen. Somit können die FEM-Berechnungen abglichen bzw. kalibriert werden. (Text gekürzt)

Windschutzstreifen zur Leistungssteigerung von Windenergieanlagen im komplexen Terrain, Teilvorhaben: Entwicklung und Einsatz drohnengestützter Messtechnik für die Vermessung der Windcharakteristiken von Windenergieanlagen und Windschutzstreifen

Der Ausbau der Windenergie im Binnenland ist entscheidend, um die Herausforderungen der Energiewende zu bewältigen. Die Windgeschwindigkeiten sind im Vergleich zu Standorten auf See geringer und die Anströmung komplexer. Das Forschungsvorhaben WINDbreaks soll dabei helfen die Volllaststunden der Windenergieanlagen im komplexen Terrain zu erhöhen. Hierfür sind messtechnische und numerische Untersuchungen an Windenergieanlagen (WEA) und an Baumreihen, die als Windschutzstreifen (WSS) dienen, geplant. Die Überströmung der WSS führt zu einer Beschleunigung der Windgeschwindigkeit und diese geht pro-portional zur dritten Potenz in den Leistungsertrag von WEA ein. Ein zusätzlich positiver Nebeneffekt ist das flachere Geschwindigkeitsprofil in Höhe der Rotorblätter, welches eine gleichmäßigere Verteilung der angreifenden Kräfte zur Folge hat. Im Teilprojekt erfolgen die Entwicklung der Drohnen-Windmesstechnik und deren umfangreicher Einsatz zur Generierung von Messdaten für die CFD-Analysen des Projektpartners Hochschule Ansbach (HSA). Der assoziierte Projektpartner N-ERGIE stellt die Messorte zur Verfügung. Es wird eine synchrone Steuerung von einer optimierten Windmess-Drohne und einer neu aufgebauten Windmess-Drohne entwickelt und für Messflüge eingesetzt. Zur markanten Verlängerung der Flugzeiten der Drohnen erfolgt die Entwicklung einer drahtgestützten Energieversorgung der Drohnen. Das mit zwei Referenz-Bodenstationen ergänzte Messsystem wird an WEA und WSS bei verschiedensten lokalen und meteorologischen Randbedingungen eingesetzt.

Entwicklung eines voll impliziten Verfahrens zur Simulation der langfristigen und großräumigen Sohlentwicklung in Fließgewässern

Ziel des FuE-Projektes ist es, ein numerisches Verfahren zu entwickeln, mit dem die langfristige und großräumige Sohlentwicklung in Fließgewässern simuliert werden kann. Das neue Verfahren soll bei angemessener Genauigkeit größere Zeitschritte als bisherige Verfahren erlauben.

Entwicklung und industrieller Einsatz eines schadstoffarmen Oxy-Fuel-Brennersystems für die energetische Nutzung von grünem Ammoniak in der Stahlindustrie, Teilprojekt GMH: Numerische Untersuchung und Implementierung des Brennersystems in einer realen Produktionsanlage

Der Klimawandel ist eine der Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, wobei die durch die Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzten Treibhausgas(THG)-Emissionen, insbesondere CO2, einen wesentlichen Beitrag zur globalen Erwärmung leisten. Wasserstoff wird importiert werden müssen, um die benötigten Energiemengen für die Industrie in Deutschland bereitzustellen. Grünes NH3 kann als CO2-freier Brennstoff neben H2 eine bedeutende Rolle spielen. Bezogen auf Transportvolumina hat H2 einen geringeren spezifischen Heizwert als NH3: NH3 lässt sich dagegen bereits bei -33 °C unter Normdruck verflüssigen, was den Transport erheblich vereinfacht. Bewährte Transport- und Speicheroptionen für NH3 sind vorhanden. Bei der NH3-Verbrennung ist jedoch mit hohen NOX-Emissionen zu rechnen, zudem neigen NH3-Flammen zur Instabilität. Mit Hilfe von reaktionskinetischen Untersuchungen, CFD-Simulationen und experimentellen Untersuchungen im semi-industriellen Maßstab sollen typische Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung mit dem Brennstoff NH3 erprobt und in ein zu entwickelndes Oxy-Fuel-Brennersystem integriert werden. Durch die Oxy-Fuel-Verbrennung soll die feuerungstechnische Effizienz erhöht sowie die Stabilisierung der NH3-Verbrennung erreicht werden. Das zu entwickelnde Brennersystem soll im Anschluss an die Entwicklungsarbeiten in einem industriellen Wärmebehandlungsofen mit Ammoniak im realen Betrieb getestet werden.

Entwicklung und industrieller Einsatz eines schadstoffarmen Oxy-Fuel-Brennersystems für die energetische Nutzung von grünem Ammoniak in der Stahlindustrie, Teilprojekt SMS: Auslegung, Konstruktion, additive Fertigung und numerische Untersuchung des NH3-Oxy-Fuel-Brennersystems

Der Klimawandel ist eine der Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, wobei die durch die Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzten Treibhausgas(THG)-Emissionen, insbesondere CO2, einen wesentlichen Beitrag zur globalen Erwärmung leisten. Wasserstoff wird importiert werden müssen, um die benötigten Energiemengen für die Industrie in Deutschland bereitzustellen. Grünes NH3 kann als CO2-freier Brennstoff neben H2 eine bedeutende Rolle spielen. Bezogen auf Transportvolumina hat H2 einen geringeren spezifischen Heizwert als NH3: NH3 lässt sich dagegen bereits bei -33 °C unter Normdruck verflüssigen, was den Transport erheblich vereinfacht. Bewährte Transport- und Speicheroptionen für NH3 sind vorhanden. Bei der NH3-Verbrennung ist jedoch mit hohen NOX-Emissionen zu rechnen, zudem neigen NH3-Flammen zur Instabilität. Mit Hilfe von reaktionskinetischen Untersuchungen, CFD-Simulationen und experimentellen Untersuchungen im semi-industriellen Maßstab sollen typische Primärmaßnahmen zur NOx-Minderung mit dem Brennstoff NH3 erprobt und in ein zu entwickelndes Oxy-Fuel-Brennersystem integriert werden. Durch die Oxy-Fuel-Verbrennung soll die feuerungstechnische Effizienz erhöht sowie die Stabilisierung der NH3-Verbrennung erreicht werden. Das zu entwickelnde Brennersystem soll im Anschluss an die Entwicklungsarbeiten in einem industriellen Wärmebehandlungsofen mit Ammoniak im realen Betrieb getestet werden.

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