Einfluss der Makro-Rauheit auf die Tsunami-Ausbreitung und Überschwemmung an Land: Eine numerische Modellstudie

In tsunami hazard assessment, the vulnerable area is determined using numerical models, which calculate the tsunami propagation and the inundation extent. Large-scale depth-averaged models, e.g. based on non-linear shallow water (NLSW) equations, are commonly applied. In such models, a selected Manning’s coefficient is generally applied to account for the effect of the bottom surface roughness. However, macro-roughness elements (MRE) such as buildings and tree vegetation generally form also part of coastal areas. Using purely empirical Manning’s coefficients to account for such large objects is not physically sound and might result in large uncertainties. To date, there is not generally applicable NLSW model available for adequately considering MRE-induced energy losses during tsunami inundation. This Ph.D. thesis attempts to contribute to a better understanding of the effects of relevant MRE parameters such as shape, size, and arrangement of the MREs on tsunami bore propagation and inundation. In phase 1 of this study, a three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) model is systematically validated. In phase 2, the RANS model is used in a parameter study to create a database for flow parameters associated to MRE configurations, varying shape, size, height, arrangement, and density of MRE. In phase 3, the most relevant MRE parameters and flow regimes are determined and are carefully formulated so that they are easily obtainable for tsunami modelling. The energy losses are formulated by considering inertia and drag losses in analogy to the Morison equation. In phase 4, the MRE formula is implemented in the NLSW model COMCOT. Finally, the performance of the MRE formula is evaluated by comparing the results with well-documented physical experiments (Park et al., 2013) and with commonly used “equivalent roughness” approaches. The following findings are obtained: (i) In a group of MRE, an upstream zone and an inner zone can be distinguished; (ii) The shape, arrangement angle, relative spacing (ratio between blocked and total cross-section) and relative height (ratio between height of submerged part of MRE and flow depth) are the most relevant parameters; (iii) The MRE model leads to improved results compared to commonly used equivalent roughness models; (iv) The MRE model does not require calibration.In der Tsunami-Gefahrenbewertung wird das gefährdete Gebiet mit Hilfe von numerischen Modellen bestimmt, die u.A. die Überflutungsfläche berechnen. Meist werden großskalige, tiefengemittelte Modelle verwendet, die z.B. auf der nicht-linearen Flachwassergleichung (NLSW) basieren. In diesen Modellen wird meist ein Manning-Beiwert angewandt, um die Bodenrauheit zu berücksichtigen. Jedoch bestehen küstennahe Gebiete in der Regel auch aus sogenannten Makro-Rauheitselementen (MRE) wie Gebäuden und Vegetation. Allein rein empirische Manning-Beiwerte für die Berücksichtigung so großer Hindernisse zu verwenden ist physikalisch nicht korrekt und hat große Modell-Unsicherheiten zur Folge. Derzeit liegt kein NLSW-Modell vor, das MRE-induzierte Energieverluste bei Tsunami-Überflutungen adäquat berücksichtigt. In dieser Doktor-Arbeit wurde versucht zu einem besseren Verständnis relevanter MRE-Parameter, wie z.B. Form, Größe und Anordnung, auf die Tsunami-Ausbreitung und -Überflutung beizutragen. In Phase 1 wurde ein drei-dimensionales Reynolds-gemitteltes Navier-Stokes- (RANS)-Modell systematisch validiert. In Phase 2 wurde das RANS-Modell in einer Parameterstudie angewandt und eine Datenbasis für Fließparameter in Relation zu MRE-Konfigurationen erstellt, die in Form, Größe, Höhe, Anordnung und Dichte der MRE variierten. In Phase 3 wurden die maßgebenden MRE-Parameter ermittelt. Die Parameter wurden sorgfältig gebildet, so dass sie für die Tsunami-Modellierung leicht zu bestimmen bzw. verfügbar sind. Die Energieverluste werden in Analogie zur Morison-Gleichung als Trägheits- und Widerstandsverluste formuliert. In Phase 4 wird die MRE-Formel in das NLSW-Modell COMCOT implementiert. Schließlich wird die Leistungsfähigkeit der MRE-Formel durch den Vergleich der Ergebnisse mit gut dokumentieren Laborexperimenten (Park et al., 2013) und mit zwei der herkömmlichen „äquivalenten Rauheitsansätzen“ bewertet. Die folgenden Erkenntnisse wurden gewonnen: (i) In einer Gruppe von MRE muss zwischen einer Zufluss-seitigen Rand- und einer inneren Zone unterschieden werden. (ii) Die Parameter Form, Anordnungswinkel, relativer Zwischenraum (Verhältnis blockierter zu gesamter Querschnittsfläche) und der relativen Höhe (Verhältnis Höhe (des überfluteten Teils) der MRE zu Fließtiefe) sind maßgebend. (iii) Das MRE-Modell führt im Vergleich zum herkömmlich verwendeten äquivalenten Rauheitsansätzen zu verbesserten Ergebnissen. (iv) Das MRE-Modell benötigt keine Kalibrierung

Radiation dose of cardiac computed tomography - what has been achieved and what needs to be done

This review highlights the recently introduced techniques by manufacturers and various research workers to reduce radiation dose in coronary CT. It discusses in detail the development of ECG-based tube current modulation, the application of low tube voltage protocols and prospective ECG-gating. It also briefly discusses two further methods of dose reduction, namely minimisation of the x-y anatomical coverage and adaptive statistical iterative reconstructio

Technical principles of computed tomography in patients with congenital heart disease

Cardiac magnetic resonance imaging and echocardiography are often the primary imaging techniques for many patients with congenital heart disease (CHD). However, with modern generations of CT systems and recent advances in temporal and spatial resolution, cardiac CT has been gaining an increasing reputation in the field of cardiac imaging and in the evaluation of patients with congenital heart disease. The CT imaging protocol depends on the suspected cardiac defect, the type of previous surgical repair, and the patient’s age and level of cooperation. Various strategies are available for reducing radiation exposure, which is of utmost importance particularly in paediatric patients. A sequential segmental analysis is a commonly used approach to analysing congenital heart defects. Familiarity of the performing radiologist with dedicated CT protocols, the complex anatomy, morphology and terminology of CHD, as well as with the surgical procedures used to correct congenital abnormalities is a prerequisite for correct diagnosis

Multislice CT in the pre- and postinterventional evaluation of mesenteric perfusion

Multislice computed tomography angiography (CTA) has been found feasible for the evaluation of visceral vasculature. The development of multislice technology has overcome past limitations. First, the faster scanning speed increases volume coverage during a single breath-hold and improves the exploitation of contrast medium. Second, the better spatial resolution results in nearly isotropic voxels allowing reconstruction of high-resolution three-dimensional images with different algorithms. Volume rendering is capable of displaying the visceral vasculature from any external vantage point. Compared to conventional angiography, CTA not only delineates vessels but also depicts the anatomical relationship to adjacent structures and allows the evaluation of perfused organs. CTA also has become an emerging tool for the pre- and postinterventional assessment of vascular anatomy. The purpose of this pictorial essay is to present a spectrum of visceral vascular diseases and interventional and surgical therapies, and to highlight the role of postprocessing for their evaluatio

Multi-detector computed tomography of acute abdomen

Acute abdominal pain is one of the most common causes for referrals to the emergency department. The sudden onset of severe abdominal pain characterising the "acute abdomen” requires rapid and accurate identification of a potentially life-threatening abdominal pathology to provide a timely referral to the appropriate physician. While the physical examination and laboratory investigations are often non-specific, computed tomography (CT) has evolved as the first-line imaging modality in patients with an acute abdomen. Because the new multi-detector CT (MDCT) scanner generations provide increased speed, greater volume coverage and thinner slices, the acceptance of CT for abdominal imaging has increased rapidly. The goal of this article is to discuss the role of MDCT in the diagnostic work-up of acute abdominal pai

Intrathekales 1%iges 2-Chloroprocain im Vergleich zu 0,5%iges Bupivacain für ambulante Operationen. Eine prospektive, beobachterverblindete, randomisierte klinische Studie

Hintergrund: In der vorliegenden Arbeit werden zwei Lokalanästhetika in ihrer Wirksamkeit und ihrem Nebenwirkungsprofil im Hinblick auf kurzdauernde, ambulante Operationen in Spinalanästhesie miteinander verglichen: Bupivacain aus dem Bereich der niedrigdosierten, langwirksamen Lokalanästhetika, und 2-Chloroprocain, ein kurzwirksames Lokalanästhetikum. Seit dem Abwenden von Lidocain aufgrund gehäuftem Auftreten von TNS fehlt nach wie vor ein geeignetes Lokalanästhetikum für diese Indikation100. Durch eine prospektive, beobachterverblindete, randomisierte, Multicenter-Studie sollte die Nicht-Unterlegenheit von 50mg 1%igem 2-Chloroprocain im Vergleich zu 10mg 0,5%igem isobarem Bupivacain in Bezug auf die Anschlagszeit der sensorischen Blockade einer Spinalanästhesie auf Höhe Th10 bewiesen werden. Als bewiesen galt die Hypothese, wenn die Anschlagszeit der sensorischen Blockade auf Höhe Th10 der beiden Medikamente weniger als vier Minuten Unterschied aufwies. Methoden: Es wurden 130 Patienten, bei denen eine Operation in Spinalanästhesie im Unterbauch oder an den unteren Extremitäten mit einer Dauer <40min durchgeführt wurde, randomisiert, die entweder 50mg 1%iges 2-Chloroprocain (n=66) oder 10mg 0,5%iges Bupivacain (n=64) erhielten. Die Anschlagszeiten der sensorischen und motorischen Blockade, die Zeiten zum Erreichen der maximalen sensorischen Blockade, zur Operationsbereitschaft, zum Abklingen der sensorischen und motorischen Blockade, bis zum Verlangen des ersten Analgetikums, bis zum freien Gehen, der Entlassungszeitpunkt und Nebenwirkungen nach 24h und sieben Tagen wurden als sekundäre Zielvariablen verblindet erhoben. Ergebnisse: In Bezug auf die Anschlagszeit auf Höhe Th10 zeigte sich 2-Chloroprocain vergleichbar mit Bupivacain (7 vs. 8min). Die 2-Chloroprocain-Gruppe präsentierte eine schnellere Anschlagszeit der motorischen Blockade (5 vs. 6min), eine kürzere Zeit bis zum Erreichen der maximalen sensorischen Blockade (8,5 vs. 14min), eine kürzere Abklingzeit der sensorischen (105 vs. 225min) und motorischen (100 vs. 210min) Blockade, eine kürzere Zeit bis zum freien Gehen (142,5 vs. 290,5min) und bis zum Verlangen des ersten Analgetikums (120 vs. 293,5min) sowie einen schnelleren Entlassungszeitpunkt (150 vs. 325min) – alle Vergleiche mit p<0,05. Kein Patient entwickelte transiente neurologische Symptome (TNS). Fazit: Eine Spinalanästhesie mit 50mg 1%igem 2-Chloroprocain zeigt eine ähnliche Anschlagszeit der sensorischen Blockade auf Höhe Th10 wie 10mg 0,5%iges isobares Bupivacain. Es weist jedoch eine schnellere Erholung von der Spinalanästhesie auf. Mit 2-Chloroprocain liegt nunmehr ein Lokalanästhetikum vor, das gerade für kurzdauernde ambulante Operationen in Spinalanästhesie ein günstiges Wirkspektrum zeigt. Dies bestätigt auch die nach Abschluss dieser Untersuchung erfolgte Zulassung des Medikamentes für Spinalanästhesien für eine Operationsdauer <40 Minuten im März 2013