Messung und Simulation der Erwärmung von ermüdungsbeanspruchten Betonprobekörpern

Im vorliegenden Beitrag werden Messungen und Berechnungen vorgestellt, die die Temperaturentwicklung in Betonzylindern aufgrund zyklischer Beanspruchung genau beschreiben. Die Messungen wurden in einem Versuchsstand, die Berechnungen im FEM-Programm ANSYS durchgeführt. Mit Hilfe der Temperaturmessungen konnten die Simulationen für die Temperaturentwicklung der Betonzylinder mit der verwendeten Betonrezeptur validiert werden. Die Untersuchungen lassen den Schluss zu, dass bei zyklischer Probekörperbelastung und der einhergehenden Probekörperdehnung Energie dissipiert wird und diese maßgeblich für die Erwärmung der Probe verantwortlich ist.This paper presents measurements and simulations that describe the temperature development in concrete cylinders due to cyclic loading. The measurements were carried out in a test stand, the simulations in the FEM program ANSYS. The simulations of the temperature development in the concrete cylinders with the used concrete recipe were validated using the temperature measurements. The investigations lead to the conclusion that energy is dissipated during cyclic test specimen loading and the accompanying test specimen elongation and that this is mainly responsible for the heating of the specimen

Temperature reduction due to the application of phase change materials

Overheating is a major problem in many modern buildings due to the utilization of lightweight constructions with low heat storing capacity. A possible answer to this problem is the emplacement of phase change materials (PCM), thereby increasing the thermal mass of a building. These materials change their state of aggregation within a defined temperature range. Useful PCM for buildings show a phase transition from solid to liquid and vice versa. The thermal mass of the materials is increased by the latent heat. A modified gypsum plaster and a salt mixture were chosen as two materials for the study of their impact on room temperature reduction. For realistic investigations, test rooms were erected where measurements were carried out under different conditions such as temporary air change, alternate internal heat gains or clouding. The experimental data was finally reproduced by dint of a mathematical model

Measuring the human body’s micro‐climate using a thermal manikin

The human body is surrounded by a micro‐climate which results from its convective release of heat. In this study, the air temperature and flow velocity of this micro‐climate were measured in a climate chamber at various room temperatures, using a thermal manikin simulating the heat release of the human being. Different techniques (Particle Streak Tracking, thermography, anemometry, and thermistors) were used for measurement and visualization. The manikin surface temperature was adjusted to the particular indoor climate based on simulations with a thermoregulation model (UCBerkeley Thermal Comfort Model). We found that generally, the micro‐climate is thinner at the lower part of the torso, but expands going up. At the head, there is a relatively thick thermal layer, which results in an ascending plume above the head. However, the micro‐climate shape strongly depends not only on the body segment, but also on boundary conditions: the higher the temperature difference between the surface temperature of the manikin and the air temperature, the faster the air flow in the micro‐climate. Finally, convective heat transfer coefficients strongly increase with falling room temperature, while radiative heat transfer coefficients decrease. The type of body segment strongly influences the convective heat transfer coefficient, while only minimally influencing the radiative heat transfer coefficient

Acoustic Travel-Time Tomography: Optimal Positioning of Transceiver and Maximal Sound-Ray Coverage of the Room

Acoustic travel-time tomography (ATOM) determines the distribution of the temperature in a propagation medium by measuring the travel-time of acoustic signals between transmitters and receivers. To employ ATOM for indoor climate measurements, the impulse responses have been measured in the climate chamber lab of the Bauhaus-University Weimar and compared with the theoretical results of its image source model (ISM). A challenging task is distinguishing the reflections of interest in the reflectogram when the sound rays have similar travel-times. This paper presents a numerical method to address this problem by finding optimal positions of transmitter and receiver, since they have a direct impact on the distribution of travel times. These optimal positions have the minimum number of simultaneous arrival time within a threshold level. Moreover, for the tomographic reconstruction, when some of the voxels remain empty of sound-rays, it leads to inaccurate determination of the air temperature within those voxels. Based on the presented numerical method, the number of empty tomographic voxels are minimized to ensure the best sound-ray coverage of the room. Subsequently, a spatial temperature distribution is estimated by simultaneous iterative reconstruction technique (SIRT). The experimental set-up in the climate chamber verifies the simulation results

Untersuchung des Wärmeübergangs von zyklisch beanspruchten Betonzylindern

Wiederkehrende Belastungen, wie sie beispielsweise an Brücken oder Windenergieanlagen auftreten, können innerhalb der Nutzungsdauer solcher Bauwerke bis zu 1.000.000.000 Lastwechsel erreichen. Um das dadurch eintretende Ermüdungsverhalten von Beton zu untersuchen, werden diese zyklischen Beanspruchungen in mechanischen Versuchen mit Prüfzylindern nachgestellt. Damit Versuche mit solch hohen Lastwechselzahlen in akzeptablen Zeitdauern durchgeführt werden können, wird die Belastungsfrequenz erhöht. Als Folge dieser erhöhten Belas-tungsfrequenz erwärmen sich allerdings die Betonprobekörper, was zu einem früheren, unrealistischen Versagenszeitpunkt führen kann, weshalb die Erwärmung begrenzt werden muss. Um die Wärmefreisetzung in der Probe zu untersuchen, wurden Versuche und Simulationen durchgeführt. Im Beitrag wird die analytische und messtechnische Analyse des Wärmeübergangs an erwärmten Betonzylindern vorgestellt. Resultierend daraus wird eine Möglichkeit zur Reduktion der Erwärmung an zyklisch beanspruchten Betonzylindern vorgestellt.Periodic load cycles, such as those that occur on bridges or wind turbines, are of great importance for dynamic long-term considerations of concrete. Within the life span of such structures, up to 1,000,000,000 load changes can be expected. To determine the fatigue strength, the resistance to periodic loads can be determined in a short time in laboratory tests by increasing the load frequency. As a result of this increased load frequency, however, the concrete test specimens heat up, which can lead to an earlier, unrealistic time of failure, which is why the heating must be limited. Therefore, tests and simulations were carried out to investigate the heat release in the sample. In this article, the analytical analysis and measurements of the heat release of heated concrete cylinders are presented. As a conclusion, a possibility of reducing the temperature of dynamically stressed concrete cylinders is introduced

Occupant requirements in residential buildings – an empirical study and a theoretical model

Occupant needs with regard to residential buildings are not well known due to a lack of representative scientific studies. To improve the lack of data, a large scale study was carried out using a Post Occupancy Evaluation of 1,416 building occupants. Several criteria describing the needs of occupants were evaluated with regard to their subjective level of relevance. Additionally, we investigated the degree to which deficiencies subjectively exist, and the degree to which occupants were able to accept them. From the data obtained, a hierarchy of criteria was created. It was found that building occupants ranked the physiological needs of air quality and thermal comfort the highest. Health hazards such as mould and contaminated building materials were unacceptable for occupants, while other deficiencies were more likely to be tolerated. Occupant satisfaction was also investigated. We found that most occupants can be classified as satisfied, although some differences do exist between different populations. To explain the relationship between the constructs of what we call relevance, acceptance, deficiency and satisfaction, we then created an explanatory model. Using correlation and regression analysis, the validity of the model was then confirmed by applying the collected data. The results of the study are both relevant in shaping further research and in providing guidance on how to maximize tenant satisfaction in real estate management

The cooling effect of personalized ventilation systems

Personalisierte Lüftung (PL) kann die thermische Behaglichkeit sowie die Qualität der eingeatmeten Atemluft verbessern, in dem jedem Arbeitsplatz Frischluft separat zugeführt wird. In diesem Beitrag wird die Wirkung der PL auf die thermische Behaglichkeit der Nutzer unter sommerlichen Randbedingungen untersucht. Hierfür wurden zwei Ansätze zur Bewertung des Kühlungseffekts der PL untersucht: basierend auf (1) der äquivalenten Temperatur und (2) dem thermischen Empfinden. Grundlage der Auswertung sind in einer Klimakammer gemessene sowie numerisch simulierte Daten. Vor der Durchführung der Simulationen wurde das numerische Modell zunächst anhand der gemessenen Daten validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Ansatz basierend auf dem thermischen Empfinden zur Evaluierung des Kühlungseffekts der PL sinnvoller sein kann, da bei diesem die komplexen physiologischen Faktoren besser berücksichtigt werden.Personalized ventilation (PV) can improve thermal comfort and inhaled air quality by supplying air to each workstation separately. This study investigates the impact of PV on the thermal state of the users under summer boundary conditions. Two approaches to evaluating the cooling effect of PV were investigated, based on equivalent temperature and based on thermal sensation. Both approaches implemented measured and simulated values of the cooling effect of PV. Before conducting the simulations, the numerical model was first validated against measured data collected in a climate chamber equipped with a thermal manikin. Results indicated that the thermal sensation approach can be more suitable for evaluating the cooling effect of PV due to the complex physiological factors it considers

Dissipationsenergie bei Ermüdungsversuchen an Betonprobekörpern

Aufgrund des visko-elastoplastischen Materialverhaltens von Beton wird Probekörpern und Bauteilen infolge zyklischer Beanspruchungen Energie zugeführt. Die entsprechenden Energiegrößen werden durch Hystereseflächen der Spannungs-Dehnungslinien beschrieben. In der Literatur finden sich dabei unterschiedliche Ansätze, wofür diese Energie verwendet wird. Erste Untersuchungen zeigen, dass zumindest ein Teil dieser dissipierten Energie in thermische Energie umgewandelt wird. Mithilfe der in diesem Beitrag beschriebenen Methodik lassen sich diese Energiegrößen für jeden Lastwechsel eines Ermüdungsversuches schnell und zuverlässig bestimmen. Anschließend wurden mit dem implementierten Algorithmus die dissipierten Energien von insgesamt 27 zyklischen Versuchen ausgewertet. Analog zu der Dehnungsentwicklung und der Steifigkeitsdegradation weisen auch die Verläufe der dissipierten Energie über die Lastwechselzahl einen dreiphasigen Verlauf auf. Die Auswertung zeigt außerdem eine Korrelation zwischen der Bruchlastwechselzahl und der dissipierten Energie. Auch der Zusammenhang zwischen Probekörpererwärmung und dissipierter Energie konnte bestätigt werden

Energy and Business Synergy: Leveraging Biogenic Resources from Agriculture, Waste, and Wastewater in German Rural Areas

The imperative to transform current energy provisions is widely acknowledged. However, scant attention has hitherto been directed toward rural municipalities and their innate resources, notably biogenic resources. In this paper, a methodological framework is developed to interconnect resources from waste, wastewater, and agricultural domains for energy utilization. This entails cataloging existing resources, delineating their potential via quantitative assessments utilizing diverse technologies, and encapsulating them in a conceptual model. The formulated models underwent iterative evaluation with engagement from diverse stakeholders. Consequently, 3 main concepts, complemented by 72 sub-concepts, were delineated, all fostering positive contributions to climate protection and providing heat supply in the rural study area. The outcomes’ replicability is underscored by the study area’s generic structure and the employed methodology. Through these inquiries, a framework for the requisite energy transition, with a pronounced emphasis on the coupling of waste, wastewater, and agriculture sectors in rural environments, is robustly analyzed

Energetische Transformation im ländlichen Raum – Aufbau eines prozessorientierten Entwicklungs- und Moderationsmodells

Kleine Kommunen im ländlichen Raum sind aufgrund ihrer oft eingeschränkten personellen und finanziellen Kapazitäten bisher eher sporadisch in den Themenfeldern Energieeffizienz und Erneuerbare Energien aktiv. Immer wieder stellt sich daher Frage, wie die Klimaschutzstrategien des Bundes und der Länder dort mit dem verfügbaren Personal kostengünstig realisierbar sind. Vor diesem Hintergrund wird ein Werkzeug entwickelt, mit dessen Hilfe der aktive Einstieg in diese Thematik mit geringen Aufwand und überwiegend barrierefrei möglich ist. Der Aufbau eines prozessorientierten Entwicklungs- und Moderationsmodells zur Erprobung und Umsetzung bezahlbarer Handlungsoptionen für Energieeinsparungen und effizienten Energieeinsatz im überwiegend ländlichen geprägten Raum ist der Schwerpunkt der Softwarelösung. Kommunen werden mit deren Hilfe in die Lage versetzt, in die notwendigen Prozesse der Energie- und Wärmewende einzusteigen. Dabei soll der modulare Aufbau die regulären Schritte notwendiger (integrierter) Planungsprozesse nicht vollständig ersetzen. Vielmehr können innerhalb der Online-Anwendung - überwiegend automatisiert - konkrete Maßnahmenvorschläge erstellt werden, die ein solides Fundament der künftigen energetischen Entwicklung der Kommunen darstellen. Für eine gezielte Validierung der Ergebnisse und der Ableitung potentieller Maßnahmen werden für die Erprobung Modellkommunen in Thüringen, Bayern und Hessen als Reallabore einbezogen. Das Tool steht bisher zunächst nur den beteiligten Modellkommunen zur Verfügung. Die entwickelte Softwarelösung soll künftig Schritt für Schritt allen interessierten Kommunen mit diversen Hilfsmitteln und einer Vielzahl anderer praktischer Bestandteile zur Verfügung gestellt werden