In der vorliegenden Arbeit wurden Doppelringinfiltrationsexperimente an teilweise gefro­renen Böden durchgeführt. Diese Experimente wurden anschließend mit den zwei computer­ge­stützten Modellen, Erosion 3D / Winter und COUP, nachgestellt, um die Frage zu beantworten, ob es möglich ist, die Infiltration in teilweise gefrorene Böden vorherzusagen. Die Doppelringinfiltrationsexperimente wurden auf einem ackerbaulich genutzten Lehm­boden mit geringer Lagerungsdichte und Bodenfeuchten im Bereich der Feld­kapa­zität, an der nördlichen Grenze des hydrologischen Untersuchungsgebietes „Schäfertal“ durch­ge­führt. Drei Experimente erfolgten bei teilweise gefrorenen und ein Experiment bei unge­frorenem Boden. Bei diesen Experimenten wurde herausgefunden, dass die Endinfiltrationsrate des gefro­renen Bodens mit 7·10-5 m/s gleich der Endinfiltrationsrate des ungefrorenen Bodens war. Während bei dem Infiltrationsexperiment mit ungefrorenem Boden die Endinfiltrations­rate bereits nach 10 bis 20 min erreicht war, wurden bei den Experimenten mit gefrorenen Böden aufgrund der zusätzlichen Sättigung des kryoturbativen Sekundärporenvolumens mehr Zeit benötigt. Zu den im Boden ablaufenden Prozessen bei Zugabe von Infiltrationswasser (Tem­pe­ratur­veränderung, Gefrier- und Auftauprozesse, Veränderung der Porosität) besteht noch Klärungsbedarf. Der für die Modellierung wichtige Eingabeparameter der Anfangsbodenfeuchte konnte bei winterlichen Bedingungen nicht genau bestimmt werden. Gravimetrische Boden­feuchtebestimmungen liefern aufgrund des Eintrags von zusätzlichen Eis- und Schnee-Wasser zu hohe Werte. TDR- und Watermark-Messungen unterschätzen hingegen die Bodenfeuchten, weil sie nur den Anteil des flüssigen Wassers berücksichtigen. Mit Erosion 3D / Winter konnten die Ergebnisse der Infiltrationsexperimente, unter der Voraussetzung, dass die effektive gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des ungefrorenen Bodens exakt bekannt war, sehr gut nachgestellt werden. Eine Modellierung der Infiltration in einen teilweise gefrorenen Boden ist damit, zumindest für den untersuchten Boden und die betrachteten meteorologischen Bedingungen, möglich. Das COUP - Modell lieferte dagegen völlig andere Ergebnisse, weil von einem Ein­frieren des infiltrierten Wassers bei negativen Temperaturen ausgegangen wird. Eine Verbesserung der Infiltrationsbeschreibungen könnte hier wahrscheinlich durch die Vorgabe einer größeren Anzahl von Eingabeparametern, die die natürliche Situation besser repräsentieren als die für die Modellierung verwendeten Daten, erfolgen.

Durch computergestützte Methoden zur Formfindung und Strukturoptimierung können heute Betonstrukturen entwickelt werden, die optimal an ihre jeweilige statische Aufgabe angepasst sind. Mit dem reduzierten Material- und Energieverbrauch der optimierten Struktur geht jedoch zumeist eine Geometrie einher, deren Herstellung material- und arbeitsintensiver Schalungstechniken bedarf. Auch vor dem Hintergrund einer absehbaren Knappheit von für die Bauindustrie wichtigen Materialien hat Werner Sobek schon 1999 mit der Triple-Zero®-Maxime – zero fossil based energy, zero waste, zero emission – gefordert, in Bauprozessen idealerweise nur recycelbare Materialien zu verwenden [1]. Dem steht die Forderung gegenüber, dass eine Schalungstechnik die Formgebung, Konstruktion oder Herstellung von optimierten, insbesondere geometrisch komplexen Bauteilen in keiner Weise einschränken sollte. [Aus: Einführung] / Today, computer-aided methods for form-finding and structural optimization can be used to develop concrete structures that are optimally adapted to their structural requirements. However, the reduced material and energy consumption of the optimized concrete structure usually goes hand in hand with complex geometry whose production usually requires material- and labour-intensive formwork techniques. With a foreseeable scarcity of essential construction materials in mind, Werner Sobek back in 1999 coined the Triple-Zero® concept – zero fossil-based energy, zero emission, zero waste – which demands that only recyclable materials should be used in construction processes [1]. Thus, there is a demand for waste-free formwork technology that simultaneously should in no way restrict the shaping, design or manufacture of optimised, and therefore, geometrically complex components. [Off: Introduction]

Die Potentiale der gefrorenen Sandschalung für den Entwurf und die Herstellung funktional gradierter Betonbauteile (siehe Projekte Sobek et al. und Garrecht et al. des SPP 1542, S. 642 ff . und S. 250 ff .) wurden im Rahmen des Teilprojekts B04: Herstellung biomimetischer und biologisch inspirierter (modularer) Strukturen für die Bauindustrie des Sonderforschungsbereichs/Transregio 141 Biologischer Entwurf und integrative Strukturen – Analyse, Simulation und Umsetzung in der Architektur weiter untersucht. / Potentials of frozen sand formwork technology were further investigated in design and production of functionally graded concrete components (see also the projects Sobek et al. and Garrecht et al. of SPP 1542, pages 642 resp. 250 et seq.) in the subproject B04: Fabrication of biomimetic and biologically inspired (modular) structures for use in the construction industry in the framework of the Collaborative Research Centre/Transregio 141 Biological Design and Integrative Structures – Analysis, Simulation and Implementation in Architecture.

aus dem Inhalt: „Die im Teilprojekt Sobek (siehe S. 626 ff .) entwickelte gefrorene Sandschalung zur abfallfreien Herstellung von Betonbauteilen wurde im Rahmen des BMBF-geförderten Konsortiums Carbon Concrete Composite – C3 für die Herstellung dünnwandiger und gekrümmter Sandwichelemente weiterentwickelt. Der vorliegende Kurzbericht fasst die Forschungsergebnisse des Projekts C3Sandwich zusammen. Eine ausführliche Beschreibung der Arbeiten wurde in [1] veröffentlicht....” / from teh content: „Within the framework of the BMBF-funded consortium Carbon Concrete Composite – C3, the research on sand formwork for the waste-free production of concrete components (TP Sobek, p. 626 seq.) was further advanced towards the production of thin-walled and curved sandwich elements. This report summarizes the research results of the project C3Sandwich. A detailed description of the work was published in [1]....”

In der vorliegenden Arbeit wurden Doppelringinfiltrationsexperimente an teilweise gefro­renen Böden durchgeführt. Diese Experimente wurden anschließend mit den zwei computer­ge­stützten Modellen, Erosion 3D / Winter und COUP, nachgestellt, um die Frage zu beantworten, ob es möglich ist, die Infiltration in teilweise gefrorene Böden vorherzusagen. Die Doppelringinfiltrationsexperimente wurden auf einem ackerbaulich genutzten Lehm­boden mit geringer Lagerungsdichte und Bodenfeuchten im Bereich der Feld­kapa­zität, an der nördlichen Grenze des hydrologischen Untersuchungsgebietes „Schäfertal“ durch­ge­führt. Drei Experimente erfolgten bei teilweise gefrorenen und ein Experiment bei unge­frorenem Boden. Bei diesen Experimenten wurde herausgefunden, dass die Endinfiltrationsrate des gefro­renen Bodens mit 7·10-5 m/s gleich der Endinfiltrationsrate des ungefrorenen Bodens war. Während bei dem Infiltrationsexperiment mit ungefrorenem Boden die Endinfiltrations­rate bereits nach 10 bis 20 min erreicht war, wurden bei den Experimenten mit gefrorenen Böden aufgrund der zusätzlichen Sättigung des kryoturbativen Sekundärporenvolumens mehr Zeit benötigt. Zu den im Boden ablaufenden Prozessen bei Zugabe von Infiltrationswasser (Tem­pe­ratur­veränderung, Gefrier- und Auftauprozesse, Veränderung der Porosität) besteht noch Klärungsbedarf. Der für die Modellierung wichtige Eingabeparameter der Anfangsbodenfeuchte konnte bei winterlichen Bedingungen nicht genau bestimmt werden. Gravimetrische Boden­feuchtebestimmungen liefern aufgrund des Eintrags von zusätzlichen Eis- und Schnee-Wasser zu hohe Werte. TDR- und Watermark-Messungen unterschätzen hingegen die Bodenfeuchten, weil sie nur den Anteil des flüssigen Wassers berücksichtigen. Mit Erosion 3D / Winter konnten die Ergebnisse der Infiltrationsexperimente, unter der Voraussetzung, dass die effektive gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des ungefrorenen Bodens exakt bekannt war, sehr gut nachgestellt werden. Eine Modellierung der Infiltration in einen teilweise gefrorenen Boden ist damit, zumindest für den untersuchten Boden und die betrachteten meteorologischen Bedingungen, möglich. Das COUP - Modell lieferte dagegen völlig andere Ergebnisse, weil von einem Ein­frieren des infiltrierten Wassers bei negativen Temperaturen ausgegangen wird. Eine Verbesserung der Infiltrationsbeschreibungen könnte hier wahrscheinlich durch die Vorgabe einer größeren Anzahl von Eingabeparametern, die die natürliche Situation besser repräsentieren als die für die Modellierung verwendeten Daten, erfolgen.