Mobile laser scanning systems automate the acquisition of 3D point clouds of environments. The mapping systems are commonly mounted on cars or ships. This paper presents a flexible mapping solution mounted on an underground vehicle that is able to map underground mines in 3D in walking speeds. A clever choice of hard- and software enables the system to generate 3D maps without using GPS (global positioning system) information and without relying on highly expensive IMU (inertial measurement unit) systems.

Die Publikation beschreibt den Aufbau und die Arbeitsweise eines Wettergenerators, der in der Lage ist, für einen Großteil von Witterungsbedingungen plausible und über alle Klimaelemente konsistente Stundendaten zu erzeugen. Er kann auf beliebige Klimastationen (bzw. Rasterzellen) angewendet werden. Damit wird dem Problem der für lange Zeiträume geringen flächenhaften Informationsdichte für meteorologische Daten in Stundenauflösung begegnet. Meteorologische Daten in stündlicher Auflösung werden für Anwendungen, wie z. B. die Hochwasser- oder Erosionsmodellierung, benötigt. Der Wettergenerator und das Nutzerhandbuch sind über das Regionale Klimainformationssystem ReKIS frei zugänglich. Redaktionsschluss: 05.04.2019

Bewehrter Beton ist das heutzutage am meisten verwendete Baumaterial. Es ist universell und preiswert nahezu überall auf der Welt herstellbar. Damit einhergehen allerdings ein hoher CO2-Ausstoß und ein beträchtlicher Verbrauch an natürlichen Ressourcen. Im DFG-Schwerpunktprogramm 1542 wurden deshalb verschiedenste Ansätze erforscht, wie das Material effizienter eingesetzt und damit der Betonbau zukunftsfähig gemacht werden kann. Im vorliegenden Abschlussbericht zum SPP 1542 „Leicht Bauen mit Beton“ (gefördert von 2011 bis 2022) werden die wichtigsten Ergebnisse vorgestellt.:S. Scheerer, M. Curbach: Vorwort | Preface S.13 Teil 1: SPP-Projekte | Part 1: SPP projects A. M. Bauer, M. Breitenberger, K.-U. Bletzinger: Nichtlineare Optimierung geometrisch definierter Fugen von räumlich gekrümmten Betonfertigteilen mit isogeometrischen Verfahren | Non-linear optimization of geometrically defined joints of spatially curved prefabricated concrete elements with isogeometric analysis S.18 L. Ledderose, S. Lehmberg, F. Wirth, H. Kloft, H. Budelmann: Entwicklung neuartiger Verbindungen für komplexe Stab-, Flächen- und Raumtragelemente aus UHPFRC | Development of novel jointing systems for complex beam surface and spatial elements made of UHPFRC S. 50 J. D. van der Woerd, J. Hegger, R. Chudoba: Entwurf und Herstellung von dünnwandigen Faltwerken aus zementbasierten Verbundwerkstoffen | Design and construction of folded plate structures made of novel cementitious composites S. 90 A. Schmidt, M. Curbach: Querschnittsadaption für stabförmige Druckbauteile | Cross sectional adaption for rod-shaped elements in compression S. 118 M. Frenzel, K. Farwig, M. Curbach: Leichte Deckentragwerke aus geschichteten Hochleistungsbetonen | Lightweight ceiling structures made of layered high-performance concrete S. 144 S. Baron, J. Mainka, H. W. Hoffmeister, K. Dröder, H. Kloft: Non-Waste-Wachsschalungen: Neuartige Präzisions-Schalungen aus 100 % recycelbaren Industrie-Wachsen zur Herstellung von geometrisch komplexen Beton-Bauteilen | Non-Waste-Wax-Formwork: Novel precise formwork-technology on basis of 100% recyclable industrial wax for the fabrication of geometrically complex concrete elements S. 170 D. Busse, M. Empelmann: Ultraleichte, dünnwandige stabförmige Betonhohlbauteile | Ultra-light, thin-walled hollow concrete members S. 196 M. Henke, O. Fischer: Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke | Shape optimized filigree rods made of UHPC and non-corrosive CFRP reinforcement for variable three-dimensional trusses S. 226 D. Schmeer, M. Wörner, H. Garrecht, O. Sawodny, W. Sobek: Effiziente automatisierte Herstellung multifunktional gradierter Bauteile mit mineralischen Hohlkörpern | Efficient automated production of multifunctional graded components with mineral hollow bodies S. 250 S. Illguth, D. Lowke, T. Kränkel, C. Gehlen: Schalentragwerke mit funktionaler Gradierung | Shell structures with functional grading S. 284 D. Weger, D. Talke, D. Lowke, K. Henke, C. Gehlen, S. Winter: Additive Fertigung frei geformter Betonbauteile durch selektives Binden mit calciumsilikatbasierten Zementen | Additive manufacturing of free formed concrete elements by selective binding with calcium silicate based cements S. 300 C.-A. Graubner, U. Knaack, T. Proske, B. Freund, M. Michel, S. Hickert: Grundlagen zur Entwicklung adaptiver Schalungssysteme für frei geformte Betonbauteile | Fundamental research towards an adaptive formwork system development for freeform concrete building components S. 328 A. Stark, J. Hegger: Sandwichbauteile mit gefalteten und gekrümmten Betondeckschichten | Sandwich panels with folded plate and curved concrete facings S.356 W. Jäger: Untersuchungen zu Trageigenschaften von plattenförmigen Betonleichtbauelementen in Kreuz-Kanal-Technologie | Investigations into the load-bearing properties of slab-shaped lightweight concrete elements in CC technology S.390 M. Schneider, H. Andrä, C. Kohlmeyer, S. Oster: Konstruktion und Optimierung von Klebeverbindungen für Platten- und Scheibenbauteile aus hochfestem Beton | Construction and optimization of adhesive joints for plate and shell construction elements composed of high performance concrete S.412 H. Funke, A. Ehrlich, L. Ulke-Winter, C. Petzoldt, S. Gelbrich, L. Kroll: Flexible GFK-Schalungen zur Herstellung von doppelt gekrümmten Beton-Leichtbauelementen mit stabilisierten Abstandsgewirken | Flexible GFRP-formwork for the production of double curved concrete lightweight elements with stabilized spacer fabrics S.436 H. Funke, L. Ulke-Winter, C. Petzoldt, C. Müller, S. Gelbrich, L. Kroll: Gekrümmte Beton-Leichtbauelemente mit bionisch inspirierten Krafteinleitungssystemen durch Einsatz flexibler GFK-Schalungen | Curved lightweight concrete structures with bionic inspired force transmission elements by the use of flexible GFRP-formworks S.452 L. Lohaus, J. Markowski: Wickelverstärkte Hybridrohre | Wrapping-reinforced hybrid tubes S.472 M. Schlaich, A. Goldack, J. P. Osman-Letelier, D. Lordick, K. Noack, M. Friedrich Eichenauer, R. Päßler, M. Pott: Methoden und Werkzeuge für Entwurf und Herstellung schalenartiger und dünnwandiger Betonbauteile mit Regelflächengeometrie | Methods and tools for the design and construction of thin-walled concrete structures with ruled surface geometry S.488 D. Lordick, D. Klawitter, M. Hagemann: Liniengeometrie für den Leichtbau | Line geometry for lightweight structures S.514 C. Kämper, T. Stallmann, P. Forman, J. Schnell, P. Mark: Leichte verformungsoptimierte Schalentragwerke aus mikrobewehrtem UHPC am Beispiel von Parabolrinnen solarthermischer Kraftwerke | Light-weight shape-optimised shell structures made from high-performance concrete for collector modules of parabolic trough power plants S.536 L. Zhou, J. Simon, S. Reese: Modellreduktion und Substrukturtechnik am Beispiel von modularen Schalentragwerken aus ultrahochfestem Beton | Model order reduction and substructures – application to modular shell structures made of ultra-high performance concrete S.590 M. Schnellenbach-Held, J.-E. Habersaat: Leichte Platten aus Beton mit biaxialem Lastabtrag als bionische Strukturen S.610 O. Gericke, D. Kovaleva, W. Haase, W. Sobek: Abfallfreie Herstellung von Betonbauteilen durch die Verwendung einer gefrorenen Sandschalung | Waste-free production of concrete components by means of a frozen sand formwork S.626 M. Wörner, D. Schmeer, H. Garrecht, O. Sawodny, W. Sobek: Optimalstrukturen aus funktional gradierten Betonbauteilen – Entwurf, Berechnung und automatisierte Herstellung | Optimal structures made of functional graded concrete – design, dimensioning and automated production S.642 Teil 2: Demonstratoren und Anschlussprojekte | Part 2: Demonstrators and follow-up projects D. Busse, L. Ledderose: uni-con² – universal concrete construction S.676 C. Müller, H. Funke, S. Gelbrich, L. Kroll: Carbonbeton-Schalendemonstrator | Shell demonstrator out of carbon reinforced concrete S.682 M. Koschemann, S. Scheerer: CarboLight Bridge – eine ultraleichte Konstruktion aus kohlefaserverstärktem und infraleichtem Beton | CarboLight Bridge – an ultra-lightweight construction made of carbon reinforced and infra-lightweight concrete for the German Museum in Munich S.686 S. Scheerer, B. Beckmann, J. Bielak, S. Bosbach, C. Schmidt, J. Hegger, M. Curbach: Konstruktionsstrategien für materialminimierte Carbonbetonstrukturen – Grundlagen für eine neue Art zu bauen | CRC/Transregio 280: Design strategies for material-minimised carbon reinforced concrete structures – principles of a new approach to construction S.700 D. Talke, D. Weger, K. Henke, T. Kränkel, D. Lowke, C. Gehlen, S. Winter: Industrieller 3D-Betondruck durch selektive Zementaktivierung – Verfahren, Material, Anwendungen | Industrial 3D concrete printing by selective cement activation – process, material, applications S.706 D. Schönfelder, H. Funke, S. Gelbrich, L. Kroll: Automatisierte Herstellungstechnologie zur Fertigung von dünnwandigen 3D-geformten Verbundelementen für nachhaltige energie-effiziente Fassadenlösungen – „GreenFACE“ | Automated manufacturing technology for the production of thin-walled 3D-shaped composite elements for sustainable, energy-efficient facade solutions – “GreenFACE“ S.710 A.-C. von der Heid, N. Will, J. Hegger: Weitspannende Sandwichelemente mit vorgespannten Deckschichten aus Carbonbeton | Wide-span sandwich elements with prestressed facings made of carbon reinforced concrete S.714 L. Ledderose, H. Kloft: Magnetische Ausrichtung von Mikro-Stahldrahtfasern in UHPFRC | Magnetic alignment of microsteel fibers in UHPFRC S.720 C. Petzoldt, C. Müller, H. Funke, S. Gelbrich, L. Kroll: Wiederverwendbare flexible GFK-Schalungen zur Herstellung von doppelt gekrümmten Beton-Leichtbauelementen | Re-usable and flexible GFRP formwork for the production of double curved concrete lightweight elements S.726 L. Lohaus, J. Markowski, R. Rolfes, F. F. Tritschel: UHFB-Drucktragglieder (basierend auf wickelverstärkten Hybridrohren) in voll digital datengestützter Fließfertigung als Basis für eine modulare Betonbauweise | UHPC compression rods (based on wrapped hybrid tubes) in fully digitally data-supported flow production as the basis for a modular concrete construction method S.734 P. Forman, T. Stallmann, P. Mark, J. Schnell: Auslegung von Parabolrinnen für Solarkraftwerke im Originalmaßstab S.738 P. Forman, S. Penkert, P. Mark, J. Schnell: Punktfokussierende Heliostaten aus Hochleistungsbeton | Point-focusing heliostats made from high-performance concretes S. 754 D. Kovaleva, O. Gericke, W. Sobek: Herstellung von biomimetischen und biologisch inspirierten (modularen) Strukturen | Fabrication of biomimetic and biologically inspired (modular) structures S.758 O. Gericke, W. Haase, W. Sobek: Sandschalung zur Herstellung von dünnwandigen Sandwiches aus Carbonbeton | Sand formwork for the production of thin-walled sandwiches made from carbon concrete S.762 D. Nigl, D. Schmeer, W. Haase, B. Schönemann, K. Lenz, S. Steier, O. Sawodny, P. Leistner, L. Blandini, W. Sobek: Integrale Planung und Herstellung von ressourceneffizienten Betonbauteilen aus mineralischer Faserverbundbewehrung und gradiertem Beton | Design and production of resource-efficient concrete components made of mineral fibre composite reinforcement and graded concrete S.766 Teil 3: Koordination | Part 3: Coordination S. Scheerer, M. Curbach: Koordination des SPP 1542 | Coordination of SPP 1542 S.774 / Reinforced concrete is the most widely used building material today. It can be produced universally and cheaply almost anywhere in the world. However, this is accompanied by high CO2 emissions and considerable consumption of natural resources. In the DFG Priority Programme 1542, a wide variety of approaches were therefore investigated to find out how the material can be used more efficiently and thus how concrete construction can be made fit for the future. This final report on SPP 1542 “Concrete Light“ (funded from 2011 to 2022) presents the most important results.:S. Scheerer, M. Curbach: Vorwort | Preface S.13 Teil 1: SPP-Projekte | Part 1: SPP projects A. M. Bauer, M. Breitenberger, K.-U. Bletzinger: Nichtlineare Optimierung geometrisch definierter Fugen von räumlich gekrümmten Betonfertigteilen mit isogeometrischen Verfahren | Non-linear optimization of geometrically defined joints of spatially curved prefabricated concrete elements with isogeometric analysis S.18 L. Ledderose, S. Lehmberg, F. Wirth, H. Kloft, H. Budelmann: Entwicklung neuartiger Verbindungen für komplexe Stab-, Flächen- und Raumtragelemente aus UHPFRC | Development of novel jointing systems for complex beam surface and spatial elements made of UHPFRC S. 50 J. D. van der Woerd, J. Hegger, R. Chudoba: Entwurf und Herstellung von dünnwandigen Faltwerken aus zementbasierten Verbundwerkstoffen | Design and construction of folded plate structures made of novel cementitious composites S. 90 A. Schmidt, M. Curbach: Querschnittsadaption für stabförmige Druckbauteile | Cross sectional adaption for rod-shaped elements in compression S. 118 M. Frenzel, K. Farwig, M. Curbach: Leichte Deckentragwerke aus geschichteten Hochleistungsbetonen | Lightweight ceiling structures made of layered high-performance concrete S. 144 S. Baron, J. Mainka, H. W. Hoffmeister, K. Dröder, H. Kloft: Non-Waste-Wachsschalungen: Neuartige Präzisions-Schalungen aus 100 % recycelbaren Industrie-Wachsen zur Herstellung von geometrisch komplexen Beton-Bauteilen | Non-Waste-Wax-Formwork: Novel precise formwork-technology on basis of 100% recyclable industrial wax for the fabrication of geometrically complex concrete elements S. 170 D. Busse, M. Empelmann: Ultraleichte, dünnwandige stabförmige Betonhohlbauteile | Ultra-light, thin-walled hollow concrete members S. 196 M. Henke, O. Fischer: Formoptimierte filigrane Stäbe aus UHPC und korrosionsfreier CFK-Bewehrung für variable räumliche Stabtragwerke | Shape optimized filigree rods made of UHPC and non-corrosive CFRP reinforcement for variable three-dimensional trusses S. 226 D. Schmeer, M. Wörner, H. Garrecht, O. Sawodny, W. Sobek: Effiziente automatisierte Herstellung multifunktional gradierter Bauteile mit mineralischen Hohlkörpern | Efficient automated production of multifunctional graded components with mineral hollow bodies S. 250 S. Illguth, D. Lowke, T. Kränkel, C. Gehlen: Schalentragwerke mit funktionaler Gradierung | Shell structures with functional grading S. 284 D. Weger, D. Talke, D. Lowke, K. Henke, C. Gehlen, S. Winter: Additive Fertigung frei geformter Betonbauteile durch selektives Binden mit calciumsilikatbasierten Zementen | Additive manufacturing of free formed concrete elements by selective binding with calcium silicate based cements S. 300 C.-A. Graubner, U. Knaack, T. Proske, B. Freund, M. Michel, S. Hickert: Grundlagen zur Entwicklung adaptiver Schalungssysteme für frei geformte Betonbauteile | Fundamental research towards an adaptive formwork system development for freeform concrete building components S. 328 A. Stark, J. Hegger: Sandwichbauteile mit gefalteten und gekrümmten Betondeckschichten | Sandwich panels with folded plate and curved concrete facings S.356 W. Jäger: Untersuchungen zu Trageigenschaften von plattenförmigen Betonleichtbauelementen in Kreuz-Kanal-Technologie | Investigations into the load-bearing properties of slab-shaped lightweight concrete elements in CC technology S.390 M. Schneider, H. Andrä, C. Kohlmeyer, S. Oster: Konstruktion und Optimierung von Klebeverbindungen für Platten- und Scheibenbauteile aus hochfestem Beton | Construction and optimization of adhesive joints for plate and shell construction elements composed of high performance concrete S.412 H. Funke, A. Ehrlich, L. Ulke-Winter, C. Petzoldt, S. Gelbrich, L. Kroll: Flexible GFK-Schalungen zur Herstellung von doppelt gekrümmten Beton-Leichtbauelementen mit stabilisierten Abstandsgewirken | Flexible GFRP-formwork for the production of double curved concrete lightweight elements with stabilized spacer fabrics S.436 H. Funke, L. Ulke-Winter, C. Petzoldt, C. Müller, S. Gelbrich, L. Kroll: Gekrümmte Beton-Leichtbauelemente mit bionisch inspirierten Krafteinleitungssystemen durch Einsatz flexibler GFK-Schalungen | Curved lightweight concrete structures with bionic inspired force transmission elements by the use of flexible GFRP-formworks S.452 L. Lohaus, J. Markowski: Wickelverstärkte Hybridrohre | Wrapping-reinforced hybrid tubes S.472 M. Schlaich, A. Goldack, J. P. Osman-Letelier, D. Lordick, K. Noack, M. Friedrich Eichenauer, R. Päßler, M. Pott: Methoden und Werkzeuge für Entwurf und Herstellung schalenartiger und dünnwandiger Betonbauteile mit Regelflächengeometrie | Methods and tools for the design and construction of thin-walled concrete structures with ruled surface geometry S.488 D. Lordick, D. Klawitter, M. Hagemann: Liniengeometrie für den Leichtbau | Line geometry for lightweight structures S.514 C. Kämper, T. Stallmann, P. Forman, J. Schnell, P. Mark: Leichte verformungsoptimierte Schalentragwerke aus mikrobewehrtem UHPC am Beispiel von Parabolrinnen solarthermischer Kraftwerke | Light-weight shape-optimised shell structures made from high-performance concrete for collector modules of parabolic trough power plants S.536 L. Zhou, J. Simon, S. Reese: Modellreduktion und Substrukturtechnik am Beispiel von modularen Schalentragwerken aus ultrahochfestem Beton | Model order reduction and substructures – application to modular shell structures made of ultra-high performance concrete S.590 M. Schnellenbach-Held, J.-E. Habersaat: Leichte Platten aus Beton mit biaxialem Lastabtrag als bionische Strukturen S.610 O. Gericke, D. Kovaleva, W. Haase, W. Sobek: Abfallfreie Herstellung von Betonbauteilen durch die Verwendung einer gefrorenen Sandschalung | Waste-free production of concrete components by means of a frozen sand formwork S.626 M. Wörner, D. Schmeer, H. Garrecht, O. Sawodny, W. Sobek: Optimalstrukturen aus funktional gradierten Betonbauteilen – Entwurf, Berechnung und automatisierte Herstellung | Optimal structures made of functional graded concrete – design, dimensioning and automated production S.642 Teil 2: Demonstratoren und Anschlussprojekte | Part 2: Demonstrators and follow-up projects D. Busse, L. Ledderose: uni-con² – universal concrete construction S.676 C. Müller, H. Funke, S. Gelbrich, L. Kroll: Carbonbeton-Schalendemonstrator | Shell demonstrator out of carbon reinforced concrete S.682 M. Koschemann, S. Scheerer: CarboLight Bridge – eine ultraleichte Konstruktion aus kohlefaserverstärktem und infraleichtem Beton | CarboLight Bridge – an ultra-lightweight construction made of carbon reinforced and infra-lightweight concrete for the German Museum in Munich S.686 S. Scheerer, B. Beckmann, J. Bielak, S. Bosbach, C. Schmidt, J. Hegger, M. Curbach: Konstruktionsstrategien für materialminimierte Carbonbetonstrukturen – Grundlagen für eine neue Art zu bauen | CRC/Transregio 280: Design strategies for material-minimised carbon reinforced concrete structures – principles of a new approach to construction S.700 D. Talke, D. Weger, K. Henke, T. Kränkel, D. Lowke, C. Gehlen, S. Winter: Industrieller 3D-Betondruck durch selektive Zementaktivierung – Verfahren, Material, Anwendungen | Industrial 3D concrete printing by selective cement activation – process, material, applications S.706 D. Schönfelder, H. Funke, S. Gelbrich, L. Kroll: Automatisierte Herstellungstechnologie zur Fertigung von dünnwandigen 3D-geformten Verbundelementen für nachhaltige energie-effiziente Fassadenlösungen – „GreenFACE“ | Automated manufacturing technology for the production of thin-walled 3D-shaped composite elements for sustainable, energy-efficient facade solutions – “GreenFACE“ S.710 A.-C. von der Heid, N. Will, J. Hegger: Weitspannende Sandwichelemente mit vorgespannten Deckschichten aus Carbonbeton | Wide-span sandwich elements with prestressed facings made of carbon reinforced concrete S.714 L. Ledderose, H. Kloft: Magnetische Ausrichtung von Mikro-Stahldrahtfasern in UHPFRC | Magnetic alignment of microsteel fibers in UHPFRC S.720 C. Petzoldt, C. Müller, H. Funke, S. Gelbrich, L. Kroll: Wiederverwendbare flexible GFK-Schalungen zur Herstellung von doppelt gekrümmten Beton-Leichtbauelementen | Re-usable and flexible GFRP formwork for the production of double curved concrete lightweight elements S.726 L. Lohaus, J. Markowski, R. Rolfes, F. F. Tritschel: UHFB-Drucktragglieder (basierend auf wickelverstärkten Hybridrohren) in voll digital datengestützter Fließfertigung als Basis für eine modulare Betonbauweise | UHPC compression rods (based on wrapped hybrid tubes) in fully digitally data-supported flow production as the basis for a modular concrete construction method S.734 P. Forman, T. Stallmann, P. Mark, J. Schnell: Auslegung von Parabolrinnen für Solarkraftwerke im Originalmaßstab S.738 P. Forman, S. Penkert, P. Mark, J. Schnell: Punktfokussierende Heliostaten aus Hochleistungsbeton | Point-focusing heliostats made from high-performance concretes S. 754 D. Kovaleva, O. Gericke, W. Sobek: Herstellung von biomimetischen und biologisch inspirierten (modularen) Strukturen | Fabrication of biomimetic and biologically inspired (modular) structures S.758 O. Gericke, W. Haase, W. Sobek: Sandschalung zur Herstellung von dünnwandigen Sandwiches aus Carbonbeton | Sand formwork for the production of thin-walled sandwiches made from carbon concrete S.762 D. Nigl, D. Schmeer, W. Haase, B. Schönemann, K. Lenz, S. Steier, O. Sawodny, P. Leistner, L. Blandini, W. Sobek: Integrale Planung und Herstellung von ressourceneffizienten Betonbauteilen aus mineralischer Faserverbundbewehrung und gradiertem Beton | Design and production of resource-efficient concrete components made of mineral fibre composite reinforcement and graded concrete S.766 Teil 3: Koordination | Part 3: Coordination S. Scheerer, M. Curbach: Koordination des SPP 1542 | Coordination of SPP 1542 S.774

In dieser Arbeit wird das Verhalten von Normal- und Stahlfaserbeton (engl. steel fiber reinforced concrete (SFRC)) unter quasi-statischer und dynamischer Belastung untersucht. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf den Untersuchungen unter dynamischer Belastung. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass die Zugabe von Stahlfasern viele der gewünschten technischen Eigenschaften des erhärteten Betons, wie Bruchzähigkeit, Biegefestigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit sowie Rissbildung, erheblich verbessern kann. In diesem Zusammenhang weisen viele experimentelle und numerische Studien darauf hin, dass die Festigkeit solcher Verbundwerkstoffe ratenabhängig ist, d.h. sie wird durch die Erhöhung der dynamischen Belastung stark beeinflusst. Dieser Effekt gilt sowohl für die Verbundwerkstoffkomponenten Beton und Stahlfasern als auch für die Verbundwechselwirkung zwischen ihnen. Das Phänomen ist allgemein als Dehnraten-Effekt bekannt. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden numerische Untersuchungen durchgeführt, um den Einfluss der Zugabe von Stahlfasern in die Betonmatrix systematisch zu analysieren und die Abhängigkeit dieses Materials von der Belastungsrate zu untersuchen. Es wurden drei numerische Studien durchgeführt. In der ersten Studie wurde das Verbundverhalten zwischen Stahlfaser und der angrenzenden Betonmatrix mit verschiedenen Ansätzen mit der Finite-Elemente-Software LS-DYNA untersucht. Die Ergebnisse wurden mit zur Verfügung stehenden experimentellen Daten verglichen. In der zweiten Studie wurde das Verhalten von unverstärktem und stahlfaserverstärkten Betonplatten unter Impakt-Belastung untersucht. Die Modelle wurden entwickelt und kalibriert. Die Qualität und Zuverlässigkeit der Modelle wurden in einer Reihe von numerischen Fallstudien bewertet. Die berechneten Ergebnisse wurden durch Vergleich mit den zur Verfügung stehenden experimentellen Daten verifiziert. Das dynamische Verhalten von unverstärktem Beton und faserverstärktem Beton wurde in der dritten Studie untersucht, wobei sowohl das Druck- als auch das Zugverhalten untersucht wurden. Diese Untersuchungen zielten darauf ab, den Beitrag der Stahlfasern zur globalen Festigkeit bzw. zum Widerstandsverhalten von unverstärktem und faserverstärktem Material unter dynamischer Belastung zu untersuchen, wobei dem Einfluss der Stahlfasern auf die Rissentwicklung des faserverstärkten Betons wenig Beachtung geschenkt wurde. Darüber hinaus sind der Beitrag des Materialeffekts und seine Fähigkeit, das dynamische Verhalten von glattem und faserverstärktem Beton zu erfassen, von Interesse. Der Schwerpunkt liegt hier auf dem vorgeschlagenen Materialmodell für den Beton. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Betonmodell das druck- und zugdynamische Verhalten des unverstärkten und des faserverstärkten Betons gut abbilden und die experimentellen Ergebnisse realistisch vorhersagen kann. Schließlich folgten numerische Fallstudien zur Abhängigkeit der Ergebnisse von der Netzgröße, dem Fasergehalt, dem Verhältnis von Faserlänge zu -durchmesser, der Betonfestigkeit und der Belastungsrate. Die Parameter mit dem größten Einfluss wurden identifiziert und analysiert, und eine Schlussfolgerung wurde gezogen. Es wurde gezeigt, dass die zuvor genannten Parameter aktiv am Gesamtverhalten der Materialien beteiligt sind und eine wesentliche Rolle dabei spielen können.

Im konstruktiven Betonbau haben sich Kurzfasern in Form von Makrofasern zur isotropen Verstärkung vorwiegend statisch unbestimmter Bauteile etabliert. Diese Fasern werden dem Frischbeton konventionell beigemischt und verleihen dem Festbeton bei üblichen Fasergehalten von etwa 1 Vol.-% die Eigenschaft, auch nach erfolgter Rissbildung einen gewissen Grad an Zugspannungen im Riss übertragen zu können. Die dabei übertragbaren Spannungen nehmen in der Regel mit zunehmender Rissweite ab. Das Hauptanwendungsgebiet stellen daher Bodenplatten und Industrieböden dar, deren Systemtragfähigkeit aufgrund ihrer hohen statischen Unbestimmtheit nicht auf die Querschnittstragfähigkeit begrenzt ist. Da die Tragwerk-Baugrund-Interaktion ein komplexer Prozess ist, gestaltet sich eine Aussage zu den Mindestanforderungen an das Entfestigungsverhalten konstruktiver Faserbetone zur Gewährleistung eines duktilen und überkritischen Systemtragverhaltens schwierig. Die Regelungen zur Akzeptanz und zum Einsatz von Faserprodukten für konstruktive Betonbauteile sind zudem insbesondere im deutschsprachigen Raum durch präskriptive Vorgaben wie in der DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ auf die Anwendung von Stahlfasern begrenzt. International können dagegen durch leistungsbezogene Normen, wie dem fib Model Code 2010, auch andere Fasermaterialien eingesetzt werden, sofern diese mit der Betonmatrix verträglich sind. Kurzfasern aus Glas dürfen im konstruktiven Betonbau momentan nicht auf die Tragfähigkeit von Bauteilen angerechnet werden. Insbesondere längere Makroglasfasern erscheinen aber als geeignet, Spannungen auch bei größeren Rissöffnungen übertragen zu können und insbesondere Betonbodenplatten eine höhere Tragfähigkeit und Duktilität zu verleihen. In dieser Arbeit wurde die Verwendung von Makroglasfasern mit einer Länge von 36 mm im Kontext ihrer Leistungsfähigkeit auf Material- und Bauteilebene untersucht. Auf Basis von Drei- und Vier-Punkt-Biegezugversuchen wurden Finite-Elemente-Modelle entwickelt und die Leistungsfähigkeit der Faserbetone auf Materialebene durch inverse Analysen bestimmt. Zusätzlich wurde ein eigener Ansatz für dieses Vorgehen entwickelt, mit dem einige der in den Regelwerken verankerten Parameter hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit für Makroglasfaserbeton neu kalibriert wurden. Durch experimentelle und numerische Versuche an Decken- und Bodenplatten wurde das Materialverhalten des Makroglasfaserbetons auf Bauteilebene untersucht. Die im Vorfeld ermittelten Materialkennwerte bildeten die Eingangswerte für die Simulation der Bauteilversuche. Abschließend verdeutlichte eine Parameterstudie den Einfluss der Leistungsfähigkeit des Faserbetons und der Bodensteifigkeit auf die Tragfähigkeit von Bodenplatten. Insgesamt soll diese Arbeit einen wissenschaftlichen Beitrag zur Verwendung und statischen Anrechenbarkeit von Makroglasfasern in Konstruktionsbeton und seiner Anwendung in Bodenplatten leisten. Im Ergebnis ist festzuhalten, dass Makroglasfaserbeton innerhalb der untersuchten Fasergehalte ein dehnungsentfestigendes Materialverhalten aufweist. Die normativ verankerten Beiwerte für die Umrechnung der Nachrissbiegezugfestigkeit in die Nachrisszugfestigkeit sind teilweise zu hoch angesetzt, und die rechnerische Bruchdehnung sollte auf 18 ‰ begrenzt werden. Die Untersuchungen an Bodenplatten zeigen, dass selbst Faserbetone mit geringer Nachrisszugfestigkeit im Bereich größerer Rissweiten, eine deutliche Traglaststeigerungen nach Erstrissbildung im Bauteil erzeugen können. Erst ab einer Rissweite von etwa 0,4 mm bieten duktilere Fasern wie Kunststoff- oder Stahlfasern Vorteile. Bei der Herstellung von Makroglasfaserbeton ist besonderes Augenmerk auf den Mischvorgang zu legen. Mit zunehmender Mischzeit werden die Fasern aufgrund ihres grundsätzlich spröden Materialverhaltens und ihrer Zusammensetzung aus Einzelfilamenten geschädigt. Die Wahl des Betonmischers kann einen Unterschied von einer Leistungsklasse bedingen, weshalb die Leistungsfähigkeit von Makroglasfaserbeton immer an Prüfkörpern aus dem zum Einsatz kommenden Betonmischers erfolgen sollte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden kurzzeitige Belastungen an Bodenplatten unter mittiger Lasteinleitung untersucht. Andere Belastungsszenarien sollten gesondert betrachtet werden. Die Überführung der Ergebnisse der untersuchten Bodenplatten in ein Berechnungsmodell für beliebige Plattengeometrien und Bodeneigenschaften stellt eine sinnvolle Verwertung der Forschungsergebnisse dar.:Vorwort Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Kurzfassung Abstract Inhalt 1 Einleitung 1.1 Problem- und Zielstellung 1.2 Thematische Abgrenzung 1.3 Aufbau der Arbeit, Methodik 2 Grundlagen Faserbeton 2.1 Allgemeines 2.1.1 Faserwerkstoffe 2.1.2 Faserformen 2.1.3 Betonmatrix 2.2 Tragverhalten von Faserbeton 2.3 Grundlagen der Bruchmechanik von Faserbeton 2.3.1 Rissbildungsmodelle 2.3.2 Betrachtungen zur charakteristischen Länge 2.4 Ermittlung der Leistungsfähigkeit von Faserbeton 2.4.1 Allgemeine Prüfverfahren 2.4.2 Drei-Punkt-Biegezugversuch nach DIN EN 14651 und fib Model Code 2010 2.4.3 Anwendungsvoraussetzungen von Faserbeton in tragenden Bauteilen nach fib Model Code 2010 2.4.4 Vier-Punkt-Biegezugversuch nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ 2.4.5 Anwendungsvoraussetzungen von Faserbeton in tragenden Bauteilen nach DAfStb-Richtlinie „Stahlfaserbeton“ 3 Konstruktiver Makroglasfaserbeton 4 Bodenplatten aus Faserbeton 4.1 Allgemeines 4.2 Bodeneigenschaften 4.2.1 Allgemeines 4.2.2 Elastizitätsmodul 4.2.3 Dynamischer Verformungsmodul 4.2.4 Bettungsmodul 4.2.5 Spannungen im Boden 4.2.5.1 Verfahren nach STEINBRENNER 4.2.5.2 Fließkriterium nach DRUCKER-PRAGER 4.3 Interaktion von Baugrund und Gründung 4.3.1 Phasen der Traglastentwicklung von Betonbodenplatten 4.3.2 Bodenmodelle 4.3.3 Ansätze zur Ermittlung der Tragfähigkeit von Bodenplatten 4.4 Eigener Ansatz 5 Beschreibung der experimentellen Untersuchungen 5.1 Übersicht zum Versuchsprogramm 5.2 Entwickelte Makroglasfaserbetonmischungen 5.2.1 Mischungskonzeption 5.2.2 Verwendete Makroglasfasern 5.2.3 Anforderungen an die Frischbetoneigenschaften 5.2.3.1 Verarbeitbarkeit 5.2.3.2 Luftporengehalt 5.3 Versuche an kleinformatigen Prüfkörpern 5.3.1 Übersicht 5.3.2 Druckfestigkeit 5.3.3 Elastizitätsmodul 5.3.4 Drei- und Vier-Punkt-Biegezugversuche an Biegebalken 5.3.5 Dauerhaftigkeit 5.3.5.1 Allgemein 5.3.5.2 Alkalität 5.3.5.3 Frost-Tausalzbeständigkeit 5.3.5.4 Mechanischer Abrieb 5.3.5.5 Wassereindringwiderstand 5.3.6 Untersuchungen zu Faserverteilung und Fasergehalt 5.3.7 Einfluss von Misch- und Transportzeiten auf Faserzustand und Tragverhalten 5.3.7.1 Einfluss der Mischzeit 5.3.7.2 Einfluss des Transportvorgangs 5.4 Bauteilversuche 5.4.1 Übersicht 5.4.2 Vierseitig liniengelagerte Platten 5.4.2.1 Untersuchungsgegenstand und Ziel 5.4.2.2 Versuchsaufbau 5.4.2.3 Versuchsablauf 5.4.3 Flächig gelagerte Platten 5.4.3.1 Untersuchungsgegenstand und Ziel 5.4.3.2 Versuchsaufbau 5.4.3.3 Versuchsablauf 6 Auswertung der experimentellen Untersuchungen 6.1 Frisch- und Festbetoneigenschaften der untersuchten Makroglasfaserbetone 6.1.1 Frischbetoneigenschaften 6.1.2 Grundlegende Festbetoneigenschaften 6.1.3 Residuales Biegetragverhalten 6.1.3.1 Übersicht 6.1.3.2 Drei-Punkt-Biegezugversuche 6.1.3.3 Vier-Punkt-Biegezugversuche 6.1.3.4 Zusammenfassung und Vergleich der Biegeversuche 6.1.3.5 Einfluss des Mischertyps 6.1.4 Dauerhaftigkeit 6.1.4.1 Alkalität 6.1.4.2 Frost-Tauwechselbeständigkeit 6.1.4.3 Mechanischer Abrieb 6.1.4.4 Wassereindringwiderstand 6.1.5 Faserverteilung 6.1.5.1 Übersicht 6.1.5.2 Faserverteilung im Frischbeton 6.1.5.3 Faserverteilung im Festbeton 6.1.6 Einfluss von Misch- und Transportzeiten auf Faserzustand und Tragverhalten 6.1.6.1 Einfluss der Mischzeit 6.1.6.2 Einfluss der Transportzeit 6.2 Vierseitig liniengelagerte Platten 6.2.1 Zielstellung 6.2.2 Tragfähigkeit und Duktilität der untersuchten Serien 6.2.3 Verformungsfiguren und Rissbilder 6.3 Flächig gelagerte Platten 6.3.1 Zielstellung 6.3.2 Eigenschaften des Untergrundes 6.3.3 Tragfähigkeit und Duktilität der untersuchten Bewehrungsvarianten 6.3.4 Verformungsfiguren und Rissbilder 7 Numerische Simulation 7.1 Übersicht 7.2 Numerische Analyse des Entfestigungsverhaltens von Biegebalken 7.2.1 Überblick 7.2.2 Inverse Analyse der Biegebalken mit CONSOFT 7.2.3 Inverse Analyse der Biegebalken mit ATENA 7.2.4 Eigene Inverse Analyse auf Grundlage normativer Ansätze 7.3 Nachrechnung der Untersuchungen an Bodenplatten 7.3.1 Zielstellung 7.3.2 Aufbau des FE-Modells 7.3.2.1 Geometrisches Modell 7.3.2.2 Materialparameter 7.3.2.3 Verwendete Netzparameter 7.3.2.4 Belastungen 7.3.3 Ergebnisse der FE-Simulation 8 Versuchsübergreifende Auswertung 8.1 Entfestigungsverhalten von Makroglasfaserbeton anhand von Biegeversuchen 8.1.1 Überblick 8.1.2 Kalibrierung der ?-Faktoren 8.1.2.1 Drei-Punkt-Biegezugversuch 8.1.2.2 Vier-Punkt-Biegezugversuch 8.1.3 Interpretation der ermittelten Entfestigungskurven 8.2 Einfluss ausgewählter Parameter auf das Systemtragverhalten der untersuchten Bodenplatten 8.2.1 Überblick 8.2.2 Einfluss des Nachbruchverhaltens und der Bodenart 8.2.3 Fazit 9 Zusammenfassung und Ausblick Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang A: Ergänzungen zum Stand des Wissens Dauerhaftigkeit von Glasfaserbeton Einfluss der Glaszusammensetzung Einfluss der zementösen Matrix Bodenmodelle Halbraumtheorie Plattentheorie und Bettungsmodulverfahren Steifezifferverfahren Steifemodulverfahren 3D-Halbraumverfahren Berechnungsverfahren für Bodenplatten Grundlagen der Berechnung der ungerissenen Platte Grundlagen der Berechnung der gerissenen Platte Streifenmethode Bruchlinientheorie Analytischer Ansatz nach LANZONI ET AL. Modelle auf Basis numerischer Verfahren Modell von SHENTU ET AL. Modell von GOSSLA ET AL. Modelle auf Basis der nichtlinearen Bruchmechanik Modell nach BARROS und FIGUEIRAS Modell nach PLIZZARI ET AL. Anhang B: Betonzusammensetzung Betonmischungen Datenblätter Flugasche Betonzusatzmittel Festigkeiten Anhang C: Biegezugversuche Aufbereitung der Versuchsdaten Prüfprotokolle der Biegezugversuche Anhang D: Liniengelagerte Platten Vorbetrachtungen Zeichnungen Versuchsbegleitende Messungen Modifizierung der gemessenen Last-Verformungs-Kurven Bauteilverformungen über den Plattenquerschnitt Anhang E: Bodenplatten Bodenuntersuchungen Verformungen über die Plattendiagonale Rissbilder nach Versuchsende Anhang G: Inverse Analyse Entfestigungskurven der experimentellen und numerischen Biegezugversuche Vier-Punkt-Biegezugversuche Drei-Punkt-Biegezugversuche Anhang H: FE-Simulation der Bodenplatten Dimensionierung Einfluss des Elementtyps Netzkonfiguration Eingabewerte für die Materialmodelle Linear elastische Materialmodelle Betonmodelle Bewehrungsstahl Bodenmodelle Ergebnisse Anhang I: Parameterstudie

The main objectives of this research were twofold: 1). to develop advanced material characterization techniques for bitumen, mastic and mortar aiming to improve the knowledge of the behavior of asphalt concrete at micro and meso scales, and 2). to develop an efficient macro-mechanical numerical model capable of determining flexible pavement responses to traffic and environmental loads.

Ein kontinuierlich ansteigender Wasserbedarf, verursacht durch verstärktes Bevölkerungswachstum, zunehmende Urbanisierung und Industrialisierung, einhergehend mit einer Übernutzung der verfügbaren Wasserressourcen, führt weltweit zu einem dauerhaften Absinken der Grundwasserstände. Um das zeitliche Ungleichgewicht zwischen lokalem Wasserbedarf und Verfügbarkeit zu überwinden und die daraus resultierenden negativen Auswirkungen abzumildern, erfolgt im Rahmen einer künstlichen Grundwasseranreicherung die gezielte Anreicherung oder Wiederaufladung eines Aquifers. Dazu wird überschüssiges Oberflächenwasser unter kontrollierten Bedingungen versickert oder infiltriert, um es in Zeiten von Wassermangel zur Verfügung zu stellen oder die ökologischen Randbedingungen zu verbessern. Beim Betrieb der dafür häufig eingesetzten Infiltrationsbecken kommt es in Abhängigkeit von den Standort- (Boden/Klima/Wasserqualität) und den Betriebsparametern (Hydraulische Beladungsrate, Hydraulischer Beladungszyklus) allerdings durch verschiedene Prozesse (Kolmation, Sauerstoff- und Nährstofftransport) häufig zur negativen Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz solcher Anlagen. Bisher durchgeführte Untersuchungen im Labor- und Feldmaßstab sowie die im Zuge des Betriebes bestehender Infiltrationsbecken gewonnenen Daten liefern hauptsächlich Informationen zum Einfluss einzelner Randbedingungen auf die Veränderung der Infiltrationskapazität bzw. die quantitative Effizienz. Allerdings können auf Basis dieser Daten nicht alle offenen Fragen hinsichtlich des Einflusses der Standort- und Betriebsparameter auf die quantitative und qualitative Effizienz von Infiltrationsbecken vollumfänglich und abschließend beantwortet werden. Aufgrund nicht untersuchter Aspekte sowie widersprüchlicher Daten existieren Unsicherheiten bezüglich der Bewertung hinsichtlich des Einflusses der einzelnen Standort- und Betriebsparameter auf die Effizienz solcher Anlagen. Zur Generierung von weiterem Wissen über den Einfluss von Standort- und Betriebsparametern auf die Effizienz von Infiltrationsbecken und zur anschließenden Formulierung von Empfehlungen für eine optimierte Standortauswahl sowie Betriebsweise von Infiltrationsbecken erfolgt die Durchführung von Laborversuchen mittels kleinskaliger und großskaliger, physikalischer Modelle. Es werden verschiedene Infiltrationsszenarien bei wechselnden Randbedingungen (Bodenart, Temperatur, Wasserqualität, Hydraulische Beladungsrate, Hydraulischer Beladungszyklus) durchgeführt. Anhand der gewonnenen Daten kann die Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz durch die verschiedenen Standort- und Betriebsparameter sowie die dadurch beeinflussten Prozesse sehr gut aufgezeigt werden. Das bisher existierende Wissen kann dabei zum Teil bestätigt und um zusätzliche Erkenntnisse erweitert werden. Es zeigt sich, dass eine höhere hydraulische Durchlässigkeit des anstehenden Bodens eine geringere Reduzierung der Infiltrationskapazität durch Kolmationsprozesse verursacht und zudem für eine bessere Sauerstoffverfügbarkeit sorgt. Darüber hinaus wird ersichtlich, dass Bodentexturen mit einem mittleren Porendurchmesser von 230 µm optimale Bedingungen für eine hohe biologische Aktivität einhergehend mit einem Abbau infiltrierter Substanzen bieten. Der Nachweis einer verstärkten Reduzierung der Infiltrationskapazität durch Kolmationsprozesse bei erhöhten Temperaturen, aber nicht vorhandener Sonneneinstrahlung, kann nicht erbracht werden, da das Fließen des infiltrierten Wassers signifikant durch die erhöhte Viskosität beeinflusst wird. Eine schlechtere Wasserqualität, gleichbedeutend mit erhöhten Konzentrationen an abfiltrierbaren Stoffen sowie gelöstem organischen Kohlenstoff, verursacht in den simulierten Infiltrationsszenarien eine stärkere Reduzierung der Infiltrationskapazität. Die physikalischen Kolmationsprozesse tragen dabei den Hauptanteil an der Reduzierung der Infiltrationskapazität. Des Weiteren wird nachgewiesen, dass eine erhöhte HBR zu einer verstärkten Reduzierung der Infiltrationskapazität und zu einer verschlechterten Sauerstoffverfügbarkeit führt. Die Länge der Infiltrations- und Trockenphasen während des simulierten Betriebes von Infiltrationsbecken beeinflusst entscheidend die Reduzierung der Infiltrationskapazität sowie die Sauerstoffverfügbarkeit. Dabei kann gezeigt werden, dass unabhängig von der Länge der Infiltrations- und Trockenphasen eine vollständige Wiederherstellung der Sauerstoffverfügbarkeit innerhalb von 24 h im Anschluss an eine Infiltrationsphase gewährleistet wird. Das Verhältnis von Infiltrations- und Trockenphasen, auch als Hydraulischer Beladungszyklus bezeichnet, hat hingegen nahezu keinen Einfluss auf die quantitative Effizienz. Bei der Betrachtung aller simulierten Infiltrationsszenarien inklusive der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Standort- und Betriebsparametern können die optimalen Bedingungen für eine hohe quantitative und qualitative Effizienz von Infiltrationsbecken identifiziert werden. Diese sind gegeben beim Vorhandensein eines gut durchlässigen Bodens (hydraulische Leitfähigkeit > 10-4 m s-1), idealerweise mit einem mittleren Porendurchmesser von 230 µm, gepaart mit einer intermittierenden Infiltration von Wasser höherer Qualität ((AFS ≤ 10 mg L-1, BDOC ≤ 10 mg L-1) und der Vermeidung von Infiltrationsphasen länger als 24 h. Eine Widerspiegelung der experimentellen Ergebnisse sowie eine Vorhersage der Reduzierung der Infiltrationskapazität ist mit dem ausgewählten, analytischen Modell nach Pedretti et al., 2012 aufgrund der unzureichend implementierten Berücksichtigung veränderlicher Eingangsparameter nur bedingt möglich. Auf Basis der gewonnenen Daten und dem damit einhergehenden erweiterten Wissen über den Einfluss von Standort- und Betriebsparametern auf die Effizienz von Infiltrationsbecken können schlussendlich Empfehlungen für die Standortauswahl und die optimale Betriebsweise ausgesprochen werden.:1 Einleitung...1 2 Grundlagen der künstlichen Grundwasseranreicherung...7 3 Vorliegende Erkenntnisse zur Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz durch Standort- und Betriebsparameter...38 4 Methoden...49 5 Gewonnene Erkenntnisse hinsichtlich der Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz durch Standort- und Betriebsparameter...87 6 Empfehlungen zur Optimierung von Standort- und Betriebsbedingungen von Infiltrationsbecken zur künstlichen Grundwasseranreicherung...128 7 Schlussfolgerung und Ausblick...136 / A continuously rising demand for water, caused by increased population growth, growing urbanization and industrialization, accompanied by overuse of available water resources, is leading to a permanent drop in groundwater levels worldwide. In order to overcome the temporal imbalance between local water demand and availability and to mitigate the resulting negative effects, artificial groundwater recharge involves the managed enrichment or recharging of an aquifer. For this purpose, excess surface water is percolated or infiltrated under controlled conditions in order to make it available in times of water shortage or to improve the ecological boundary conditions. However, the quantitative and qualitative efficiency of frequently used infiltration basins during the operation is often negatively influenced by a wide variety of processes (clogging, oxygen and nutrient transport), depending on the location (soil/climate/water quality) and the operating parameters (loading rate, loading cycle). Investigations conducted to date on laboratory and field scale as well as data obtained during the operation of existing infiltration basins provide information on the influence of individual boundary conditions on the change in infiltration capacity or quantitative efficiency. However, not all open questions regarding the influence of site specific and operating parameters on the quantitative and qualitative efficiency of infiltration tanks can be answered completely and conclusively on the basis of these data. Due to aspects that have not been investigated and contradictory data, there are uncertainties in the evaluation regarding the influence of the individual site and operating parameters on the efficiency of the plants. Laboratory tests using small-scale and large-scale physical models were carried out, in order to generate further knowledge about the influence of site specific and operating parameters on the efficiency of infiltration basins and to formulate subsequently recommendations for an optimised site selection and operation of these plants. Various infiltration scenarios were carried out under changing boundary conditions (soil type, temperature, water quality, hydraulic loading rate, hydraulic loading cycle). Based on the data obtained, the influence on the quantitative and qualitative efficiency by the various site specific and operating parameters and the processes influenced by them can be demonstrated very well. The existing knowledge can be partially confirmed and extended by additional findings. It shows that a higher hydraulic permeability of the existing soil causes a lower reduction of the infiltration capacity by clogging processes and provides also a better oxygen availability. Furthermore, it can be observed that soil textures with an average pore diameter of 230 µm offer optimal conditions for high biological activity combined with a strong degradation of infiltrated substances. In case of higher temperatures but without solar radiation, an increased reduction of the infiltration capacity by clogging processes cannot be observed, since the flow of the infiltrated water is significantly influenced by the increased viscosity. In the simulated infiltration scenarios, poorer water quality, synonymous with increased concentrations of filterable substances as well as dissolved organic carbon, cause a stronger reduction of the infiltration capacity. Physical clogging processes are contributing the major part to the reduction of the infiltration capacity. Furthermore, it can be shown that an increased hydraulic loading rate leads to an increased reduction of the infiltration capacity and to a decreased oxygen availability. The length of the infiltration and drying phases during the simulated operation of infiltration basins has a decisive influence on the reduction of the infiltration capacity and the oxygen availability. It is demonstrated that regardless of the length of the infiltration and drying phases, a complete restoration of oxygen availability can be guaranteed within 24 h following an infiltration phase. In contrast, the ratio of infiltration and dry phases, also known as the hydraulic loading cycle, has almost no influence on the quantitative efficiency. Optimal conditions for a high quantitative and qualitative efficiency of infiltration basins can be identified, when considering all simulated infiltration scenarios including the interactions between the different site specific and operating parameters. These are given in the presence of a well-permeable soil (hydraulic conductivity > 10-4 m s-1), ideally with an average pore diameter of 230 µm, coupled with an intermittent infiltration of water of higher quality ((AFS ≤ 10 mg L-1, BDOC ≤ 10 mg L-1) and the prevention of infiltration phases longer than 24 h. A reflection of the experimental results as well as a prediction of the reduction of the infiltration capacity with the selected analytical model according to Pedretti et al., 2012 is only conditionally possible due to the insufficiently implemented consideration of variable input parameters. Recommendations for site selection and optimal operation were finally made on the basis of the data obtained and the resulting extended knowledge about the influence of site specific and operating parameters on the efficiency of infiltration basins.:1 Einleitung...1 2 Grundlagen der künstlichen Grundwasseranreicherung...7 3 Vorliegende Erkenntnisse zur Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz durch Standort- und Betriebsparameter...38 4 Methoden...49 5 Gewonnene Erkenntnisse hinsichtlich der Beeinflussung der quantitativen und qualitativen Effizienz durch Standort- und Betriebsparameter...87 6 Empfehlungen zur Optimierung von Standort- und Betriebsbedingungen von Infiltrationsbecken zur künstlichen Grundwasseranreicherung...128 7 Schlussfolgerung und Ausblick...136

Inhalt der Arbeit sind theoretische und experimentelle Untersuchungen zum Einfluss akustischer Wellen auf das Verhalten mehrphasiger Strömungen in porösen Medien. Die Arbeit schlug mittels Frequenzanalyse Anregungsfrequenzen mit erhöhter Wahrscheinlichkeit den Strömungsvorgang positiv für die Erdölförderung zu beeinflussen. Die vorgeschlagenen Frequenzen erzielten auf verschiedenen Parametern erfolgreich eine positive Beeinflussung des Wasserdurchbruchspunktes, des Entölungsgrades und der relativen Permeabilität. Zur Erhöhung der Aussagekraft der Daten wurden Verfahren der multivariaten Statistik erfolgreich eingesetzt. Zudem wurden positive Rückkopplungseffekte mit dem Einsatz oberflächenaktiver Substanzen nachgewiesen. In einem abschließenden Schritt konnte die Wirkung des Verfahrens zudem durch Kombination mehrere Frequenzen optimiert werden. Diese von hoher Wichtigkeit geprägten Charakteristika zeigen klar das Potential des Verfahrens zum Einsatz als Verfahren der verbesserten Erdölförderung (EOR) auf.:1. Kurzfassung 5 2. Einleitung 6 2.1. Die primäre und sekundäre Förderphase 7 2.2. Tertiäre Fördermethoden 9 2.3. Akustische Verfahren 14 2.4. Aufgabenstellung 17 3. Grundlagen 18 3.1. Projektvorstellung 19 3.1.1. Vorstellung der Sonde 20 3.1.2. Eingrenzung der Laborparameter 22 3.2. Einordnung des Verfahrens in den Stand der Technik 23 3.2.1. Impuls- und Frequenzverfahren 23 3.2.2. Frequenzbereiche 25 3.3. Auswertemethoden 27 3.3.1. Frequenzanalysen 27 3.3.2. Flutversuche und relative Permeabilität 28 3.3.3. Imbibitionsversuche 32 3.4. Grundlagen der mathematischen Methoden 33 3.4.1. Fouriertransformation 34 3.4.2. Gradientenverfahren 34 3.4.3. Regressionsanalyse 37 4. Laborarbeiten 39 4.1. Versuchsaufbau 39 4.1.1. Flutanlage 39 4.1.2. Imbibitionsgefäße 42 4.2. Versuchsdurchführung 44 4.3. Der Versuchsplan der Flutexperimente 48 4.4. Voruntersuchungen 49 4.4.1. Gesteinsproben 49 4.4.2. Fluidproben 50 5. Datenauswertung 52 5.1. Frequenzanalyse 52 5.2. Flutversuche 55 5.2.1. Ergebnis der Regressionsanalyse 59 5.3. Imbibitionsversuche 61 5.4. Phänomenologische Untersuchungen 63 5.4.1. Injektivitätsveränderung 63 5.4.2. Instabile Emulsionsbildung 65 5.5. Weitergehende Forschungsansätze 67 5.5.1. Rückkopplungseffekte mit Tensiden 67 5.5.2. Bohrlochregeneration 69 6. Diskussion 71 7. Zusammenfassung 75

The success of a cement production project depends on the raw material supply. Longterm quarry production planning (LTQPP) is essential to maintain the supply to the cement plant. The quarry manager usually attempts to fulfil the complicated calculations, ensuring a consistent supply of raw materials to the cement plant while guaranteeing technical and operational parameters in mining. Modern quarry management relies on block models and mathematical algorithms integrated into the software to optimize the LTQPP. However, this method is potentially sensitive to geological uncertainty in resource estimation, resulting in the deviation of the supply production of raw materials. More importantly, quarry managers lack the means to deal with these requirements of LTQPP. This research develops a stochastic optimization framework based on the combination of geostatistical simulation, clustering, and optimization techniques to optimize the LTQPP. In this framework, geostatistical simulation techniques aim to model the quarry deposit while capturing the geological uncertainty in resource estimation. The clustering techniques are to aggregate blocks into selective mining cuts that reduce the optimization problem size and generate solutions in a practical timeframe. Optimization techniques were deployed to develop a new mathematical model to minimize the cost of producing the raw mix for the cement plant and mitigate the impact of geological uncertainty on the raw material supply. Matlab programming platform was chosen for implementing the clustering and optimization techniques and creating the software application. A case study of a limestone deposit in Southern Vietnam was carried out to verify the proposed framework and optimization models. Geostatistical simulation is applied to capture and transfer geological uncertainty into the optimization process. The optimization model size decreases significantly using the block clustering techniques and allowing generate solutions in a reasonable timeframe on ordinary computers. By considering mining and blending simultaneously, the optimization model minimizes the additive purchases to meet blending requirements and the amount of material sent to the waste dump. The experiments are also compared with the traditional optimization framework currently used for the deposit. The comparisons show a higher chance of ensuring a consistent supply of raw materials to the cement plant with a lower cost in the proposed framework. These results proved that the proposed framework provides a powerful tool for planners to optimize the LTQPP while securing the raw material supply in cement operations under geological uncertainty.:Title page _ i Declaration_ ii Acknowledgements _ i Publications during candidature_ii Abstract _iii Table of contents _v List of figures_viii List of tables _ xi List of abbreviations _xii Chapter 1 . Introduction _1 1.1 Background _1 1.2 Statement of the problem _2 1.3 Research aims and objectives_ 3 1.4 Scope of research _4 1.5 Research methodology _ 4 1.6 Significance of theresearch_5 1.7 Organization of thesis _6 Chapter 2 . Literature review _ 8 2.1 Introduction _ 8 2.2 Cement raw materials _8 2.3 Cement production process _ 8 2.3.1 Raw material recovery _9 2.3.2 Raw material processing_10 2.4 Impact of raw materials on the cement production process _12 2.5 Quarry planning and optimization _13 2.6 Long-term production planning (LTPP) problem _14 2.6.1 Deterministic approaches to solve the LTPP problem_15 2.6.2 Stochastic approaches for solving the LTPP problem_21 2.7 Conclusion_26 Chapter 3 . A stochastic optimization framework for LTQPP problem_28 3.1 Introduction_28 3.2 Deposit simulation_29 3.2.1 Simulating the rock type domains using SIS_30 3.2.2 Simulating the chemical grades within each domain conditionally to rock type domains, using SGS_30 3.3 Block clustering _31 3.4 The mathematical formulation for the LTQPP problem_32 3.4.1 Notation_34 3.4.2 Mathematical formulation_36 3.5 Numerical modelling_39 3.5.1 Clustering _39 3.5.2 SMIP formulation_41 3.6 Conclusion _47 Chapter 4 . Hierarchical simulation of cement raw material deposit_ 49 4.1 Introduction _49 4.2 Research area _ 50 4.2.1 General description_50 4.2.2. Data set_50 4.3. Application of hierarchical simulation _53 4.3.1 Rock-type simulation _ 53 4.3.2 Grade simulation _60 4.4. Discussion_73 4.5. Conclusion_76 Chapter 5 . Application of the stochastic optimization framework_77 5.1 Introduction_77 5.2 Implementation of KHRA _77 5.3 Implementation of the SMIP model _78 5.3.1 Sensitivity of the penalty cost _80 5.3.2 The effectiveness of the SMIP model _82 5.4 Risk mitigation _85 5.5 Conclusion _87 Chapter 6 . Conclusions and future works _ 89 6.1 Conclusions _89 6.2 Future works _91 References_ 93 Appendix I. Software Application _100 A.I.1 Introduction _100 A.I.2 Input preparation _101 A.I.2.1 Format of block model input _101 A.I.2.2 Import block model input _102 A.I.2.2 Cost assignment _104 A.I.2.3 Size reduction _ 107 A.I.3 Optimization _110 A.I.3.1 Destination _110 A.I.3.2 Production capacity _ 111 A.I.3.3 Additive purchase _ 111 A.I.3.4 Pit slopes _ 111 A.I.3.5 Optimization _ 112 A.I.4 Visualization of optimization results _112

Robot Operating System (ROS) ist ein Framework für Robotersteuerung, das die Kommunikation zwischen verschiedenen Robotermodulen ermöglicht. Weiterhin bietet es fertige Lösungen für Vorwärts- und Rückwärtskinematik serieller Roboter. Für parallele Roboter muss die Berechnung der Kinematik in ROS allerdings individuell erfolgen. Diese ist durch lange, verschachtelte Formeln gekennzeichnet, was die Wahrscheinlichkeit für Fehler in der Programmierung erhöht. Hier kommt die geometrische Mathematiksoftware GeoGebra zum Einsatz. Durch die geometrische Modellierung des parallelen Roboters in GeoGebra kann jeder Schritt in der Kinematikberechnung nachverfolgt und mit den Ergebnissen aus der Programmierung in ROS kontrolliert werden. Dadurch können Fehler in den Formeln schneller erkannt und behoben werden. Danach erfolgt die Simulation des parallelen Roboters in der Visualisierungsumgebung von ROS RViz. / Robot Operating System (ROS) is a framework for controlling robots that enables communication between different robot modules. It also provides complete solution for forward and inverse kinematics of serial robots. However, for parallel robots, kinematics calculation must be done individually. These are characterized by long, nested formulas, which increases the likelihood of errors in programming. The geometric mathematics software GeoGebra can be implemented to overcome this problem. By geometrically modelling the parallel robot in GeoGebra, every step in kinematics calculation can be traced and checked against the result from the programming in ROS. This allows errors in the formulas to be detected and corrected more quickly. Then, the parallel robot is simulated in the visualization environment in ROS RViz.