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Prüfverfahren zur Bestimmung des Frost-Tau-Wechseleinflusses auf Hinterfüllbaustoffe für Erdwärmesonden

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[Quelle: http://d-nb.info]

In der Arbeit wird die Entwicklung eines Prüfverfahrens zur Untersuchung des Einflusses von zyklischen Frost-Tau-Belastungen auf die hydraulische Integrität von Hinterfüllbaustoffen für Erdwärmesonden vorgestellt. Erdwärmesonden sind die häufigste Ausführungsform der oberflächennahen Geothermie in Deutschland und werden meist in Kombination mit Wärmepumpen für die Temperierung von Gebäuden genutzt. Ein bautechnisch kritischer Lastfall ist die Belastung der Hinterfüllung durch Frost-Tau-Wechsel aufgrund von zeitweise hohem Wärmeentzug. Der hohe Wärmeentzug kann dabei planmäßig, aber unter Umständen auch unplanmäßig stattfinden. Dieses kann die hydraulische Integrität von Erdwärmesonden negativ beeinflussen. Die meisten Leitfäden der Bundesländer fordern daher den Einsatz von Hinterfüllmaterialien, die gegen zyklische Frost-Tau-Belastungen widerstandsfähig sind. Jedoch existiert bis dato kein genormtes Prüfverfahren für eine Eignungsprüfung. Bei der bisherigen Anwendung genormter Frostprüfverfahren aus dem Betonbau oder für Natursteinprüfungen werden die theoretischen Hintergründe des Durchfrostungsprozesses und der bodenmechanischen Randbedingungen der Hinterfüllung von Erdwärmesonden ungenügend berücksichtigt. Dies gab Anlass die Frost-Tau-Wechsel bei Erdwärmesonden wissenschaftlich zu untersuchen und über ein Prüfverfahren, welches den maßgeblichen Randbedingungen der Einbausituation von Hinterfüllungen entspricht, das Materialverhalten zu charakterisieren. Es werden die theoretischen Hintergründe der Belastung durch Eisbildung in Erdwärmesonden sowie die Umsetzung in ein geeignetes Prüfverfahren dargestellt. In Voruntersuchungen wurde die Zeit- und Temperaturabhängigkeit der Materialeigenschaften von Hinterfüllmaterialien untersucht und Randbedingungen für die Hauptuntersuchungen definiert. In Kombination mit den Erkenntnissen vorheriger Untersuchungen an Hinterfüllmaterialien konnten so vier Prüfkriterien aufgestellt werden. Diese besagen: dass die Durchlässigkeit des Systems Sonde/Hinterfüllung ausschlaggebend ist; die Systemdurchlässigkeit auch nach der Simulation der zyklischen Frost-Tau-Belastungen ermittelt werden muss; während des gesamten Prüfablaufs die Prüfkörper in der Messapparatur unter definierten Spannungszuständen verbleiben müssen; die Durchfrostung der Prüfkörper wie in situ von innen nach außen erfolgen muss. Die Prüfkriterien wurden in einer modifizierten Wasserdurchlässigkeitsmesszelle umgesetzt. Die Prüfkörper für die Messzelle sind maßstabsgetreu zu realen Erdwärmesondenabmessungen konzipiert und verfügen über ein mittiges Sondenrohr für die Temperierung von innen nach außen. Das Prüfverfahren misst direkt die hydraulische Leitfähigkeit eines Modellsystems einer Erdwärmesonde unter Berücksichtigung der Materialdurchlässigkeit in Kombination mit den präferierten Wasserwegigkeiten entlang des Sondenrohres. Die Prüfkörper verbleiben während der gesamten Prüfung unter definierten Spannungsrandbedingungen in der Messapparatur und werden wie in situ von innen nach außen durchfrostet. Darüber kann die frost-tau-bedingte Änderung der Systemdurchlässigkeit quantifiziert werden. Das Prüfverfahren wurde an einer Auswahl von Hinterfüllbaustoffen getestet und die Funktion an unterschiedlichen Anlagenperipherien und in verschiedenen Laboratorien überprüft. Somit konnte belegt werden, dass die Standortunabhängigkeit gegeben ist. Die Versuche an den Einzelkomponenten von Hinterfüllbaustoffen zeigten, dass das Prüfverfahren für jegliche Hinterfüllmaterialien für Erdwärmesonden geeignet ist. Über Versuche mit großen Anzahlen an Frost-Tau-Wechsel konnten Aussagen zur allgemeinen Charakteristik des Frost-Tau-Wechsel-Einflusses getroffen werden. Die durchgeführten Tracerversuche bestätigen die Notwendigkeit der Forderungen nach Messungen der Systemdurchlässigkeit. Die Temperaturausbreitung in der Messzelle während der Versuchsdurchführung wurde experimentell überwacht und anhand numerischer thermisch-hydraulisch gekoppelter Berechnungen validiert. Im Rahmen der numerischen Validierung wurde ein Plug-in für die Finite-Element-Methode Software FEFLOW entwickelt, welches die Berechnung von Phasenwechselvorgängen ermöglicht. Das Plug-in wurde an numerischen und analytischen Lösungen kalibriert und kann für die Berechnung von Frost-Tau-Wechsel-Ereignissen in Erdwärmesonden verwendet werden. Dabei werden die Veränderungen der hydraulischen und thermischen Materialparameter berücksichtigt, ebenso wie die Einflüsse der Kristallisationswärme während der Übergänge zwischen den flüssigen und festen Phasen. Mit dem Plug-in können Durchfrostungssimulationen mit FEFLOW modelliert werden. Es wird gezeigt, dass die hydraulische Systemdurchlässigkeit von Erdwärmesonden um zwei Zehnerpotenzen höher ist als die reine Materialdurchlässigkeit. Der Frost-Tau-Wechseleinfluss auf die Systemdurchlässigkeit von Erdwärmesonden ist materialspezifisch. Die ersten Frost-Tau-Wechsel-Belastungen sind entscheidend für Systemdurchlässigkeit, spätere Durchfrostungen haben keinen Einfluss mehr. Aufgrund der geringen Abmessungen der entwickelten Messzellen, einer Handhabung, die derer üblicher bodenmechanischer Versuche ähnelt und der Einbettung in die gängigen Prüfverfahren der Bodenmechanik, kann das Prüfverfahren nahezu in jedes Erdbaulabor implementiert werden. Dadurch kann das Prüfverfahren zu einer flächendeckenden Qualitätssicherung in der oberflächennahen Geothermie beitragen.

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Gerd Möller
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Bodenmechanik
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Forschungsberichte

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Christos Vrettos, Oliver Kornadt, Andreas Becker, Leila Nagel, Elisabeth Seibel, Albert Vogel, Marc Oliver Rosenquist
Prognose des strukturinduzierten sekundären Luftschalls aus dem Schienenverkehr. Abschlussbericht
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Die Entwicklung eines Prognoseverfahrens für den sekundären Luftschall, der durch den Körperschall der Bauteile eines Gebäudes generiert wird, steht im Fokus dieses Projektes. Als Quelle wird in diesem Fall der schienengebundene Verkehr untersucht, der durch den Untergrund in den angrenzenden Gebäuden über die Schwingungen der Bauteile als sekundärer Luftschall wahrgenommen wird. Mit diesem Vorhaben wird die Erweiterung des bestehenden Modells auf inhomogene Bodenverhältnisse mit Pfahlgründungen und eine fundierte Verifizierung des Modelles angestrebt. Dabei werden verschiedene Bodentypen, z.B. geschichtete Böden und gebäudeseitig die induzierten Schwingungen in den unterschiedlichen raumbegrenzenden Flächen untersucht. Methodisch sollen sowohl numerische Berechnungen als auch messtechnische Untersuchungen durchgeführt werden und ein praxistaugliches Verfahren entwickelt werden.

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Benjamin Aulbach, Martin Ziegler, Sarah Horsten, Nils Peter Huber
Sicherheitsnachweise für den Hydraulischen Grundbruch - Erweiterung für den räumlichen Fall und für geschichteten sowie anisotropen Boden. Abschlussbericht
Bauforschung, Band T 3274
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Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden umfangreiche Berechnungen zur Ermittlung der für die Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch erforderlichen Einbindetiefe für den ebenen und begrenzt für den räumlichen Fall durchgeführt. Als Ergebnis wurden dimensionslose Bemessungsdiagramme zur einfachen Ermittlung der erforderlichen Einbindetiefe erhalten, welche die Geometrie und im räumlichen Fall die veränderten Anströmungsverhältnisse berücksichtigen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass die Verwendung von Näherungsverfahren, welche weder die geometrischen Verhältnisse noch die räumliche Anströmung berücksichtigen, zu Einbindetiefen führen, welche oftmals auf der unsicheren Seite liegen. Im ebenen Fall wurden sowohl günstiger als auch ungünstiger Baugrund und verschiedene Wichten untersucht. Die Untersuchungen im räumlichen Fall beschränkten sich hingegen bisher auf günstigen Baugrund mit einer Wichte unter Auftrieb von 11 kN/m hoch 3. Bisher noch überhaupt nicht betrachtet wurden geschichteter und hinsichtlich der Durchlässigkeit anisotroper Boden. Aus diesem Grund sollten die bisherigen Untersuchungen fortgesetzt und die Bemessungsdiagramme um die noch fehlenden Fälle ergänzt werden. Ziel des neuen Forschungsvorhabens war es, auch im räumlichen Fall für ungünstigen Baugrund und für verschiedene Wichten Untersuchungen anzustellen und die bisher bestehenden Bemessungshilfen dahingehend zu ergänzen. Weiterhin sollten Untersuchungen zu geschichtetem Baugrund sowie zu anisotropen Verhältnissen angestellt werden, so dass für nahezu alle geometrischen und hydraulischen Verhältnisse und für komplizierte Baugrundsituationen einfach zu handhabende Bemessungsdiagramme bzw. Empfehlungen zur Verfügung stehen. Darüber hinaus sollten auch Untersuchungen zu Verbauwänden mit abgetreppten Verbauwänden angestellt werden. Damit umfangreiche Untersuchungen im räumlichen Fall innerhalb eines angemessenen Zeitrahmens möglich wurden, wurde zunächst ein lnterFaceManager-Modul entwickelt. Mit diesem wurde ein Teil der Model

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M. Goldscheider
Vergleichende Versuche mit einem konventionellen und einem parallel geführten Rahmenschergerät als Grundlage für DIN 18137-3. Schlussbericht
2003, 72 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das konventionelle Rahmenschergerät nach Casagrande weist aufgrund seiner Konstruktion Imperfektionen auf, durch welche der Scherwiderstand des Probekörpers verfälscht werden kann. Daher wurden Konstruktionen mit Parallelführungen vorgeschlagen, von denen sich eine noch nach Aufnahme in E DIN 18137-3 als fallweise grob fehlerhaft erwies. Daraufhin wurde in DIN 18137-3 neben dem konventionellen Gerät eine Konstruktion mit senkrechten und unabhängigen Parallelführungen des oberen Rahmens und der Belastungsplatte aufgenommen. Mit dieser besser durchdachten Bauweise lagen allerdings erst wenige Erfahrungen vor. In dieser Forschungsarbeit wurde durch vergleichende Versuche mit verschiedenen Böden untersucht, ob in den Versuchsergebnissen aus dem konventionellen und dem verbesserten Gerät wesentliche Unterschiede bestehen oder beide Geräte als geeignet zu beurteilen sind und welches Gerät gegebenenfalls vorzuziehen ist. Dabei wurde folgendes festgestellt: Beim Gerät mit unabhängigen senkrechten Parallelführungen gab es keine Anzeichen für systematische Verfälschungen. Die Drehung der Kopfplatte beim konventionellen Gerät während des Abscherens hat keinen merklichen Einfluss auf den resultierenden Scherwiderstand des Probekörpers, sondern wirkt sich nur auf die Schubsteifigkeit und die Verformungen aus. Dagegen kann die Scherfestigkeit bei diesem Gerät erheblich durch die senkrechte Reibungskraft zwischen oberem Rahmen und Belastungsplatte verfälscht werden. Diese Reibungskraft tritt dann auf, wenn die Höhe des Probekörpers durch das Abscheren bis zum Grenzzustand durch Kontraktanz abnimmt; es entsteht aber kein Fehler, wenn die Höhe des Probekörpers durch Dilatanz zunimmt oder konstant bleibt. Daher ist das konventionelle Gerät für Sand und Schluff, die sich meist dilatant verhalten, geeignet und ausreichend genau. Beim untersuchten Ton dagegen wurde der Reibungswinkel durch diesen Effekt um 4 Grad bis 5 Grad nach oben verfälscht. Der Fehler ist nicht an inneren Widersprüchen innerhalb einer Versuchsserie zu erkennen.

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Michael Ulrich
Korrelationen zwischen Korngrößenverteilung und Proctordichte. Schlußbericht
2002, 60 S., Abb., Lit.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Der Forschungsbeitrag analysiert mittels statistischer Methoden die Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Kennwerten der Korngrößenverteilung und der Proctordichte grobkörniger Böden. Er formuliert Rechenansätze, die es gestatten, die zu erwartende Proctordichte auf Basis der Korngrößenverteilung überschläglich zu ermitteln und stellt damit eine leicht zu handhabende Methode der Plausibilitätskontrolle für Proctorversuche zur Verfügung, welche die Qualitätssicherung bei Verdichtungsarbeiten unterstützt. Für die statistische Auswertung wurden ca. 5000 Versuche an Proben aus natürlichen Sanden, Kiesen und gemischten Böden (Recycling-Material) aus dem Berliner Raum durchgeführt und die Abhängigkeit der Proctordichte vom optimalen Wassergehalt und anderen Parametern der Korngrößenverteilung untersucht.

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D. König, O. Syllwasschy
Beanspruchung von tiefen Schächten in Deponien. Abschlußbericht
1995, 110 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Schächte in Deponien sind gleich- und ungleichförmigen Radialspannungen, vertikalen Beanspruchungen durch negative Mantelreibung sowie Schrägstellungen und Krümmungen infolge Verformungen im Abfall ausgesetzt. Als Folge hiervon treten Schäden an den Schächten bis hin zum totalen Funktionsverlust auf. Ziel war es, Aussagen über die Größe der mechanischen Beanspruchung von Schachtbauwerken in Deponien in Abhängigkeit der grundsätzlichen Eigenschaften der Schachtkonstruktion und der Abfalleigenschaften zu erarbeiten. Es sollen die Grundlagen für ein bisher fehlendes Bemessungsverfahren geschaffen werden. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen Versuche mit der geotechnischen Großzentrifuge der Ruhr-Universität Bochum. Die Anordnung eines Kiesmantels um den Schachtausbau hat zusammen mit einer radialsymmetrischen Belastung einen ungünstigen Einfluß auf die negative Mantelreibung in Zusammenspiel mit einem steifen Ausbau. Die lastverteilende Funktion des Kiesmantels bei asymmetrischen Belastungen wird durch die Versuche bestätigt. Voraussetzung ist hier, daß der Kiesmantel ausreichend dick ist.

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Zeitschriftenartikel

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Back, Martin
Geotechnische Aspekte beim Neubau der BAB A 44 auf einer 190 m tiefen Kippe im Tagebau Garzweiler
Straße + Autobahn, 2020

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Michel, Philipp; Butenweg, Christoph; Klinkel, Sven
Einfluss der dynamischen Steifigkeit von Flach- und Pfahlgründungen auf das dynamische Verhalten einer Onshore-Windenergieanlage
Bauingenieur, 2020

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Feldbusch, Arthur; Sadegh-Azar, Hamid
Nicht-lineare Untersuchungen zur dynamischen Boden-Bauwerk-Interaktion
Bauingenieur, 2020

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Boley, Conrad; Forouzandeh, Yashar; Wagner, Simone; Pratter, Paul
Scherverhalten von acrylatischen Injektionskörpern. Sicherheitsrelevante Erkenntnisse zur Auswahl des Bruchkriteriums
Geotechnik, 2020

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Grabe, Jürgen
Vienna - Terzaghi Lecture 2019: Geomechatronik - ein Zukunftsfeld
Bauingenieur, 2019

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