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Ausgewählte Forschungs- und Praxisprojekte:

Projekttitel Forschungsthemen Projektbeschreibung

DatA ESPerT (Database Analysis for Evaluation of Seismic Performance Assessment Tools)

Individual Fellowship - Marie Skłodowska Curie Action – Horizon 2020

Probabilistische Leistungsbewertung von Industriebauten

In hochindustrialisierten Regionen beeinträchtigen Erdbeben die Gesellschaft nicht nur durch bloße infrastrukturelle Schäden. Es drohen auch unter wirtschaftlichen, sozialen und ökologischen Gesichtspunkten große Konsequenzen aufgrund der komplex integrierten und hochsensiblen Industrien - so auch in Bereichen mit mittlerer bis geringer Seismizität wie Europa. Während das seismische Verhalten typischer Bauwerke weitgehend in technischen Richtlinien und Schadensprognosewerkzeugen weltweit erfasst wird, sind Ereignisberichte oder gar Bewertungsinstrumente für Industrieanlagen selten. Vor allem, weil betroffene Anlagen in der Regel nicht allgemein zugänglich sind und somit keine Daten von Aufklärungsmannschaften erhoben werden können. Nach den jüngsten italienischen Erdbeben wurden von vielen Autoren Berichte erstellt. Innerhalb des DatA ESPerT Projekts wird der Forscher bezug auf die Bereichte nehmen, um mathematische Instrumente mit dem Grundgeruest des PBEE zu entwickeln, damit die seismische Leistung von Industrieanlagen beurteilt und Schadenprognosen für zukünftige Erdbeben ermittelt werden können. Aufgrund des vergleichbaren sozioökonomischen Kontextes und ähnlicher seismischer Gefährdungsniveaus, werden die Forschungsergebnisse für viele Regionen in Südeuropa Gültigkeit finden. Weitere Aspekte des Projekts behandeln die Entwicklung von Kosten- / Leistungskurven für Maßnahmen zur seismischen Abschwächung und die Untersuchung der geographischen Schadensverteilung in Bezug auf die seismologischen Umstände der jüngsten Erdbeben.

Ein adaptives (Finite-Element)²-Modell zur Analyse des nichtlinearen, thermo-mechanisch gekoppelten Verhaltens von Faser-Matrix-Verbundwerkstoffen

DFG KL 1345/9-1

Numerische Strukturanalyse

Für die Analyse heterogener Strukturen mit komplexer Mikrostruktur, wie z.B. faserbewehrter Beton oder Metall-Matrix-Komposite, ist die Kenntnis gemittelter, effektiver Materialparameter von zentraler Bedeutung. Effektive Materialparameter für heterogene Verbundwerkstoffe können mit Hilfe von Homogenisierungsverfahren gewonnen werden. Bei der (Finite-Elemente)²-/FE²-Methode erfolgt eine numerische Homogenisierung während der Berechnung der Gesamtstruktur. Dazu wird jedem Integrationspunkt der Gesamtstruktur ein repräsentatives Volumenelement der Mikrostruktur angehängt. Dies ermöglicht die Erfassung des nichtlinearen Materialverhaltens und gibt Aufschluss über die mikromechanischen Vorgänge. Der Nachteil der FE²-Methode ist der hohe Rechenaufwand. In jedem Integrationspunkt der Makrostruktur wird ein Finite-Element-Programm gestartet, das die Mikrostruktur und die Lasthistorie einliest, die Randbedingungen aufbringt und die effektiven Eigenschaften des Materials berechnet. Das Forschungsprojekt hat zum Ziel den Rechenaufwand zu reduzieren. Um dies zu erreichen, soll ein adaptives FE²-Modell entwickelt werden. Die begleitende numerische Homogenisierung soll nur lokal in den Gebieten durchgeführt werden, in welchen nichtlineares Materialverhalten zu erwarten ist.

Hybride Galerkin-Kollokationsmethoden für die oberflächenorientierte Modellierung von nichtlinearen Problemen in der Festkörpermechanik

DFG KL1345/10-1

Numerische Strukturanalyse

Die Geometriemodellierung, die heute als State-of-the-Art von Computer Aided Design (CAD) Software benutzt wird, unterscheidet sich grundlegend von der Geometriedarstellung, welche bei Analysemethoden wie der Finite-Element-Methode (FEM) zum Einsatz kommt. Eine weit verbreitete Methode für den Entwurf von Festkörpern im CAD ist die sogenannte Boundary Representation Modeling Technique (BRMT), bei der ein Körper nur durch seine Oberflächen mit Hilfe von NURBS (Non Uniform Rational B-Splines) und Nachbarschaftsbeziehungen zwischen NURBS-Flächen definiert wird. Das Hauptziel des Forschungsvorhabens ist es, eine numerische Methode zu entwickeln, welche die Eigenschaften der isogeometrischen Analyse mit dem Ansatz der SB-FEM kombiniert, um direkt die oberflächenorientierte Geometriebeschreibung aus dem CAD, speziell BRMT, zu verwenden. Die Methode soll auf eine breite Klasse von Problemstellungen in der nichtlinearen Festkörpermechanik anwendbar sein und eine Schnittstelle für komplexe 3D-Stoffgesetze beinhalten. Das Forschungsvorhaben ist interdisziplinär angelegt und wird von zwei Arbeitsgruppen aus dem Bauingenieurwesen und der angewandten Mathematik getragen, die die Vision der exakten Geometrie in der kompletten Simulationskette teilen.

Sicherheitsanalysen von Multi-Komponenten-Systemen auf Grundlage von mehrdimensionalen seismischen Fragilitätsuntersuchungen unter Berücksichtigung betriebs- und alterungsbedingter Veränderungen Baudynamik Der Fokus des Projekts liegt auf der Erfassung von Wechselwirkungen zwischen Bauwerken, Systemen und Komponenten für auf das Gesamtsystem wirkende Erdbebeneinwirkungen unter Berücksichtigung des Einflusses zeitabhängiger Systemänderungen durch betriebs- oder alterungsbedingte Einflüsse. Durch systembezogene multidimensionale Fragilitätsanalysen soll die Möglichkeit geschaffen werden, vorhandene Sicherheitsmargen besser zu quantifizieren. Die methodischen Ansätze werden so entwickelt, dass eine Übertragbarkeit auf andere Anwendungsbereiche und Fragestellungen möglich ist, wodurch am Lehrstuhl eine enge Verzahnung mit bereits bestehenden Arbeitsbereichen erfolgen kann. Eine weitere Motivation im Rahmen des Projekts ist die Einbindung von Studierenden durch Bachelor- und Masterarbeiten für die geplanten prototypischen Anwendungen, die einen weiteren Baustein der Kompetenzweitergabe darstellen.

Entwicklung des internationalen und interdisziplinären Masterstudiengangs CONSTRUCT:

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung

Erdbeebeningenieurwesen Im Rahmen des Projects wird in enger bilateraler Zusammenarbeit zwischen der RWTH Aachen und der Universität Ss. Cyril and Methodius in Skopje das internationale und interdisziplinäre Masterprogramm „Structural Engineering and Risk Management of Industrial Facilities“ entwickelt. Das Masterprogramm bietet Ingenieuren mit Berufserfahrung die Möglichkeit, zusätzliche Kompetenzen für die komplexen Aufgaben im industriellen Anlagenbau zu erwerben. Hierbei greift das Masterstudium einen neuen methodischen Ansatz auf, da neben der fundierten Vermittlung der bautechnischen Grundlagen auch die im Anlagenbau wichtigen Schnittstellen zum Maschinenbau und zur Prozesstechnik besondere Berücksichtigung finden. Darüber hinaus werden die Grundlagen des Risikomanagements von Industrieanlagen behandelt, um die Ergebnisse technischer Untersuchungen in Bezug auf das Management des Anlagenbetriebs beurteilen zu können.Mit der interdisziplinären Verknüpfung verschiedener Fachrichtungen stehen die Studierenden vor einer hoch qualifizierten und erfolgreichen Tätigkeit im industriellen Anlagenbau. Besondere Bedeutung hat das Masterprogramm für Mazedonien, da auf Grund der wachsenden Industrialisierung Ingenieure mit den beschriebenen Schlüsselqualifikationen dringend benötigt werden. Es stehen aber aktuell keine geeigneten Masterprogramme zur Weiterqualifikation zur Verfügung. Die Umsetzung des Masterprogramms in der geplanten Projektdauer von zwei Jahren ist eine große Herausforderung für die Projektpartner und erfordert für die gesamte Projektführung bereits funktionierende Infrastrukturen. Aus diesem Grunde wird die Qualitätssicherung und Akkreditierung des Masterstudiengangs von der RWTH International Academy durchgeführt, deren Dienste von der RWTH Aachen als Eigenleistung eingebracht werden. Darüber hinaus ist in Mazedonien ein internationales Forschungsinstitut mit Anschluss an die Universität eingebunden, durch das sehr gute Kontakte zur Industrie zur Verfügung stehen.

Angepasste Approximationsräume und Mehrfeldfunktionale zur Eliminierung von Versteifungseffekten für isogeometrische Schalenelemente

DFG KL 1345/7-1

Numerische Strukturanalyse

Die Isogeometrische Analyse (IGA) ist eine neuartige, optimierte Methode um die Lücke zwischen den Design- und Analysemodellen zu überbrücken. Dies geschieht durch die Verwendung der gleichen, in graphischen Entwurfsprogrammen prävalenten, NURBS Basisfunktionen. Diese Funktionen eröffnen die Möglichkeit, Geometrien in jedem Vernetzungsgrad exakt abzubilden und bieten durch erhöhte Kontinuität besonders vorteilhafte Eigenschaften für stark gekrümmte Strukturen, wie sie in Schalenmodellierungen oft vorkommen.

Ein erheblicher Hemmfaktor bezüglich der Lösungsqualität in der Finiten Elemente Methode sind ungewollte Kopplungen zwischen einzelnen Verzerrungsanteilen, die zu unrealistisch steifen Systemantworten führen, sogenannte Lockingeffekte. Liegen für herkömmliche FE-Ansätze mit Funktionen niedriger Ordnung bewährte Verhinderungsmethoden vor, müssen für die IGA neue Lösungen gefunden werden.

Mit dem Ziel, Lockingeffekte erheblich zu reduzieren und effizientere und zuverlässigere Schalenformulierungen zu entwickeln, sollen deshalb die Implementierung von

  1. Rotationsinterpolationen,
  2. Gemischter Ansätze für Verformungen, Spannungen und Verzerrungen,
  3. sowie einer Schnittstelle für dreidimensionale Stoffgesetze

im Zuge des Projekts untersucht werden.

Boden-Bauwerk-Triebstrang Interaktion von Windenergieanlagen Baudynamik

Der ökonomische Anreiz zur Nutzung von Windenergie wird in hohem Maße von der Effizienz des Materialeinsatzes, der Zuverlässigkeit der Anlage sowie der Dauerfestigkeit der eingesetzten Strukturkomponenten bestimmt. Die sichere Auslegung der Windenergieanlage hängt dabei maßgeblich von der Kenntnis der Dynamik des Gesamtsystems als Folge der stark miteinander vernetzten und in Interaktion tretenden Strukturkomponenten Rotor, Antriebsstrang, Turmstruktur, Gründung und Boden ab. Der Trend zu immer weiter steigenden Leistungserträgen führt zu immer höheren und schlankeren Anlagen. Dadurch steigt auch der Einfluss der Interaktionseffekte auf die Strukturdynamik und die Tragwerkssicherheit. Es stellt sich insbesondere die Frage, welchen Einfluss die Elastizität und die Eigendynamik des Tragwerks auf die Beanspruchungen des Antriebsstranges haben. Ansatzpunkt ist die systematische Analyse von Kopplungseffekten zwischen Aerodynamik, Maschinendynamik und Bauwerksstruktur inklusive des Baugrundverhaltens im Rahmen einer gesamtdynamischen Modellierung. Alle Anlagenkomponenten stehen in einer dynamisch bedingten Interaktionsbeziehung zueinander. So hängen die dynamischen Eigenschaften einer WEA deutlich von der Wechselwirkung zwischen Boden und Bauwerk ab, der sogenannten Boden-Bauwerk Interaktion. Weiterhin ist die Strukturdynamik des Turmbauwerkes entscheidend für die dynamische Systemantwort und des aeroelastischen Verhaltens der Gesamtanlage. Die Aufdeckung der beschriebenen Interaktionseffekte soll dabei helfen, bestehende Simulationsmodelle der Mehrkörper-Simulation gezielt zu erweitern. Mit dem skizzierten integralen Ansatz wird ein wesentlicher Kenntnissprung in der Auslegung und Optimierung von Antriebssträngen und Tragwerkskomponenten zukünftiger noch leistungsfähigerer WEA erreicht.

DFG Transferprojekt „Seismische Risikobewertung von bestehenden Industrieanlagen“ (GZ ME 725/9-1)

Erdbebensicherheit von Industrieanlagen

Tankbauwerke

Industrieanlagen weisen im Erdbebenfall ein erhöhtes Schadensrisiko gegenüber üblichen Hochbauten auf, weil sie durch die komplexe Prozesstechnik eine hohe Wert- zusammenkunft darstellen und weil Schäden an der Tragstruktur oder den verfahrenstechnischen Kompo-nenten unter Umständen weiträumige Auswirkungen auf Mensch und Umwelt haben.

Im DFG-Transferprojekt ME 725/9-1 wurde u.a. eine Methodik zur Bewertung der seismischen Sicherheit bestehender Industrieanlagen entwickelt und in Zusammen-
arbeit mit einem mittelständischen Ingenieurbüro an zahlreichen Anlagen der chemischen Industrie angewendet. Darüber hinaus wurde ein anwenderfreundliches Bemessungskonzept zur Auslegung von Tankbauwerken entwickelt.

Projektseite der DFG

Intelligente Dämpfersysteme Maßnahmen zur Schwingungsreduktion

Das Ziel des von der Daimler und Benz Stiftung geförderten Forschungsprojekts ist die Entwicklung intelligenter Dämpfersysteme zur Schwingungsreduktion von Bauwerken. Die Dämpfersysteme sollen ihre dynamischen Eigenschaften an die realen Anforderungen des Bauwerks und der Belastungssituation autark anpassen können. Durch diese semiaktive Wirkungsweise wird eine höhere Dämpfungseffektivität gewährleistet. Die folgenden Lösungsansätze werden im Rahmen des Forschungsvorhabens untersucht:

  • Dämpfer aus Formgedächtnislegierungen (Shape Memory Alloy Damper – SMAD)
  • Piezoelektrischer Reibungsdämpfer (Piezoelectric Friction Damper – PFD)

Zur Realisierung der beiden Dämpfersysteme werden die bisher durchgeführten analytischen und numerischen Untersuchungen vertieft und die Dämpfersysteme experimentell analysiert.

Deutsch-Chinesisches Kooperationsprojekt „Complex Soil-Structure Interaction Issues“ Boden-Bauwerk-Interaktion

Das Projekt befasst sich mit dem Thema komplexer Boden-Bauwerks-Interaktion und Bauwerks-Boden-Bauwerks-Interaktion, einem Thema, das sowohl wissenschaftlich als auch in der praktischen Anwendung hochinteressant ist. Typische Anwendungsfelder betreffen die Erdbebensicherheit von Infrastrukturen und das Verhalten von Industrieanlagen bei Explosionslasten (z.B. infolge Explosion eines LNG Tanks), bei dem benachbarte Strukturen durch den Boden miteinander interagieren. In den vergangenen Jahrzehnten war ein signifikanter Fortschritt im Bereich verfeinerter numerischer Modelle erkennbar. Allerdings wurde bei der Beschreibung des Bodens zumeist ein homogener Halbraum angenommen, was zu unzverlälssigen Ergebnissen bei heterogenen Böden führen kann.

Deshalb wurde nun im Rahmen eines vom Chinesisch-Deutschen Zentrum für Wissenschaftsförderung geförderten Forschungsprojekt zwei Typen realistischer Bodenkonfigurationen untersucht: Geschichteter Boden wurde mit Hilfe der Precise Integration Method, kombiniert mit dem erweiterten Wittrick-Williams Algorithmus für die Lösung im Frequenz-Wellenzahlraum betrachtet. Im zweiten Fall wurden komplexe Bodenkonfigurationen durch Berücksichtigung von Nahfeld- und ausgewählten Fern-Feld Inhomogenitäten (z.B. variable E-Moduli als Funktion der Tiefe) untersucht. Desweiteren wurde die Scaled Boundary Element Method angewendet.

Projektbeseite der DFG

Internationale Konferenzen und Symposien Erdbebensicherheit von Industrieanlagen

Vom 26.-27. September 2013 richtete der Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik erstmalig die International Conference on Seismic Design of Industrial Facilities (SeDIF-Conference) aus. Zu dieser themenspezifischen Veranstaltungen kamen 140 Wissenschaftler, Ingenieure und Behördenvertreter aus 17 Ländern zusammen, um über die Herausforderungen bei der erdbebensicheren Auslegung von Industrieanlagen zu diskutieren. Die Tagung wurde als internationale wissenschaftliche Veranstaltung von der DFG unterstützt.

Konferenzwebseite der SeDIF-Conference

Im Anschluss an die SeDIF-Conference fand das ebenfalls vom LBB ausgerichtete Chinesisch-Deutsche Symposium zum Thema "Seismic Safety Assessment and Disaster Mitigation of Industrial Facilities" in Aachen statt, bei dem 40 Experten aus Deutschland, China und Australien innovative Forschungsansätze vorstellten und gemeinsame internationale Kooperationsprojekte initiierten. Das Symposium wurde vom Chinesisch-Deutschen Zentrum für Wissenschaftsförderung unterstützt.

Adaptive Schwingungsdämpfung von Bauwerken mit Intelligenten Semiaktiven Flüssigkeitsdämpfern Maßnahmen zur Schwingungsreduktion

Die wachsenden Möglichkeiten intelligenter Regelungssysteme werden in den nächsten Jahren die bauliche Auslegung von Bauwerken grundlegend revolutionieren und zu neuen, über das traditionelle Bauwesen hinausgehenden, zukunftsweisenden Forschungsgebieten führen. Eines dieser Gebiete wird die intelligente aktive Schwingungsdämpfung von Bauwerken sein, um die steigenden Anforderungen moderner Bauwerke an Komfort, Wirtschaftlichkeit, Robustheit und Architektur erfüllen zu können.

Mit diesem durch Mittel der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder geförderten Forschungsprojekt wird die Grundlage geschaffen, dieses neue Forschungsgebiet für weitere Grundlagenforschung zu erschließen. Dazu erfolgt in dem Forschungsprojekt in interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen Lehrstuhl für Baustatik und Baudynamik und dem Institut für Regelungstechnik der RWTH Aachen University die prototypische Entwicklung eines aktiven Regelungssystems für semiaktive Flüssigkeitsdämpfer. Das semiaktive Flüssigkeitsdämpfersystem besitzt gegenüber den konventionellen passiven Systemen erhebliche wirtschaftliche und technische Vorteile und weist großes Entwicklungspotential auf.

MINEA-R Software zum Erdbeben-nachweis von Mauerwerksbauten Mauerwerk

Mit der Software MINEA-R können Sie als Tragwerksplaner die Standsicherheitsnachweise von Mauerwerksbauten und Mauerwerksbauten in Mischbauweise unter Vertikallasten und Horizontallasten aus Erdbeben und Wind schnell und effektiv durchführen. Die Berechnung erfolgt in MINEA-R, je nach Anforderungen des konkreten Objektes, anhand einer zwei- oder dreidimensionale Modellierung des Tragwerks.

Zudem wurde in dem Programm MINEA-R ein nichtlineares statisches Nachweisverfahren nach DIN EN 1998 umgesetzt. Mit dem Verfahren können Mauerwerksbauten unter seismischer Beanspruchung unter Ausnutzung ihrer nichtlinearen verformungseigenschaften nachgewiesen werden.

Weitere Informationen zu dem Projekt finden Sie unter www.minea-design.com

VCI-Leitfaden „Der Lastfall Erdbeben im Anlagenbau“ Erdbebensicherheit von Industrieanlagen

Die in Deutschland gültigen Normen zur erdbebensicheren Auslegung von Bauwerken schließen ausdrücklich Bauwerke mit erhöhtem Gefahrenpotential für Mensch und Umwelt aus ihrem Anwendungsbereich aus. Nichtsdestotrotz müssen u.a. Betreiber von Störfallbetrieben sicherstellen, dass ihre Anlagen umgebungsbedingten Gefahren widerstehen. Dazu gehört auch der Lastfall Erdbeben.

In Zusammenarbeit mit dem Verband der Chemischen Industrie (VCI) wurde 2009 erstmalig ein Leitfaden mit zugehörigen Erläuterungen erstellt, der Anlagenbetreibern und –planern Handlungsanweisungen für Entwurf, Bemessung und Konstruktion von Anlagen der Chemischen Industrie oder verwandter Industrien nach dem Stand der Technik an die Hand gibt.

Im Zuge der Harmonisierung technischer Regelwerke in Europa wird die bislang gültige DIN 4149:2005 durch die DIN EN 1998-1 ersetzt und durch weitere Teile der DIN EN 1998 (Eurocode 8) ergänzt. Daraufhin wurden der VCI-Leitfaden und die Erläuterungen angepasst, inhaltlich erweitert und 2012 neu aufgelegt.

Download des VCI-Leitfadens und der Erläuterungen
Multidimensionale Fragilitätsanalyse Probabilistische seismische Sicherheitsanalysen

Bei der probabilistischen Sicherheitsanalyse für Kernkraftwerke und Industrieanlagen mit hohem Gefährdungspotential müssen auch die gegenseitigen Abhängigkeiten einzelner Systemkomponenten berücksichtigt werden, um die Versagenswahrscheinlichkeit des gesamten sicherheitsrelevanten Systems bestimmen zu können. Bei der bisher üblichen Fehlerbaumanalyse können Interaktionen zwischen den Versagenswahrschein-lichkeiten einzelner Systemkomponenten kaum berück-sichtigt werden.

Im Rahmen dieses Projekts für ein europäisches Energieversorgungsunternehmen wurde ein Verfahren entwickelt, um die Versagenswahrscheinlichkeit zusammenhängender Systeme unter Berücksichtigung gegenseitiger struktureller und funktionaler Abhängigkeiten zu bestimmen und in einer systembezogenen Fragilitätskurve darzustellen.

Siemens / DAAD Boden-Bauwerk-Interaktion

Die Auswertung der Greenschen Funktion stellt einen wesentlichen Baustein der angewandten Mechanik und der Beschreibung von Boden-Bauwerks-Interaktionen dar, da mit diesen Funktionen die dynamischen Eigenschaften eines Mediums am besten beschrieben werden können.

Im Rahmen eines vom DAAD und der Siemens-Stiftung unterstützten Forschungsprojekt wurde ein effizienter Ansatz entwickelt, um die Greenschen Funktoinen für einen mehrfach geschichteten Halbraum auszuwerten. Folgende Randbedingungen und Ziele wurden dabei berücksichtigt: (1) Um den besonderen Gegebenheiten im Bereich der Seismologie und des Erdbebeningenieurwesens gerecht zu werden, muss ein breites Frequenzband abgedeckt werden, (2) beliebig geschichtete Medien sollen abgebildet werden können, (3) das Verfahren muss sowohl für geringe als auch für große Schichtdicken zuverlässig funktionieren, (4) die Antwort an verschiedenen Punkten muss gleichzeitig ermittelt werden können, und (5) die Methode soll auch für anisotrope Medien gültig sein. Zur Lösung des Problems wurden sowol die Thin Layer Method als auch die Precise Integration Method einbezogen.

Baudynamische Untersuchung des Aachener Doms Vulnerabilitätsanalyse Der Aachener Dom war 1978 das erste deutsche Bauwerk, das in die UNESCO-Liste der Weltkulturdenkmäler aufgenommen wurde. Er ist ein historisches Gebäude von universaler Bedeutung und eines der größten Beispiele religiöser Architektur. Mit dem Bau des Doms wurde etwa 800 n. Chr. begonnen. Nach mehr als 1200 Jahren permanenter Nutzung zeigte das statische System des Doms beträchtliche Schäden am Mauerwerk, dem mittelalterlichen Ankersystem, der Dachkonstruktion, den Gewölben und den Stützen. Auf Grund der Lage des Dom in einer seismisch aktiven Region war die Untersuchung der seismischen Vulnerabilität notwendig. Die Berechnungen wurden durch Messungen der Eigenfrequenzen verifiziert. Die numerischen Simulationen mit einem detaillierten Finite-Elemente-Modell des Doms wurden sowohl mit dem Antwortspektrenverfahren als auch dem Zeitverlaufsverfahren durchgeführt.