TY - THES A1 - Popiela, Bartosz T1 - Einfluss fertigungsbedingter Eigenspannungen auf die Betriebssicherheit von nassgewickelten Composite-Druckbehältern mit einem nichttragenden Liner N2 - Im Hinblick auf die globale Herausforderung der Energietransformation steigt der Bedarf an Möglichkeiten zur Energiespeicherung. Eine Technologie, die zunehmend in den Fokus rückt, ist die Energiespeicherung mittels komprimiertem Wasserstoffgas. Insbesondere für mobile und Transport-Anwendungen ist eine geringe Masse des Speichers vorteilhaft, weshalb vollumwickelte Composite-Druckbehälter des Typs 4 zum Einsatz kommen. Diese werden überwiegend im Nasswickelverfahren gefertigt, das durch zahlreiche Prozessparameter und physikalische Effekte charakterisiert wird. Die Wahl der Wickelprozessparameter sowie Schwankungen der Materialkennwerte beeinflussen den Eigenspannungszustand in der Composite-Struktur eines Druckbehälters. Somit wirken sie sich auch auf den Spannungszustand im Betrieb aus. Die vorliegende Dissertation beinhaltet Untersuchungen des Einflusses von fertigungsbedingten Eigenspannungen auf die Sicherheit von Composite-Druckbehältern mit nichttragendem Kunststoff-Liner. Ziel ist es, das mechanische Verhalten von Composite-Druckbehältern besser zu verstehen und deren Sicherheitsniveau sowie Konkurrenzfähigkeit weiter zu steigern. Schwerpunkte der Arbeit sind experimentelle Untersuchungen der Eigenspannungsentstehung und -entwicklung sowie deren Einfluss auf die Behälter-Sicherheit. Im Fokus befindet sich die Exploration von Möglichkeiten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Behälter durch Variation der Fertigungsparameter und eine Konditionierung nach der Fertigung. Der Eigenspannungszustand wird in numerischen Simulationen sowie mit dem zerstörenden Bohrlochverfahren charakterisiert. Die Überwachung der Spannungsumlagerung während einer Konditionierung unter Zeitstandbelastung erfolgt mit eingebetteten faseroptischen Sensoren, die später zur Dehnungsmessung in zerstörenden, langsamen Berstprüfungen eingesetzt werden. Zur Vertiefung des Verständnisses des Versagensverhaltens der verwendeten 6,8 l-Druckbehälter wird die Finite-Elemente-Methode eingesetzt. Darüber hinaus werden Qualitätsuntersuchungen der Composite-Struktur mittels Mikro-Computertomographie und Impuls-Echo-Verfahren beschrieben. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass eine Steigerung der Zuverlässigkeit durch eine gezielte Innendruckbeanspruchung der gewickelten Behälter nahezu kostenneutral möglich ist. Dies wird im Rahmen der Arbeit anhand eines Baumusters demonstriert. Darüber hinaus wird die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Behälter im Rahmen einer Konditionierung unter Zeitstandbelastung vertieft diskutiert. Diese stellt eine weiterführende Möglichkeit dar, das Behälterverhalten positiv zu beeinflussen und das Sicherheitsniveau zu steigern. N2 - Considering the global challenge of energy transformation, the demand for energy storage solutions is increasing. One of the technologies, which is gaining attention, is the storage of hydrogen gas under high operating pressures. Particularly for on-board and transport applications, lightweight storage systems are advantageous. Therefore, fully wrapped composite pressure vessels of Type 4 are increasingly used. These are mostly manufactured using the wet filament winding process, which is characterized by numerous process parameters and physical effects. The choice of winding process parameters and variations in material properties influence the residual stress state in the finished component and thus also the stress state under operational loads. This dissertation includes insights into the impact of manufacturing-induced residual stresses on the safety of Type 4 pressure vessels, which contribute to a deeper understanding of the mechanical behavior of composite pressure vessels and support the further enhancement of safety levels and competitiveness. The work focuses on experimental investigations of the induction and development of residual stresses and their impact on the safety of the composite pressure vessels. A core of the dissertation is an exploration of the possibilities to improve pressure vessel performance through variation of manufacturing parameters and conditioning after manufacturing. The residual stress state is characterized in numerical simulations as well as with the destructive hole-drilling method. Embedded fiber optic sensors are used for the monitoring of stress redistribution during conditioning. The fiber optic sensors are later used for strain measurement in destructive, slow burst tests. Finite element analyses are performed to deepen the understanding of the failure behavior of the used 6.8-liter pressure vessels. Additionally, quality investigations of the composite structure using micro-computed tomography and impulse-echo ultrasonic propagation imaging are described. The results of the investigations show that an increase in performance is possible through targeted internal pressure regulation during the winding process pressure vessels. This is demonstrated almost cost-neutrally, i.e., without increasing process time and material usage. Furthermore, the improvement of vessel performance through conditioning under increased pressure and temperature is discussed in depth. This represents a further possibility to favorably influence vessel behavior and enhance safety levels. KW - Composite KW - Druckbehälter KW - Eigenspannung KW - Faserverstärkter Kunststoff KW - Nasswickelverfahren PY - 2026 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-72383 DO - https://doi.org/10.26127/BTUOpen-7238 SP - 1 EP - 153 CY - Cottbus, Deutschland AN - OPUS4-65348 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Scharff, Erik T1 - Untersuchungen zur Ausbreitung brennbarer Schwergase in längsdurchströmten Straßentunneln N2 - In combination with new types of drive technologies, more and more flammable gases could be introduced into the traffic area “road tunnel” in future. If these vehicles have an accident and the gases are subsequently released, there is the possibility that the mentioned substances show a heavy gas behavior due to their storage conditions. From a safety point of view, this scenario has to be assessed with regard to its effects on the tunnel structure and the people involved. The aim of the experimental investigations carried out in this work is to create the basis for such an analysis by investigating the spreading behavior of the gases after they have been released in the tunnel and determining the influence of individual geometric and operational parameters on this behavior. Specifically, this work is based on the scenario of a continuous, momentum-free release of propane within a vaulted road tunnel with active longitudinal ventilation. The tunnel-specific boundary conditions that are relevant to this scenario are first worked out by a theoretical analysis. The basis of the subsequent experimental part is formed by two test rigs built as part of the work, which are similar in their essential features, but differ in scale. In both facilities, the aforementioned release scenario was simulated under various boundary conditions based on an idealized tunnel segment. The dispersion behavior is primarily assessed by the averaged concentration distribution near the ground, which results from a large number of detectors arranged in the experimental area. The detectors operate on the principle of weakening infrared light in the presence of hydrocarbons. Measurements of the flow field properties accompany the concentration measurements. The conception of the test rig on a scale of 1:12 is based on dimensional analysis. The actual release campaign comprises a large number of individual experiments in which selected parameters were varied over the tunnel-relevant range. The predicted heavy gas behavior for propane emerged clearly in the experiments. In cases in which the cloud laterally reaches the tunnel walls, the gases are channeled, which is accompanied by reduced longitudinal dilution. It was possible to identify the release rate and the flow velocity as the factors that have the greatest influence. The former basically increased the concentration, while the latter decreased it. All other tested parameters resulted in more complex propagation situations, which force a differentiated consideration of the influence. Lifting the source from the ground also reduced the concentration. In the case of an eccentrically arranged source and a transverse slope of the roadway, the influence is largely limited to the lateral concentration distribution in the immediate vicinity of the source. Nevertheless, both parameters plus a possible longitudinal slope of the roadway only showed a slight effect on the area far-downstream from the source. In addition, the phenomenon of backlayering, which is known from the spreading of fire smoke in the tunnel, could be demonstrated with a steep longitudinal slope. Obstacles increased the complexity of the situation. While globally the dilution of the cloud is partly invariant to obstacles, locally an increase as well as a decrease in concentration can be observed under certain conditions. For the unobstructed tunnel, it was finally possible to define a dimensionless parameter that describes the curve of the longitudinal dilution on the ground within the heavy gas cloud. From this, a simple graphical nomogram is derived for the continuous release of heavy gases in an unobstructed tunnel environment, which can be used to estimate the concentration in relation of a dimensionless source distance. For exploring the real, undistorted behavior experiments were also carried out in original scale. Due to the similarity of both test rigs in terms of scale, the test results can also be used to check the scalability of the spreading situations. For that, two configurations that have already been examined in small scale were selected. The main limitation for test execution and regarding the scalability comparison was the dependence of the flow conditions within the test rig from external wind conditions which occurred despite of taken countermeasures. The large-scale release was associated with pronounced fog formation. The near-ground spreading corresponding to the heavy gas behavior could be confirmed. However, in detail the spread was far more unsteady. Looking at the time-averaged concentrations, the processes already known from the small-scale test were qualitatively well approximated. Remaining quantitative differences, however, require critical consideration. This discrepancy is more likely a consequence of the experimental compromises have to be made in the specific case. From the observed gas behavior, the development of a surface fire initiated by ignition of the re-leased gases is considered to be the most likely subsequent scenario for the release of heavy, flam-mable gases in tunnel-like enclosures. The thesis concludes with recommendations on the methodological approach to be favored in the future. KW - LNG KW - Schwergas KW - Stoffausbreitung KW - Propan PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-1206411 DO - https://doi.org/10.25673/118683 VL - 2025 SP - 1 EP - 225 PB - Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik CY - Magdeburg AN - OPUS4-65012 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Wiehle, Philipp T1 - Einfluss der Feuchtigkeit auf das Tragverhalten von Lehmmauerwerk N2 - Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht der Einfluss der Feuchte auf die mechanischen Eigenschaften von Lehmmauerwerk. Der Wissensstand zum feuchteabhängigen Tragverhalten von Lehm(mauerwerk) ist bisher lückenhaft, sodass keine explizite Berücksichtigung der Bauteilfeuchte bei der Bemessung tragender Konstruktionen erfolgt. Aktuelle und verlässliche Daten zum Einfluss der Feuchte auf die mechanischen Kenngrößen moderner Lehmbaustoffe fehlen bisher ebenso wie Messwerte in Bezug auf die Bauteilfeuchte unter natürlichen Klimabedingungen. Deswegen wurden im Rahmen dieser Arbeit umfangreiche Untersuchungen zum mechanischen und hygrothermischen Verhalten von Lehmmauerwerk durchgeführt. Die experimentellen Untersuchungen bestehen im Wesentlichen aus Druckversuchen an Lehmsteinen, -mörteln, kleinformatigen Lehmmauerwerksprobekörpern und geschosshohen Lehmmauerwerkswänden. Um das Feuchteverhalten beschreiben zu können, fanden außerdem erstmalig magnetresonanzspektroskopische Messungen an Lehmsteinen statt und es wurden die tatsächlich auftretenden Feuchtegehalte an einer Lehmmauerwerkswand unter natürlichen Klimabedingungen in Form von Langezeitmessungen ermittelt. Es konnte festgestellt werden, dass ein linearer Zusammenhang zwischen Druckfestigkeit und relativer Luftfeuchte besteht, wobei sich die Druckfestigkeit umgekehrt proportional zur relativen Luftfeuchte verhält. Je Prozent Steigerung der relativen Luftfeuchte kommt es zur Abnahme von einem Prozent der Druckfestigkeit. Gleiches gilt für das Elastizitätsmodul. Weiterhin konnte auf Basis der feuchtetechnischen Untersuchungen ein numerisches Modell zur Berechnung des instationären hygrothermischen Verhaltens für Lehmbaustoffe kalibriert werden. Anhand dieses Modells gelang es die bemessungsrelevanten Feuchtegehalte unter Berücksichtigung des instationären hygrothermischen Verhaltens realitätsnah zu berechnen. Die maximalen Feuchtegehalte im Lehmmauerwerk konnten somit in Form einer Parameterstudie in Abhängigkeit des Anwendungsfalls ermittelt werden, wodurch eine explizite Berücksichtigung des Feuchtegehaltes bei der Bemessung ermöglicht wurde. Die Verknüpfung der Erkenntnisse aus den mechanischen und hygrothermischen Untersuchungen dieser Arbeit bildet die Grundlage für das Bemessungskonzept der im Juni 2023 veröffentlichten DIN 18940: Tagendes Lehmsteinmauerwerk. KW - NMR KW - Lehm KW - Mauerwerk KW - Druckfestigkeit KW - Feuchtigkeit PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-637794 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-20800 SP - 1 EP - 114 CY - Berlin AN - OPUS4-63779 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Ebell, Gino T1 - Zur Deckschichtbildung an feuerverzinkten Betonstählen in chloridhaltigen Mörteln N2 - In der vorliegenden Dissertation wurde das Korrosionssystem verzinkter Stahl in alkalischen, zementbasierten Feststoffelektrolyten untersucht. Dabei kamen drei Zementarten mit je vier Chloridgehalten zur Anwendung. Neben dem Korrosionssystem lag das Augenmerk ebenso auf einer adäquaten Beschreibung der Elektrolyteigenschaften. Hierzu wurde die Masseänderung, die Änderung des elektrischen Mörtelwiderstandes und des IR-Drop über die Zeit sowie die Porosität und die Porenwasserzusammensetzung, um nur einige Kenngrößen zu nennen, untersucht. Das Hauptaugenmerk ruht jedoch auf der Beschreibung des Korrosionssystems verzinkter Stahl in Mörtel. Dazu wurden die gebildeten Deckschichten und deren Einfluss auf den Korrosionsfortschritt in Abhängigkeit von der Zementart und des Chloridgehaltes sowie die daraus resultierenden elektrochemischen Kennwerte bestimmt. Die aus den Untersuchungen hervorgehenden Ergebnisse ermöglichen es, die Korrosionssysteme in Abhängigkeit vom Chloridgehalt oder von geometrischen Inhomogenitäten, im Phasengrenzbereich Mörtel/verzinkter Stahl zu differenzieren. Dabei konnte unabhängig von den verwendeten Zementen eine Klassifizierung der Korrosionssysteme über den Phasenwinkel 0,1 Hz erfolgen. Klassifiziert wurden durchtrittskontrollierte und diffusionskontrollierte Korrosionssysteme, Mischsysteme, Übergangssysteme und Korrosionssysteme mit Spaltgeometrie. Für diese Korrosionssysteme konnte festgestellt werden, welche Deckschichten maßgebenden Einfluss auf die Ausbildung eines durchtrittskontrollierten Korrosionssystem haben. Dazu gehören das bereits bekannte Simonkolleit und eine Deckschichtvariante, die bisher noch nicht in der Literatur als Deckschicht an verzinktem Betonstahl in Mörtel oder Beton beschrieben wurde. Für die Mischsysteme erfolgte eine Darstellung der anteiligen Bedeckung mit Simonkolleit, um den Übergang zu einem durchtrittskontrollierten Korrosionssystemen zu beschreiben. Neben der Klassifizierung der Korrosionssysteme kann über die Bestimmung des Phasenwinkels bei 0,1 Hz jedem Korrosionssystem nun auch ein spezifischer B-Wert zugewiesen werden. In Kombination mit der für diese Korrosionssysteme angepassten LPR-Messungen zur Bestimmung des Polarisationswiderstandes können Korrosionsraten ohne signifikante Beeinflussung des Korrosionssystems bestimmt werden. KW - Korrosion KW - Feuerverzinken KW - Betonstahl PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-631696 DO - https://doi.org/10.26204/KLUEDO/7427 SP - 1 EP - 166 PB - RPTU CY - Kaiserslautern AN - OPUS4-63169 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Quackatz, Lukas T1 - In situ Untersuchung der Phasenverteilung und der Schmelzbaderstarrung von Duplexstählen mittels laserinduzierter Plasmaspektroskopie (LIBS) N2 - Nichtrostende Duplexstähle (DSS) werden in allen Branchen eingesetzt, bei denen eine hohe Festigkeit in Verbindung mit einer hohen Korrosionsbeständigkeit in aggressiven Medien ge-fordert wird. Beispiele hierfür sind Kraftwerkskomponenten und maritime Strukturen. DSS ha-ben ein ausgewogenes Phasenverhältnis von Ferrit (α) und Austenit (γ). Im Gegensatz zu einphasigen nichtrostenden Stählen vereinen DSS die Vorteile dieser beiden Phasen und kön-nen daher viele Anforderungen der Industrie erfüllen, wie z. B. Gewichtseinsparung oder hohe mechanische Festigkeit. In vielen industriellen Anwendungen werden diese Stähle ge-schweißt. Die Schweißbarkeit wird weitgehend durch die chemische Zusammensetzung be-stimmt. Legierungen mit ferritischer oder ferritisch-austenitischer Erstarrung weisen die höchste Widerstandsfähigkeit gegen Heißrissbildung auf. Das resultierende Phasengleichge-wicht beeinflusst die endgültigen Eigenschaften des Bauteils. Daher kann es von Vorteil sein, den Ferritgehalt des Schweißguts vorherzusehen bzw. zu messen. Das neueste und präzi-seste Gefügediagramm ist das WRC-1992 Diagramm und basiert auf der chemischen Zusam-mensetzung der Grund- und Zusatzwerkstoffe. In diesem Diagramm kann vor dem Schweiß-prozess abgeschätzt werden, welche Volumenanteile von Ferrit und Austenit im resultierenden Schweißgut vorliegen werden. Genutzt wird es bei der schweißtechnischen Verarbeitung von nichtrostenden, austenitischen bzw. Duplex-Stählen. Verschiedene Quellen berichten, dass diverse Legierungselemente nicht berücksichtigt werden und Optimierungen nötig sind. Wei-terhin können Legierungselemente während des Schweißens abdampfen, was die Mikrostruk-tur zum Negativen beeinflusst. Diese Arbeit eruiert zunächst die theoretischen Grundlagen zur laserinduzierten Plasmaspekt-roskopie (LIBS, engl.: laser induced breakdown spectroscopy), die zur in situ Messung chemi-scher Konzentrationen während des Schweißens genutzt werden soll. Weiterhin werden die Grundlagen zur Erstarrung und zur Schweißbarkeit von DSS aufgezeigt. Mithilfe verschiede-ner Kalibriermodelle werden quantitative Messungen mittels LIBS ermöglicht. Um die Ergeb-nisse der LIBS-Analysen zu validieren, wurden Schweißproben angefertigt und LIBS-Messun-gen mit konventionellen Messmethoden, wie die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) verglichen. Folglich wurden dann in situ LIBS-Versuche, während des Wolfram-Inertgas-Schweißens (WIG), mit und ohne Schweißzusatz-werkstoff durchgeführt. Hierbei konnten die chemischen Konzentrationen in der Schweißnaht mittels LIBS mit der gleichen Genauigkeit wie die konventionellen Verfahren gemessen wer-den. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist es, die Gültigkeit und Vorhersagegenauigkeit des WRC-1992 Diagramms zu überprüfen. Hierfür wurde der Schweißzusatzwerkstoff mittels PVD-Be-schichtung mit den Legierungselementen Kohlenstoff, Nickel, Mangan, Silizium, Niob und Kup-fer beschichtet. Diese Elemente nehmen maßgeblich Einfluss auf das Phasengleichgewicht Austenit/Ferrit im Schweißgut der Duplexstähle, da sie entweder Ferrit- bzw. Austenitstabilisa-toren sind. Die Messung der ferritischen und austenitischen Phasenanteile im resultierenden Schweißgut wurde mit drei verschiedenen Methoden vergleichend durchgeführt. Mithilfe der Bildanalyse im Lichtmikroskop, einem Fischerscope® sowie der Röntgendiffraktion (XRD). Da-mit sollte auch geprüft werden, inwieweit die Verwendung der jeweiligen Messmethode die Aussagekraft des WRC-1992 Diagramms beeinflusst. Die Vorhersage anhand des WRC-1992 Diagramms war für Nickel, Silizium und Mangan akzeptabel, jedoch bei Niob, Kupfer und Koh-lenstoff waren deutliche Abweichungen zu beobachten. Anpassungen im WRC-1992 Dia-gramm sollten daher für die Elemente Niob, Kupfer und Kohlenstoff vorgenommen werden. Die geringste Genauigkeit und die größte Streuung wurden mit dem XRD-Verfahren erzielt. Daher kann dieses Verfahren für Ferritmessungen an Schweißnähten von Duplexstählen nicht empfohlen werden. KW - LIBS KW - Duplexstahl KW - Vorhersage Phasenanteile PY - 2025 SP - 1 EP - 118 AN - OPUS4-62622 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Keller, Christian T1 - Beitrag zur numerischen Beanspruchungsanalyse an dünnwandigen Stahlblechcontainern im Fallversuch - Schädigungsmechanische Materialmodellierung duktiler Werkstoffe unter Berücksichtigung der Dehnratenabhängigkeit der plastischen Instabilität N2 - Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Bereitstellung expliziter numerischer Simulationen von Fallversuchen mit dünnwandigen Stahlblechcontainern, die als Endlagerbehälter für radioaktive Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung, d. h. schwach- und mittelradioaktive Abfälle, für die Verbringung in das Endlager Konrad vorgesehen sind. Die Betrachtung von potentiellen Absturzszenarien ist ein grundlegender und zentraler Bestandteil der Sicherheitsnachweise zur Auslegung der verschiedenen endlagergängigen Behälter- und Containertypen gegen mechanische Störfallbelastungen. Für dünnwandige Stahlblechcontainer existierten bislang keine sicherheitstechnischen Untersuchungen, die auf numerischen Bewertungsmethoden basieren und eine Bewertung der vorhandenen Sicherheitsreserven hinsichtlich der mechanischen Integrität ermöglichen. Daraus resultierte die Motivation, ein verifiziertes Finite-Elemente-Modell eines repräsentativen Referenzcontainers zu entwickeln, das das dynamische Verformungs- sowie duktile Schädigungs- und Versagensverhalten in numerischen Simulationen von dynamischen Lastfällen physikalisch mit der erforderlichen Güte beschreibt. Duktile Schädigungs- und Versagensvorgänge metallischer Werkstoffe gehen grundsätzlich mit großen plastischen Dehnungen einher und führen somit unweigerlich zu der Notwendigkeit der Diskussion von plastischer Instabilität und damit verknüpften Lokalisierungseffekten, die einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung des lokalen Beanspruchungszustands haben. Für die schädigungsmechanische Materialmodellierung folgt hieraus das grundsätzliche Erfordernis der korrekten Berücksichtigung des Instabilitätsbeginns, der in der Regel dehnratenunabhängig angenommen wird. Für dynamische Randbedingungen ist der werkstoffspezifische Einfluss der Dehnrate auf das Einsetzen der Lokalisierung jedoch nicht uneingeschränkt vernachlässigbar, so dass im Rahmen dieser Arbeit ein theoretischer Ansatz ausgearbeitet wird, der die plastische Instabilität dehnratenabhängiger Werkstoffe anhand des zeit- und ortsabhängigen Dehnungsgradienten im einachsigen Zugversuch diskutiert. Darüber hinaus ist für eine hinreichend genaue Materialmodellierung neben der korrekten Prognose des Instabilitätsbeginns auch die korrekte Beschreibung des Verformungsverhaltens jenseits der Gleichmaßdehnung notwendig. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit eine konstitutive Beziehung entwickelt, die sowohl unter Berücksichtigung der plastischen Instabilität als auch unter der Beachtung von ver- sowie entfestigenden Einflussfaktoren der dynamischen Plastizität formuliert werden kann. Insgesamt wird eine praxistaugliche Bewertungsmethode der mechanischen Integrität dünnwandiger Stahlblechcontainer unter Störfallbedingungen auf Basis expliziter dynamischer Simulationen erarbeitet, die die komplexen duktilen Schädigungs- und Versagensmechanismen dehnratenabhängiger Werkstoffe berücksichtigt. Mit der zur Simulation von Fallversuchen entwickelten numerischen Modellbildung und den zur Verifizierung entsprechend mit Testcontainern im Originalmaßstab durchgeführten Fallversuchen wird nachgewiesen, dass anhand des Finite-Elemente-Modells eines repräsentativen Referenzcontainers zum einen eine quantitativ belegte Bestimmung ungünstiger Fallorientierungen hinsichtlich maximaler Verformungen und zum anderen eine realistische Abbildung des duktilen Versagensverhaltens ermöglicht wird. Damit können tatsächlich vorhandene Sicherheitsreserven bei potentiell zu unterstellenden Behälterabstürzen quantitativ aufgezeigt und zukünftig eine verbesserte sicherheitstechnische Beurteilung von Stahlblechcontainern im Fallversuch bereitgestellt werden. Damit leistet die vorliegende Arbeit einen wichtigen Beitrag für die Bewertung von Sicherheitsnachweisen von Endlagerbehältern für radioaktive Abfälle und trägt dazu bei, den langfristigen Schutz von Mensch und Umwelt vor Schäden durch radioaktive Stoffe zu gewährleisten. N2 - The subject of the present work is the provision of explicit numerical simulations of drop tests with thin-walled sheet steel containers, which are intended as repository containers for radioactive waste with negligible heat generation, i.e. low and intermediate level waste, for shipment to the Konrad repository. The consideration of potential crash scenarios is a fundamental and central component of the safety analyses for the design of the various types of casks and containers suitable for final disposal against mechanical accident loads. For thin-walled sheet steel containers, no safety investigations based on numerical assessment methods existed so far that would allow an evaluation of the existing safety reserves with regard to mechanical integrity. This resulted in the motivation to develop a verified finite element model of a representative reference container that physically describes the dynamic deformation and ductile damage and failure behaviour in numerical simulations of dynamic load cases with the required quality. Ductile damage and failure processes of metallic materials are fundamentally accompanied by large plastic strains and thus inevitably lead to the need to discuss plastic instability and associated localisation effects, which have a significant influence on the development of the local stress state. For damage-mechanical material modelling this results in the fundamental requirement of correctly considering the onset of instability, which is usually assumed to be strain-rate independent. For dynamic boundary conditions, however, the material-specific influence of the strain rate on the onset of localisation cannot be neglected without restriction, so that a theoretical approach is elaborated within the scope of this work that discusses the plastic instability of strain-rate-dependent materials on the basis of the time- and location-dependent strain gradient in the uniaxial tensile test. Furthermore, for a sufficiently accurate material modelling, besides the correct prediction of the onset of instability, the correct description of the deformation behaviour in the postcritical region, i.e., beyond the uniform strain, is necessary. For this purpose, a constitutive relationship is developed in this work, which can be formulated both under consideration of the plastic instability as well as under consideration of hardening as well as softening influencing factors of the dynamic plasticity. Overall, a practical assessment method of the mechanical integrity of thin-walled sheet steel containers under accident conditions is developed based on explicit dynamic simulations, which takes into account the complex ductile damage and failure mechanisms of strain rate-dependent materials. With the numerical modelling developed for the simulation of drop tests and the drop tests carried out accordingly with full-scale test containers for verification, it is demonstrated that, on the basis of the finite element model of a representative reference container, on the one hand a quantitatively proven determination of unfavourable drop orientations with regard to maximum deformations and, on the other hand, a realistic representation of the ductile failure behaviour is made possible. This allows it to quantitatively demonstrate actually existing safety reserves in case of potential container crashes and to provide an improved safety assessment of sheet steel containers in drop tests in the future. This work thus makes an important contribution to the evaluation of safety verifications of final storage containers for radioactive waste and helps to ensure the long-term protection of humans and the environment from damage caused by radioactive substances. KW - FEM KW - Dynamische Plastizität KW - Plastische Instabilität KW - Duktile Schädigung KW - Endlager Konrad PY - 2024 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-21874 SP - 1 EP - 188 PB - DepositOnce CY - Berlin AN - OPUS4-61581 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Han, Ying T1 - Hochtemperaturermüdung der Aluminiumlegierung EN AW-2618A N2 - Abgasturbolader tragen wesentlich zur Effizienzsteigerung moderner Verbrennungsmotoren bei. Die im Abgasturbolader eingesetzten Radialverdichterräder werden überwiegend aus der warmfesten ausscheidungsgehärteten Aluminiumlegierung EN AW-2618A hergestellt. Die Anforderungen an die Radialverdichterräder steigen und die Betriebszeiten verlängern sich. Für eine optimale Auslegung des Bauteils ist unter anderem die Kenntnis des Ermüdungsverhaltens dieser Legierung erforderlich. Es ist bekannt, dass sich die Mikrostruktur dieser Legierung während des Betriebs vergröbert und dadurch die Festigkeit abnimmt. Das niederzyklische Ermüdungsverhalten für den Ausgangszustand des Werkstoffs und Prüftemperaturen bis 190 °C ist bereits gut untersucht. Für das hochzyklische Ermüdungsverhalten, insbesondere für Prüftemperaturen über 190 °C, liegen jedoch nur wenige Ergebnisse vor. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, die Datenbasis hinsichtlich der hochzyklischen Ermüdungslebensdauer bei erhöhten Prüftemperatur zu vervollständigen und das Werkstoffverhalten sowie die Schädigungsmechanismen zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurden axiale Ermüdungsversuche an glatten Proben durchgeführt. Neben dem T61-Ausgangszustand für eine Basischarakterisierung wurden zwei überalterte Zustände, jeweils bei 230 °C für 10 h und 1000 h ausgelagert und anschließend geprüft, um den Einfluss der Überalterung auf die Ermüdungslebensdauer zu erfassen. Die Auslagerungstemperatur von 230 °C der überalterten Zustände liegt deutlich über der Aushärtungstemperatur von 195 °C des T61-Zustands, was zu Veränderungen der optimal eingestellten Mikrostruktur führt, die sich wiederum in den mechanischen Eigenschaften widerspiegeln. Mit der Überalterungszeit von 10 h wurde ein Zustand untersucht, der einem Härteniveau entspricht, der bei Bauteilrückläufern nach Langzeitbetrieb beobachtet wurde und mit der Überalterungszeit von 1000 h wurden die Werkstoffgrenzen ermittelt. Zusätzlich wurde mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) die Vergröberung der festigkeitssteigernden S-Phase untersucht. Der Einfluss der Prüftemperatur auf die Ermüdungslebensdauer wurde durch Versuche bei 230 °C untersucht. Die Ermüdungsversuche wurde durch fraktographische Untersuchungen ergänzt und ausgewählte Ermüdungsversuche wurden mit zerstörungsfreien Prüfmethoden begleitet, um die Schädigung mit zunehmender Zyklenzahl dazustellen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen eine kürzere Ermüdungslebensdauer für die längere Überalterungszeit bei gleicher Spannungsamplitude. Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt, dass der mittlere Radius der S-Phase nach einer Überalterungszeit von 10 h um den Faktor 2,3 und nach 1000 h um den Faktor 2,7 im Vergleich zum Ausgangszustand zunimmt. Eine Erhöhung der Prüftemperatur auf 230 °C führt bei gleicher Spannungsamplitude zu einer Verkürzung der Ermüdungslebensdauer im Vergleich zu Raumtemperatur. Die fraktographischen Untersuchungen zeigen, dass unabhängig vom Werkstoffzustand und der Prüftemperatur die Rissinitiierung überwiegend an der Probenoberfläche oder in der Nähe der Primärphasen erfolgt. Das Risswachstum mit zunehmender Zyklenzahl kann mit der Replika-Methode erfolgreich abgebildet werden. Die Abbildung des Risses in der noch nicht gebrochenen Probe ist auch mit der Computertomographie möglich. KW - Aluminiumlegierung KW - EN AW-2618A KW - Ermüdung KW - HCF KW - Mikroskopie KW - Fraktographie PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-615288 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-21381 SP - 1 EP - 109 PB - Depostit Once CY - Berlin AN - OPUS4-61528 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Kittner, Maria T1 - Entwicklung eines Konzeptes zur verbesserten Abbaubarkeit von Polymeren unter realitätsnahen Umweltbedingungen N2 - Das Ziel dieses Grundlagenforschungsprojektes war, die Abbaubarkeit syntheti-scher Polymere unter realitätsnahen Umweltbedingungen durch eine Mischung bzw. Blend eines Hydrolyse- mit einem Oxidations-empfindlichen Polymer zu verbessern, während er unter Nutzungsbedingungen stabil sein sollte. Die Arbeits-hypothese war, dass sich die Polymere gegenseitig in ihrem Abbau beschleunigen, wenn sie der alternierenden Wechselbeanspruchung aus UV-Strahlung und hydrolytischer Beanspruchung ausgesetzt sind. Hierfür wurden vier Blends aus Polylactid (PLA) und Polystyrol (PS) oder Polymethylmethacrylat (PMMA) in unterschiedlichen Mischverhältnissen und Phasenstrukturen mittels additiver Fertigung hergestellt. Die Blends wurden über acht Wochen bei 45 °C mittels alternierender Wechselbeanspruchung aus je fünf Tagen UV-Bestrahlung und zwei Tagen hydrolytischer Beanspruchung beschleunigt gealtert. Für eine Basis-charakterisierung und als Vergleichsgrundlage wurden zusätzlich die Ausgangs-polymere PLA, PS und PMMA jeweils einzeln der hydrolytischen Beanspruchung, UV-Beanspruchung und alternierenden Wechselbeanspruchung unterzogen. Neben der Bestimmung der physiko-chemischen Effekte auf Prüfkörperoberflächen und Bulk wurden erstmalig auch die Wassermedien auf Mikroplastikgehalte und ökotoxikologische Wirkungen analysiert. Die Ergebnisse ergaben, dass reines PLA kaum degradierte, aber der PLA-Abbau sowohl durch Mischung mit PS als auch PMMA verstärkt wurde. Entgegen der Hypothese wurde dadurch allerdings sowohl die Degradation von PS als auch von PMMA gehemmt. Es konnte gezeigt werden, dass sich PS und PMMA im Blend mit PLA durch radikalische Depolymerisation abbauten und die dabei entstehenden Radikale die PLA-Hydrolyse beschleunigten, was wiederum den Abbau der PS- und PMMA-Phasen verlangsamte. Die Ergebnisse zeigten, dass bei dem PLA/PS-Schichtblend (PLA/PS-50) der höchste PS-Gehalt von 50 % den stärksten Effekt auf den PLA-Abbau hatte. Insgesamt war allerdings selbst in diesem Fall die PLA-Degradation nach achtwöchiger Beanspruchung als gering einzustufen. Der totale Masseverlust von PLA/PS-50 entsprach nach achtwöchiger Wechselbeanspruchung -2,6 ± 0,2 mg absolut bzw. ca. -1,5 ± 0,1 % der Prüfkörpermasse, wovon 0,001 % in partikuläres Mikroplastik fragmentierte (PLA: 0,2 – 2,7 μg/g; PS: 3,0 – 3,4 μg/g). Folglich war der größte Teil des Masseverlustes der Prüfkörper auf die Bildung gelöster und/oder gasförmiger Degradationsprodukte zurückzuführen. Ferner zeigten ökotoxikologische Untersuchungen der wechselbeanspruchten Wassermedien von PLA/PS-50 eine zunehmende Hemmung des Algenwachstums der Grünalge Desmodesmus subspicatus, die nach sechs Wochen Wechsel-beanspruchung zu 100 % Hemmung und nach acht Wochen zu einem Absterben der eingesetzten Algenzellen führte. Ergänzende Algenwachstumshemmungstests mit 2 Prüfkörpern der Ausgangspolymere PLA und PS zeigten, dass dies nicht auf der Bildung von partikulärem Mikroplastik, sondern gelösten PS-Degradations-produkten basierte, wie z. B. Benzaldehyd oder Benzoesäure. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass nur eine geringe Beschleunigung des PLA-Abbaus bei gleichzeitiger Hemmung des PS- bzw. PMMA-Abbaus stattfand - und das auch erst bei hohen PS- bzw. PMMA-Gehalten. Weiterführende Experimente zeigten, dass dies speziell für PS höchst bedenklich und nicht empfehlenswert ist, da es abhängig von der Konzentration der gelösten PS-Degradationsprodukte zu starken ökotoxikologischen Effekten kommen kann, die von der Hemmung des Algen-wachstums bis zum Algenabsterben reichen können. Folglich konnte die Arbeits-hypothese nur sehr eingeschränkt verifiziert werden und ist mit den hier untersuchten Polymeren als nicht zielführend einzuschätzen. KW - Polymer KW - Blend KW - Microplastik KW - Degradation KW - Umweltsimulation PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-609879 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-21006 SP - 1 EP - 109 PB - Depostit Once CY - Berlin AN - OPUS4-60987 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Nagelschmidt, Sven T1 - Ein Beitrag zur Zusammenführung von Zeit-Temperatur-Äquivalenz-Methoden: Entwicklung und Anwendung am Beispiel ausgewählter Materialverhalten für Zeit-Temperatur-Parameter und Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip N2 - In der Wissenschaft und Technik gibt es verschiedene Gründe, um auf Basis geeigneter Modelle in die Zukunft schauen zu wollen, beispielsweise um zu bewerten, ob ein Bauteil auch noch deutlich länger verwendet werden kann als eigentlich einmal vorgesehen. Eine Methode dieses zu tun, basiert auf dem Zeit-Temperatur-Äquivalenz-Prinzip, welches besagt, dass ein Zustand oder eine Materialeigenschaft gleichwertig bei verschiedenen Zeit-Temperatur-Kombinationen auftritt oder erreicht werden kann. Höhere Temperaturen verkürzen in der Regel die Dauer und umgekehrt. In den letzten Jahrzehnten hat sich ein umfangreiches Methodenspektrum für unterschiedliche Werkstoffe und Anwendungsgebiete entwickelt, sodass die Identifikation einer geeigneten Methode für einen konkreten Anwendungsfall oder neue Materialien eine Herausforderung darstellt. These: „Fortschrittlich wäre, existierende Methoden zusammenzuführen, methodenspezifische Vorteile zu kombinieren, um mit geringerem Aufwand ein geeignetes Prognosemodell zu entwickeln.“ Für metallische Werkstoffe und Polymere verläuft die Entwicklung von Prognosemodellen mit Zeit-Temperatur-Korrelation seit ca. 1940 parallel und unabhängig voneinander. In diesem Zusammenhang bekannte Methoden sind das Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip und Zeit-Temperatur-Parameter, wie der LARSON-MILLER-Parameter. Die jeweiligen methodischen Ansätze sind in der Regel anwendungs- und materialspezifisch und nur einzelnen Fachartikeln zu entnehmen. Eine zusammenführende thematische Übersicht und Untersuchung existierender Methoden wurden bislang nicht publiziert. Diese Forschungsarbeit verfolgt dahingehend einen neuartigen methodischen Ansatz und zeigt untersuchte Gemeinsamkeiten und Unterschiede als auch Analogien für das Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip und Zeit-Temperatur-Parameter anhand bestimmter Merkmale auf. Dafür wurden verschiedene analytische und grafische Ansätze verwendet. Ferner wird eine zusammenführende Untersuchung anhand eines rheologischen Materialmodells sowie anhand eines praktischen Anwendungsbeispiels gezeigt. Hergeleitet wurde u. a., dass das Prinzip der Zeit-Temperatur-Superposition für sogenanntes thermorheologisch einfaches und komplexes Verhalten konkreten Zeit-Temperatur-Parametern zugeordnet werden können. Und dadurch Verschiebefunktionen nicht nur in Abhängigkeit der Temperatur, sondern auch abhängig vom Zustand untersucht und definiert werden können. Ferner ermöglicht eine Skalierung der Zeit-Temperatur-Parameter auf eine Referenztemperatur physikalisch anschaulichere Auswertungen analog zum Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzip. Untersuchungen zeigen, dass sich für einen konkreten Anwendungsfall die geeignetste Zeit-Temperatur-Äquivalenz-Methode aus einer gegenseitigen Abhängigkeit bzw. Kompatibilität einzelner Elemente, wie zugrunde gelegte Daten, Koordinatenachsenskalierung, ermittelte Zeit-Temperatur-Äquivalenz, Masterfunktionsansatz und der geforderten Interpolationsgüte herleitet. Der gewählte Forschungsansatz und die erzielten Ergebnisse bieten eine Plattform für die weitere Entwicklung von Prognosemodellen auf Basis des Zeit-Temperatur-Äquivalenz-Prinzips, insbesondere im Hinblick auf eine Zusammenführung und Kombination existierender Methoden. KW - Zeit-Temperatur-Äquivalenz KW - Zeit-Temperatur-Korrelation KW - Zeit-Temperatur-Superposition KW - Extrapolation PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-601530 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-20439 SP - 1 EP - 145 CY - TU Bibliothek online AN - OPUS4-60153 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Ávila Calderón, Luis T1 - Mechanisches Verhalten von additiv gefertigtem nichtrostendem Stahl X2CrNiMo17-12-2 (AISI 316L) und Vergleich zur konventionell gefertigten Variante T1 - Mechanical behavior of additively manufactured stainless steel X2CrNiMo17-12-2 (AISI 316L) and comparison with a conventionally manufactured variant N2 - Die additive Fertigung (AM) metallischer Werkstoffe ist eine Technologie, die zunehmend Gegenstand von Forschungsaktivitäten und industrieller Anwendung ist. Dennoch steht sie noch vor Herausforderungen, um eine breite Nutzung in sicherheitsrelevanten Anwendungen zu erreichen. Die Hauptgründe für die Verzögerung des technologischen Durchbruchs zugunsten von AM-Metallen gegenüber konventionell hergestellten Varianten sind das Fehlen eines tieferen Verständnisses der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und die begrenzte Verfügbarkeit von Daten zu den Materialeigenschaften. In diesem Kontext stellt diese Arbeit einen Beitrag sowohl zum Verständnis der Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehungen als auch zur Verbesserung der Datenlage von 316L dar, einem häufig als Konstruktionswerkstoff in verschiedenen Hochtemperaturbauteilen verwendeten Werkstoff. Die Arbeit legt den Fokus auf die mittels Laser-Pulverbettschmelzen hergestellte Werkstoffvariante, PBF-LB/M/316L. Eine konventionell hergestellte Variante, HR/316L, wurde auch untersucht. Bei PBF-LB/M/316L wurde zusätzlich der Effekt ausgewählter Wärmebehandlungen ausgewertet. Die Untersuchung umfasste die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Verformungs- und Schädigungsmechanismen bei erhöhten Prüftemperaturen bei LCF und Kriechen, wo die Daten und Wissenslage am spärlichsten ist. Außerdem hat die untersuchte PBF-LB/M/316L-Wersktoffvariante einen geringen Porositätsgrad. Somit hat diese Arbeit die Mikrostruktur stärker in den Fokus genommen als die meisten bisher in der Literatur verfügbaren Studien. Die mechanische Prüfkampagne umfasste Zugversuche zwischen Raumtemperatur und 650 °C, LCF-Versuche zwischen Raumtemperatur und 600 °C sowie Kriechversuche bei 600 °C und 650 °C. In Ermangelung konkreter Richtlinien und Normen wurde die Charakterisierung zumeist anhand der bestehenden internationalen Prüfnormen und Probengeometrien durchgeführt. Aus jedem dieser Prüfverfahren wurden die entsprechenden Festigkeits- und Verformungskennwerte ermittelt. Darüber hinaus wurde mit Hilfe gezielter mikrostruktureller Untersuchungen ein Beitrag zum Verständnis des Zusammenhangs zwischen der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften in Bezug auf die Verformungs- und Schädigungsmechanismen geleistet. Die Dehngrenze von PBF-LB/M/316L ist etwa doppelt so hoch wie die von HR/316L und dieser Trend setzt sich mit ansteigender Prüftemperatur fort. Die Bruchdehnung ist bei allen Prüftemperaturen geringer. PBF-LB/M/316L weist über den größten Teil der Ermüdungslebensdauer vor allem bei Raumtemperatur höhere zyklische Spannungen als HR/316L auf. Ausschließlich bei den kleinsten Dehnungs-schwingbreiten sind die Ermüdungslebensdauer ausgeprägt kürzer. Das Wechselverformungsverhalten von PBF-LB/M/316L ist durch eine Anfangsverfestigung gefolgt von einer kontinuierlichen Entfestigung charakterisiert, welche bis zum Auftreten der zum Versagen führenden Entfestigung stattfindet. Die Kriechbruchzeiten und die Dauer jeder Kriechphase sind bei allen Kombinationen von Prüfparametern bei PBF-LB/M/316 kürzer als bei HR/316L. Die Spannungsabhängigkeit von PBF-LB/M/316L ist im Vergleich zu HR/316L geringer und die Duktilität beim Kriechen kleiner. Die minimale Kriechrate wird bei allen geprüften Parameterkombinationen bei deutlich geringeren Kriechdehnungen erreicht. Eine Wärmebehandlung bei 450 °C / 4 h bewirkt keine wesentliche Änderungen der Mikrostruktur und Zugversuchseigenschaften. Eine zusätzliche Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h verursacht eine Abnahme der Dehngrenze des PBF-LB/M/316L. Diese blieb aber immer noch um den Faktor 1,5x höher als bei HR/316L. Die Verformungsmerkmale wurden kaum davon beeinflusst. Bezüglich des Kriechverhaltens hat die Wärmebehandlung bei 900 °C / 1 h längere sekundäre und tertiäre Kriechstadien bewirkt und die Kriechdehnung hat sich signifikant erhöht. Die Bruchbilder unterscheiden sich generell nicht nur aber vor allem mit ansteigender Prüftemperatur, bei der bei PBF-LB/M/316L oft interkristalline Rissbildung beobachtet wurde. Die Zellstruktur trägt als der Hauptfaktor zu den unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften im Vergleich zur HR/316L-Variante bei. Darüber hinaus spielen mutmaßlich die Kornmorphologie, die Stapelfehlerenergie und der Stickstoffgehalt eine Rolle. N2 - Metal additive manufacturing (AM) is a technology that is increasingly the subject of research activities and industrial applications. However, it still faces challenges to achieve widespread use in safety-relevant applications. The main reasons for the delay of this technological breakthrough in favor of AM metals over conventionally manufactured variants are the lack of a deeper understanding of process-structure-property relationships and the limited availability of data on material properties. In this context, this work contributes to both achieving a better understanding of process-structure-property relationships and the improvement of data for 316L, an alloy frequently used as a structural material in various high-temperature components. The work focuses on a material variant produced by laser pow-der bed fusion, PBF-LB/M/316L. A conventionally produced variant, HR/316L, was also investigated. For PBF-LB/M/316L, the effect of selected heat treatments was also evaluated. The investigation included the characterization of the mechanical properties and the related deformation and damage mechanisms at elevated test temperatures in LCF and creep, where data and knowledge are scarce. The PBF-LB/M/316L variant studied has a low degree of porosity. Thus, this work is more focused on the microstructure than most studies available in the literature. The mechanical test campaign included tensile tests between room temperature and 650 °C, LCF tests between room temperature and 600 °C, and creep tests at 600 °C and 650 °C. In the absence of concrete guidelines and standards for testing of AM metals, the characterization mostly took place using existing international test standards and specimen geometries. From each of the test methods, corresponding strength, and deformation characteristic values were determined. In addition, targeted microstructural investigations contributed to understanding the relationship between the microstructure and the mechanical properties in terms of deformation and damage mechanisms. The proof stress of PBF-LB/M/316L is about twice that of HR/316L. This trend remains with increasing test temperature. The elongation after fracture is lower at all test temperatures. Regarding LCF, PBF-LB/M/316L exhibits higher cyclic stresses than HR/316L for most of the fatigue life, especially at room temperature. Exclusively at the smallest strain amplitudes, the fatigue lives of PBF-LB/M/316L are markedly shorter than in HR/316L. The cyclic stress-strain deformation behavior of PBF-LB/M/316L features an initial strain hardening followed by a continuous softening, which occurs until the softening leading to failure takes place. The creep rupture times and the duration of each creep stage are shorter for PBF-LB/M/316 than for HR/316L for all combinations of test parameters. The stress dependence of PBF-LB/M/316L is lower, and the creep ductility is smaller compared to HR/316L. The minimum creep rate is reached at significantly lower creep extensions for all parameter combinations tested. A heat treatment at 450 °C / 4 h did not cause significant changes in the microstructure and tensile behavior. An additional heat treatment at 900 °C / 1 h caused a decrease in the proof stress of PBF-LB/M/316L. However, it still remained higher than the one of HR/316L by a factor of 1.5x. The deformation characteristics were hardly affected. Regarding the creep behavior, this latter heat treatment at 900 °C / 1 h caused longer secondary and tertiary creep stages, and the creep strain increased significantly. The fracture characteristics generally differed, which happened not only but especially with increasing test temperature, where intergranular cracking often took place in PBF-LB/M/316L. The cellular structure is considered the main factor contributing to the different mechanical properties compared to the HR/316L variant. In addition, grain morphology, stacking fault energy, and nitrogen content might play a role. KW - AGIL KW - Additive Fertigung KW - Laser-Pulverbettschmelzen KW - Mikrostrukturentwicklung KW - 316L KW - LCF KW - Kriechen KW - Additive Manufacturing KW - Microstructure KW - Mechanical Properties KW - Mechanische Eigenschaften PY - 2024 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-597143 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-19828 SP - 1 EP - 190 CY - Berlin AN - OPUS4-59714 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Steppan, Enrico T1 - Zur Analyse der Eigenschaftsdegradation und des Bindungsverhaltens von Wasserstoff in höherfesten Feinkornbaustählen N2 - Der Stahlbedarf in Deutschland wird maßgeblich neben dem Automobilsektor vom Maschinenbau und allgemeinen Bauwesen geprägt. In diesen Segmenten werden qualitativ hochwertige Stähle mit höchsten Ansprüchen an Festigkeit, Verformungsfähigkeit, schweißtechnische Verarbeitung und sicherheitsrelevante Aspekte gestellt. Wichtige Vertreter, welche diesen Ansprüchen gerecht werden, sind die heutigen modernen höherfesten FKB. Aus der Entwicklung dieser Stähle kristallisierten sich in den letzten Jahrzehnten verschiedene Legierungskonzepte und Herstellungsrouten heraus. Dem liegt neben essentiellen Eigenschaften, z.B. Streck- und Zugfestigkeit, noch weitere Anforderungen, bspw. Kaltumformbarkeit, Kerbschlagzähigkeit und Verschleißfestigkeit, zugrunde. Zunehmend werden im genormten Bereich mit Streckgrenzen bis 700 MPa neben den vergüteten Stählen (Q) auch thermomechanische Stähle (M) eingesetzt. Ein immerwährender paralleler Begleiter während der Stahlherstellung und -verarbeitung ist Wasserstoff. Wasserstoff wird in den nächsten Jahren als Schlüsselelement für eine nachhaltige Energiewirtschaft angesehen. Aus heutiger Sicht ist Wasserstoff ein Hoffnungsträger für eine klimafreundliche Energiewirtschaft und zukunftsfähige Industrie. Forschung und Industrie arbeiten intensiv an der Erschließung und Weiterentwicklung des enormen Potentials, um eine höhere Nutzbarkeit zu erreichen. Die Gründe liegen zum einen darin, dass Wasserstoff als Brennstoff unproblematisch (Umweltverträglichkeit und Verfügbarkeit) ist und zum anderen ein hervorragender Energieträger ist. Wasserstoff ist durch seine gebundene Form erst nach dem Lösen aus chemischen Verbindungen zugänglich. Dies geschieht für eine Nutzbarmachung in einer zukunftsfähigen Energiewirtschaft gezielt. Demgegenüber stehen Prozesse, wodurch Wasserstoff aus seiner chemischen Verbindung gelöst wird und aufgrund seiner Größe bzw. geringsten Atommasse von Werkstoffen aufgenommen wird. Damit verbunden interagiert der aufgenommene Wasserstoff mit dem Gefüge und kann zu einer negativen Beeinflussung der Eigenschaften des Werkstoffs führen. Wasserstoff kann Degradationsprozesse in Stählen verursachen, die sich insbesondere auf die mechanischen Eigenschaften auswirken. Diese Mechanismen können wasserstoffunterstützte Risse in höherfesten Stählen während der Herstellung oder im industriellen Einsatz verursachen. Elektrochemisch beladene Zugproben zeigen ein unterschiedliches Degradationsverhalten in ihren Eigenschaften. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Wechselwirkungen zwischen Wasserstoff und Gitterdefekten in unterschiedlichen mikrolegierten Systemen und wärmebeeinflussten Zonen in den schweißbaren Feinkornbaustählen. Die Ergebnisse zeigen eine klare Abhängigkeit zwischen Mikrolegierung und Herstellungsprozess dieser Stahlsorten, respektive ihrer simulierten wärmebeeinflussten Bereiche. N2 - In addition to the automotive sector, demand for steel in Germany is dominated by mechanical engineering and general construction. These segments demand high-quality steels with the highest requirements in terms of strength, formability, welding processing and safety aspects. Important representatives that meet these requirements are today's more modern high-strength FKB. In the development of these steels, various alloying concepts and production routes have crystallized in recent decades. In addition to essential properties, e.g. yield and tensile strength, this is also based on other requirements, e.g. cold formability, notched impact strength and wear resistance. Increasingly, thermomechanical steels (M) are being used in addition to quenched and tempered steels (Q) in the standardized range with yield strengths up to 700 MPa. An ever-present parallel companion during steel production and processing is hydrogen. Hydrogen is seen as a key element for a sustainable energy economy in the coming years. From today's perspective, hydrogen is a beacon of hope for a climate-friendly energy economy and sustainable industry. Research and industry are working intensively on tapping and further developing the enormous potential in order to achieve greater usability. The reasons are, on the one hand, that hydrogen is unproblematic as a fuel (environmental compatibility and availability) and, on the other hand, that it is an excellent energy carrier. Due to its bonded form, hydrogen is only accessible after dissolution from chemical compounds. This is done in a targeted manner for utilization in a sustainable energy economy. In contrast, there are processes by which hydrogen is released from its chemical compound and absorbed by materials due to its size or lowest atomic mass. In connection with this, the absorbed hydrogen interacts with the microstructure and can lead to a negative influence on the properties of the material. Hydrogen can cause degradation processes in steels that affect mechanical properties in particular. These mechanisms can cause hydrogen-assisted cracking in higher strength steels during fabrication or in industrial use. Electrochemically loaded tensile specimens show different degradation behavior in their properties. The present work describes the interactions between hydrogen and lattice defects in different microalloyed systems and heat affected zones in the weldable fine grain structural steels. The results show a clear dependence between microalloying and manufacturing process of these steels, respectively their simulated heat affected zones. T3 - BAM Dissertationsreihe - 172 KW - Höherfeste Feinkornbaustähle KW - Wasserstoffdegradation KW - Wasserstoffdiffusion KW - Wasserstoffbindungsverhalten KW - Kaltriss und Schweißen KW - High strength fine grained structural steels KW - Hydrogen degradation KW - Hydrogen diffusion KW - Hydrogen trapping KW - Cold cracking and welding PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-579412 SN - 1613-4249 VL - 172 SP - 1 EP - 266 PB - Eigenverlag CY - Berlin AN - OPUS4-57941 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Thomas, Maximilian T1 - Verbesserung der Übertragbarkeit von Erstarrungsrissprüfungen nach dem MVT-Verfahren durch Digitalisierung der Probenauswertung N2 - Zur Prüfung der Erstarrungsrissanfälligkeit von Werkstoffen existiert eine Vielzahl von Prüfverfahren, die jedoch oft nur in ihren Grundzügen standardisiert sind. Ein Beispiel ist der an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung entwickelte und angewendete Modifizierte Varestraint-/Transvarestraint-Test (MVT), der eine von vielen Umsetzungen des Varestraint-Verfahrensprinzips darstellt. Hierbei werden durch Biegung während des Schweißens gezielt Erstarrungsrisse erzeugt und anschließend lichtmikroskopisch vermessen. Die Ergebnisse von Varestraint-Prüfungen charakterisieren jedoch nicht allein das Werkstoffverhalten, sondern sind in hohem Maße von der Konstruktion der jeweiligen Prüfmaschine sowie den verwendeten Prüfparametern abhängig. Dies erschwert die Vergleichbarkeit von Ergebnissen, welche nicht unter exakt identischen Bedingungen ermittelt wurden, und kann darüber hinaus zu einer ungenauen oder unvollständigen Bewertung des Werkstoffverhaltens führen. Die vorliegende Arbeit widmet sich zunächst der detaillierten Ausgestaltung der geometrischen Zusammenhänge rund um die Ausbreitung von Erstarrungsrissen während der Varestraint-Prüfung. Mit Blick auf Prokhorovs Technological Strength Theory und die sich daraus ergebenden erstarrungsrisskritischen Temperaturen wird anschließend eruiert, wie aus den Anfangs- und Endkoordinaten der entstandenen Risse auf das charakteristische Erstarrungsrissverhalten geschlossen werden kann. Die daraus entwickelte Bewertung der Rissanfälligkeit ist weitestgehend von den Prüfparametern und weiteren verfahrensspezifischen Einflüssen entkoppelt, wodurch eine deutlich bessere Übertragbarkeit der Ergebnisse gewährleistet ist. Zur Erprobung der neu entwickelten Bewertungsansätze wurden zunächst MVT-Prüfungen an mehreren hochlegierten, martensitischen Schweißzusatzwerkstoffen, sowie am Nickelbasiswerkstoff Alloy 602 CA durchgeführt. So konnten einerseits verschiedene Legierungen hinsichtlich ihres Erstarrungsrissverhaltens charakterisiert und Empfehlungen für die schweißtechnische Fertigung generiert werden. Zum anderen dienten die Proben zur vollständigen Konzipierung, Entwicklung und Validierung einer digitalen Auswertemethodik. Die eigens programmierte Software ermöglicht die schnelle und praxisgerechte Auswertung von MVT-Proben, und implementiert dabei zusätzlich die zuvor entwickelten, prozessunabhängigen Bewertungsansätze. Als Ergebnis konnten kritische Dehnraten identifiziert werden,ab deren Überschreitung die betrachteten Werkstoffe unter den verwendeten Prüfbedingungen gesteigerte Erstarrungsrissanfälligkeiten aufweisen. So ergibt sich ein direkter Zusammenhang zwischen MVT-Prüfergebnissen und der Technological Strength Theory von Prokhorov. Die Bewertung des Werkstoffverhaltens anhand der kritischen Dehnraten erwies sich gegenüber den üblicherweise betrachteten Gesamtrisslängen als deutlich zuverlässiger. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die digitale Auswertung eine sinnvolle Verbesserung der analogen Standardauswertung darstellt. N2 - A multitude of testing procedures exist for the assessment of the solidification cracking susceptibilities of metal alloys. Many of these tests are only standardised on a very basic level. This also applies to the Modified Varestraint-/Transvarestraint Test (MVT), which was developed at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) and is one of many variants of the original Varestraint test. Its functional principle is the bending of flat specimens during welding. Any solidification cracks formed during the procedure are quantified in a later step using optical light microscopy. However, the test results don’t exclusively characterise the analysed material, but also greatly depend on the design of the testing rig, as well as the applied testing parameters. This complicates the comparison of results obtained under different circumstances, and furthermore can lead to an inaccurate or insufficient assessment of the material characteristics. The present work elaborates the geometrical aspects of solidification crack initiation and propagation during Varestraint testing. Applying Prokhorov’s Technological Strength Theory and the ensuing Brittleness Temperature Range, it is then determined how the start and end points of solidification cracks can be used to characterise the materials solidification cracking susceptibility. Ultimately, these insights are developed into a standard of evaluation which aims to eliminate the influence of testing parameters and characteristics, helping to greatly improve the comparability of Varestraint testing results. To test the newly developed standard of evaluation, MVT tests were carried out on several high-alloyed martensitic steels, as well as on the nickel-based Alloy 602 CA. On the one hand, the obtained results provide detailed characterisations of the solidification cracking susceptibilities of different materials as well as guidelines for their use in welding processes. On the other hand, the specimens were used for conception and validation of a novel, digital examination procedure. The software developed for this purpose allows for fast and practice-oriented examination of MVT specimens. At the same time, the new software implements the previously developed standard of evaluation to eliminate the influence of testing parameters. As a result, critical strain rates could be identified, which indicate the transition towards increased solidification cracking susceptibility under the respective circumstances. In this way, a direct connection between MVT test results and Prokhorov’s Technological Strength Theory can be drawn. Compared to the Total Crack Length, which is usually given as a test result, critical strain rates were found to be a more reliable characteristic. In summary, the newly developed procedures were proven to be a meaningful improvement of the current, analogue standard procedure. T3 - BAM Dissertationsreihe - 171 KW - Heißriss KW - Erstarrungsriss KW - Schweißen KW - Varestraint Test KW - Digitalisierung KW - Hot crack KW - Solidification KW - Welding KW - Varestraint test KW - digitalisation PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-553800 SN - 1613-4249 VL - 171 SP - 1 EP - 160 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-55380 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Nielow, Dustin T1 - Einfluss fertigungsbedingter Imperfektionen auf die Schwingfestigkeit von FKV-Schalenstrukturen in Sandwichbauweise N2 - Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) weisen häufig nach wenigen Jahren, lange vor dem Erreichen der prognostizierten Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren Risse in der Blattschale auf. Die Folge sind aufwendige Reparaturen am installierten und schwer zugänglichen Rotorblatt und der kostenintensive Nutzungsausfall durch den Stillstand der WEA. Als mögliche Initiatoren für die Schäden in der Blattschale der Rotorblätter gelten fertigungsbedingte Imperfektionen. Für die Untersuchung des Einflusses dieser Imperfektionen auf das Ermüdungsverhalten der Rotorblätter wurde an der BAM (Bundesanstalt für Mate-rialforschung und -prüfung) ein Prüfstand für statische und zyklische Versuche von Schalensegmenten im intermediate scale entwickelt und betrieben. Die untersuchten Schalensegmente in Sandwichbauweise sind der Rotorblattschale von WEA im Hinblick auf die Strukturmechanik, die eingesetzten Halbzeuge, den Laminataufbau und dem eingesetzten Fertigungsverfahren ähnlich. Als Imperfektionen wurden verschiedenen Variationen von Lagenstößen in die Hautlagen und Schaumstöße mit Breitenvariation in den Stützkern reproduzierbar eingebracht. Die Überwachung des Schädigungszustandes während der Schwingversuche unter realistischen Lastszenarien erfolgt über eine kombinierte in situ Schädigungsüberwachung mittels passiver Thermografie und Felddehnungsmessung. Mit den durchgeführten Schwingversuchen und der begleitenden Überwachung des Schädigungszustandes ließen sich die Schadensinitiation und die signifikante Herabsetzung der Lebensdauer durch die eingebrachten Imperfektionen zweifelsfrei nachweisen und entsprechende Konstruktionshinweise für die betriebssichere Auslegung von Sandwichstrukturen ableiten. N2 - Wind turbines often exhibit cracks in the blade shells after only a few years in service, significantly before their expected 20 to 30 year design lifespan. This leads to complicated repairs on difficult to reach rotor blades, and can cause a cost-intensive standstill of the turbine. A possible source of these defects in the rotor blade shells are the imperfections which occur during production. In order to investigate the effect of these imperfections on the fatigue behavior of rotor blades, a test rig was developed at the BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) upon which intermediate scale static and cyclic-fatigue testing could be performed. The complementary sandwich shell specimens developed and investigated with the test rig are representative of the outer shell of wind turbine rotor blades in terms of materials and manufacturing processes, as well as structural mechanics. The specimens were built with reproducible imperfections, including laminate overlaps in the face sheets and gaps of varying size in the foam core. The damage condition was monitored during cyclic-fatigue testing under realistic load cases using a combination of in-situ passive thermography and strain field measurement. The cyclic testing and parallel non-destructive structural health monitoring of the shell specimens showed the imperfections to significantly influence the damage initiation and decrease the component service life. The results can be used accordingly as recommendations for operationally more reliable design of sandwich structures. T3 - BAM Dissertationsreihe - 170 KW - Erneuerbare Energien KW - Windenergie KW - Verbundwerkstoffe KW - Betriebsfestigkeit KW - Komponentenprüfung KW - Renewable ernergy KW - Wind energy KW - Intermediate scale KW - Composites KW - Fatigue PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-546701 SN - 1613-4249 VL - 170 SP - 1 EP - 178 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-54670 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Erenberg, Marina T1 - Analyse des Brandverhaltens von Stoßdämpfern für Behälter zum Transport radioaktiver Stoffe N2 - Stoßdämpfer, die zum Schutz von Behältern zum Transport radioaktiver Stoffe eingesetzt werden und welche häufig aus von Stahlblech ummantelten, geschichtetem Holz bestehen, reduzieren bei einem etwaigen Unfall die auf den Behälterkörper wirkende mechanische Belastung erheblich. In Zulassungsverfahren muss die Sicherheit der jeweiligen Behälterkonstruktion nachgewiesen werden, wobei u. a. der Nachweis erbracht werden muss, dass die Behälter definierten Prüfbedingungen widerstehen. Diese beinhalten Aufprallsequenzen aus verschiedenen Höhen und Positionen sowie ein anschließendes das Versandstück 30 min lang allumhüllendes Feuer bei 800°C. Falls Stoßdämpfer infolge der 30-minütigen Feuerbeanspruchung in Brand geraten, dürfen diese unter den Prüfbedingungen nicht gelöscht werden. Die Auswirkungen auf die Sicherheit des Behälters sind hierbei zu untersuchen. Das ist die Basis für die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zum Brandverhalten von stahlblechumkapselten Holzstrukturen mit dem Ziel der Bewertung der daraus resultierenden zusätzlichen thermischen Belastung auf den Behälter. Ein wesentlicher Bestandteil war die Durchführung eines Großbrandversuchs, bei dem ein originalgroßer Stoßdämpfer auf dem Brandprüfstand während einer 30-minütigen Feuerphase entzündet wurde. Der Stoßdämpfer hatte ein Volumen von 3m³ und war mit aus den Prüfbedingungen resultierenden Vorschädigungen versehen. Es wurde ein Prüfstand zur Messung der variablen Wärmeleistung des brennenden Stoßdämpfers entwickelt. Die Wärme wird dabei in den Energieaufnahmebehälter (EAB) eingetragen. Aufgrund der entwickelten Temperaturregelung konnte die Wärmeleistung mit geringen Messfehlern bestimmt werden. Dabei wurde der EAB um maximal 10 K erwärmt. Im Großbrandversuch wurde gezeigt, dass der vorgeschädigte Stoßdämpfer 72 h lang brannte und dass eine signifikante Wärmeleistung in den EAB eingetragen wurde. Die während des Stoßdämpferbrands erzeugte Energie betrug ein Vielfaches im Vergleich zur Wärmeleistung, die allein durch das IAEA-Feuer eingetragen wird. Temperaturen von bis zu 1100°C wurden erreicht. Im Versuch wurde Flammenschlagen im Stoßdämpferinnern und das Glühen der Stoßdämpferstahlblechummantelung beobachtet. Bewusst dessen, dass ein einzig durchgeführter Brandversuch nur unzulängliche Aussagekraft hat, um das Brandverhalten von Stoßdämpfern zu beschreiben, wurde in weiteren Kleinbrandversuchen die Parameterabhängigkeit beim Brand von stahlblechumkapselten Holzstrukturen untersucht. Dafür wurde das Brandverhalten von 8 zylinderförmigen 0,07m³ großen Probekörpern bei variabler Schadstellengröße getestet. In der Bewertung der Kleinbrandversuche konnte gezeigt werden, dass eine kritische Schadstellengröße existiert und welche Streubreite in den Kleinbrandversuchen vorliegt. Die Kleinbrandversuche können damit Aufschluss darüber geben, welche Abweichungen in weiteren Großbrandversuchen zu erwarten wären. KW - Stoßdämpfer KW - Holz KW - Brand PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-397479 DO - https://doi.org/10.25673/39100 SP - 1 EP - 154 PB - Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg CY - Magdeburg AN - OPUS4-54263 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Küttenbaum, Stefan T1 - Zur Validierung von zerstörungsfreien Messverfahren für die probabilistische Beurteilung von Bestandsbauwerken mit gemessenen Daten T1 - Validation of non-destructive measurement procedures for reliability assessments of existing structures using measured data N2 - The aging of existing bridge structures coincides with the progressing degradation and increasing requirements on the bridge stock caused by increasing traffic densities as well as heavy traffic. The resulting demand for structural assessments of existing bridges is of substantial importance, both nationally and internationally. The information available about the considered system provides the basis for reassessments. Both the structural reliability and the validity of the computation results depend primarily on the condition, i.e. the quality and the relevance of this information. The purposeful measurement of quality-evaluated and relevant information can significantly increase the engineer’s power of judgement regarding the structural reliability. It is advisable to keep the destructive structural interventions necessary to obtain such information to a minimum. The purpose of the present thesis is the development and evaluation of a methodology for the probabilistic reassessment of existing structures using non-destructively measured data and for the validation of the suitability of non-destructive measurement procedures for the application in the context of reassessments. For this purpose, the applicability of the rules established within the Guide to the Expression of Uncertainty (GUM)-framework for evaluating the quality of the measured information to be used later in the reassessment is emphasized. The requirements on measured data-based basic variables are derived from the First Order Reliability Method (FORM), a probabilistic approximation procedure. Based on this, the metrology and the reassessment are brought together. The measurement-based basic variables are explicitly appreciated as random variables in reliability analyses. The developed methodology is evaluated by means of two prestressed concrete bridges and four basic variables. Geometrical measurement results gathered by radar and ultrasound measurements are incorporated into reassessments regarding the limit states ULS bending, ULS shear and SLS decompression. The modelling of the measurements is an essential part in order to calculate the measurement results, each consisting of a measured value and the attributed measurement uncertainty. It is shown that the incorporation of the non-destructively collected measurement results reduces the uncertainty to be covered and increases the level of approximation of the considered models. The measurement results are reliable and comparable. Extensive sensitivity analyses provide information about crucial structure parameters to be measured, since they significantly influence the structural reliability. This way, the relevance of the information is derived. Such analyses are suitable for the design and commissioning of investigations meeting the demands as well as for the purposeful refinement of initially insufficient computation models. Furthermore, the appreciation of measured data-based basic variables can increase the robustness of structural analyses. Measurement-based reliability reassessments are particularly useful if required information is missing or doubts have arisen about the available information. In the best case, the incorporation of non-destructively measured data results in the extension of estimated remaining service lives, in the enhancement of infrastructural availabilities and in the optimization of the consumption of resources. N2 - Die Alterung bestehender Brückenbauwerke fällt mit dem sich verschlechternden Zustand und zunehmenden Anforderungen an die Bausubstanz zusammen, die eine Folge von steigenden Verkehrszahlen und der Zulassung des Schwerlastverkehrs sind. Der daraus erwachsende Bedarf an Beurteilungen von bestehenden Brücken ist national und international fortwährend groß. Die Grundlage für Nachrechnungen sind die über das System verfügbaren Informationen. Sowohl die rechnerische Zuverlässigkeit eines Tragwerks als auch die Validität der Ergebnisse hängen im Wesentlichen vom Zustand, also von der Qualität und der Relevanz dieser Informationen ab. Die gezielte Messung von gütebewerteten, relevanten Informationen kann die Urteilsfähigkeit des Beurteilenden über die Zuverlässigkeit eines Tragwerks signifikant steigern. Wünschenswert ist die Erhebung derartiger Informationen ohne signifikante Eingriffe in die Bausubstanz. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Erprobung einer Vorgehensweise für die probabilistische Beurteilung von bestehenden Bauwerken mit zerstörungsfrei gemessenen Daten und einer Methodik zum objektiven Nachweis der Eignung von zerstörungsfreien Messverfahren zur Anwendung im Zuge einer Nachrechnung. Herausgestellt wird die Eignung der im Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) publizierten Regeln zur Bewertung der Qualität der gemessenen Informationen, die später im statischen Nachweis verwendet werden sollen. Die Anforderungen an die Basisvariablen, d. h. an die Eingangsgrößen im probabilistischen Nachweis, werden aus den Vorschriften zur Zuverlässigkeitsanalyse mit dem probabilistischen Näherungsverfahren FORM, der First Order Reliability Method, abgeleitet. Darauf basiert die Entwicklung der Schnittstelle zwischen der Messtechnik und der Nachrechnung. Im Kern werden die messdatenbasierten Basisvariablen explizit als Zufallsgrößen bei der Zuverlässigkeitsanalyse berücksichtigt. Die entwickelte Vorgehensweise wird am Beispiel von zwei Spannbetonbrücken und vier Basisvariablen erprobt. In die Nachweise der Biege- und der Querkrafttragfähigkeit sowie in einen Nachweis der Dekompression fließen geometrische Messergebnisse ein, die mithilfe von Radar- und Ultraschallmessungen generiert werden. Ein wichtiger Bestandteil ist die Bildung von Modellen zur Auswertung der Messungen und zur Berechnung der Messergebnisse. Es wird gezeigt, dass die Einbeziehung der zerstörungsfrei generierten Messergebnisse die Unsicherheit in den Berechnungsmodellen reduzieren und den Grad der Annäherung der Modelle an die Realität steigern kann. Die Messergebnisse sind zuverlässig und vergleichbar. Umfassende Sensitivitätsanalysen geben Aufschluss über sinnvollerweise zu messende Bauwerksparameter, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Tragwerkszuverlässigkeit ausüben. Auf diese Weise wird die Relevanz der Informationen ermittelt. Das Potential derartiger Analysen für die gezielte Planung und Beauftragung von Messungen sowie für die bedarfsgerechte Zuschärfung von initial unzureichenden Berechnungsmodellen erscheint groß. Die messdatenbasierten Modelle können darüber hinaus die Robustheit einer Tragwerksanalyse steigern. Die Berücksichtigung von Messergebnissen ist dann besonders nützlich, wenn zur Beurteilung erforderliche Informationen fehlen oder Zweifel an den verfügbaren Informationen aufgekommen sind. Im besten Fall resultiert daraus die Verlängerung von rechnerischen Restnutzungsdauern, die Steigerung der Verfügbarkeit der Infrastruktur, die Optimierung des Ressourcenverbrauchs und insgesamt eine realitätsnahe Bauwerksbewertung. KW - Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen KW - Nachrechnung KW - Spannbetonbrücken KW - Zuverlässigkeitsanalyse KW - Messunsicherheit PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:706-7686 SN - 1431-5122 VL - 21/2 SP - I EP - 314 PB - Universität der Bundeswehr München CY - Neubiberg AN - OPUS4-53851 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Kraus, David T1 - Ermüdungsverhalten von Glasfaser-Kunststoff-Verbunden unter thermomechanischer Beanspruchung N2 - Die Werkstoffgruppe der Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Leichtbaueigenschaften unter anderem im Sportgerätebau, in der Luft- und Raumfahrt und in der Windenergieindustrie etabliert. Die so hergestellten Strukturen sind in der Regel nicht nur mechanischen Belastungen, sondern auch thermischen Lasten in einem breiten Temperaturspektrum ausgesetzt. Dennoch ist die Auswirkung des Temperatureinflusses bei einer Kombination von thermischer und mechanischer Last auf die Lebensdauer von Strukturen aus FKV bisher nur wenig untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss von Temperaturen zwischen 213 K und 343 K auf einen Glasfaser-Epoxidharz-Verbund experimentell untersucht. Das Material wird in diesem Temperaturbereich eingehend charakterisiert: Es werden sowohl die thermomechanischen Eigenschaften von Faser- und Matrixwerkstoff als auch die des Verbundes ermittelt. In einem weiteren Schritt wird dann der Einfluss der Temperatur auf die Schädigungsentwicklung im quasi-statischen Lastfall sowie unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung bei verschiedenen FKV-Mehrschichtverbunden analysiert. Basierend auf den experimentellen Daten wird ein Zusammenhang zwischen der Schädigung und der Anstrengung der Matrix innerhalb der Einzelschicht demonstriert. Die Matrixanstrengung wird mithilfe eines mikromechanischen Modells unter Berücksichtigung der thermomechanischen Eigenspannungen analytisch berechnet. Bei Querzugbeanspruchung kann gezeigt werden, dass eine Vorhersage der Schädigung in Abhängigkeit der Volumenänderungsenergie innerhalb der Matrix getroffen werden kann. Mithilfe des Konzepts der Matrixanstrengung ist eine Vorhersage der Lebensdauer des Werkstoffs unter schwingender Ermüdungsbeanspruchung in Abhängigkeit der Einsatztemperatur möglich. N2 - Due to their superior lightweight properties, fiber reinforced polymer (FRP) materials are well established in various fields, such as sports equipment, aerospace or wind energy structures. These structures are not only subjected to mechanical loads, but also to a broad spectrum of thermal environments. However, the impact of temperature on the fatigue life of thermomechanically loaded FRP structures is barely investigated to-date. In the scope of this work, the influence of temperatures in a range of 213 K to 343 K on a glass fiber reinforced epoxy polymer is experimentally examined. An extensive thermo-mechanical characterization of the static properties of the material is performed. The neat resin and Fiber material are investigated, as well as the composite. In addition, the impact of thermal loads on the damage evolution under quasi-static as well as cyclic fatigue loading is investigated for different multi-angle laminates. Based on the experimental data, a correlation is shown between damage and matrix effort of the unidirectional layer. The matrix effort is calculated according to a micromechanical model considering thermal residual stresses. Particularly under transverse loading, the damage Evolution can be predicted as a function of the dilatational strain energy of the matrix. Using the concept of the matrix effort presented in this work, a prediction of the fatigue life of the investigated material at different ambient temperature conditions can be performed. T3 - BAM Dissertationsreihe - 169 KW - Ermüdung KW - Faser-Kunststoff-Verbund KW - GFK KW - Schädigung KW - Thermomechanik KW - Fatigue KW - Composite KW - Glas fibre reinforced polymer KW - Damage KW - Thermomechanics PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-530253 SN - 1613-4249 VL - 169 SP - 1 EP - 164 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-53025 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Reichelt, Manuel T1 - Untersuchungen zu ungeschmiertem Schwingungsverschleiß an 100Cr6-Kugeln gegen 100Cr6-Ebenen N2 - Die vorliegende Doktorarbeit handelt von der Bestimmung und der Untersuchung vom Verschleißvolumen und vom Verschleißkoeffizienten bei ungeschmierten Modellversuchen an 100Cr6-Ebenen und -Kugeln unter Schwingungsbeanspruchung. Die experimentelle Arbeit wurde mittels statistischer Auswertung einer großen Menge von eigenen und früheren Versuchsdaten an fünf Tribometern bei umfangreicher Variation der Beanspruchungsparameter durchgeführt. Ziel war es, die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der experimentellen Ergebnisse zu überprüfen sowie das Archard-Gesetz zu verifizieren. Des Weiteren wurde der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf den Verschleiß untersucht. KW - Verschleißkoeffizient KW - 100Cr6-Stahl KW - Gesetz von Archard KW - Verschleiß-Map KW - relative Luftfeuchtigkeit PY - 2021 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-522664 DO - https://doi.org/10.14279/depositonce-10423 SP - 1 EP - 118 PB - Technische Universität Berlin CY - Berlin AN - OPUS4-52266 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Detjens, Marc T1 - Untersuchung des Elektrolyseprinzips zur Bestimmung von geringen Feuchtegehalten und der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten als neuartige Sensorbeschichtung N2 - Feuchte, sei es Material- oder Gasfeuchte, ist eine wichtige Messgröße bei der Qualitätsbeurteilung von Kunststoffen, landwirtschaftlichen Erzeugnissen, Energieträgern, Arzneimitteln, industriell und medizinisch verwendeten Gasen. Deswegen gibt es ein Interesse Feuchtemesserfahren hinsichtlich Präzision, Wiederholbarkeit, Rückführbarkeit und Stabilität kontinuierlich zu verbessern. Ein bewährtes Messprinzip für diese Aufgabe wurde bereits 1959 von Keidel entwickelt und basiert auf der Absorption und Elektrolyse von Wasserdampf. Der einfache Aufbau dieses Prinzips besteht aus einem Sensorelement, einer Gleichspannungsquelle, einem Digitalmultimeter und einen geregelten Gasstrom über den Sensor. Nach dem Faraday’schen Gesetz der Elektrolyse korreliert bei dem Messprinzip die Ladungsmenge mit der elektrolysierten Wassermasse. Jedoch bedarf es in der heutigen Zeit einer Validierung der Sensoren, weil durch gezielte Miniaturisierung weniger aktive Fläche vorhanden ist und somit das Faraday’sche Gesetz nicht vollständig anwendbar ist. In dieser Arbeit wurden coulometrische Sensoren mit einer planaren Elektrodenstruktur hinsichtlich der Einflüsse von unterschiedlichen Gasen, der Gastemperatur und dem -druck untersucht. Zusätzlich wurde eine neuartige Sensorbeschichtung basierend auf einer ionischen Flüssigkeit getestet. Des Weiteren wurde ein Messgerät für die abgestufte Bestimmung der Materialfeuchte und Wasseraktivität entwickelt und dessen messtechnischer Einsatz untersucht. KW - Coulometrie KW - Feuchtigkeitsmessung KW - Ionische Flüssigkeit KW - Mikrosensor PY - 2019 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000209 SP - 1 EP - 118 CY - Technische Universität Ilmenau AN - OPUS4-52177 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Chao, Madlen T1 - Entwicklung und Validierung eines Online-LIBS-Verfahrens für die Bestimmung von Nährelementen in Böden N2 - In den letzten Jahrzehnten ist die Nachfrage nach kostengünstigen und flächendeckenden Kartierungsmöglichkeiten im Hinblick auf eine ertragssteigernde und umweltfreundlichere Bewirtschaftung von landwirtschaftlichen Nutzflächen stark gestiegen. Hierfür eignen sich spektroskopische Methoden wie die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA), Raman- und Gammaspektroskopie sowie die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS). In Abhängigkeit von der Funktionsweise der jeweiligen Methoden werden Informationen zu verschiedensten Bodeneigenschaften wie Nährelementgehalt, Textur und pH-Wert erhalten. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Online-LIBS-Verfahrens zur Nährelementbestimmmung und Kartierung von Ackerflächen. Die LIBS ist eine schnelle und simultane Multielementanalyse bei der durch das Fokussieren eines hochenergetischen Laserpulses Probenmaterial von der Probenoberfläche ablatiert wird und in ein Plasma überführt wird. Beim Abkühlen des Plasmas wird Strahlung emittiert, welche Rückschlüsse über die elementare Zusammensetzung der Probe gibt. Diese Arbeit ist im Teilprojekt I4S (Intelligenz für Böden) im Forschungsprogramm BonaRes (Boden als nachhaltige Ressource für die Bioökonomie) des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) entstanden. Es wurden insgesamt 651 Bodenproben von verschiedenen Test-Agrarflächen unterschiedlichster Standorte Deutschlands gemessen, ausgewertet und zu Validierungszwecken mit entsprechender Referenzanalytik wie die Optische Emissionsspektroskopie mittels induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) und die wellenlängendispersive Röntgenfluoreszenzanalyse (WDRFA) charakterisiert. Für die Quantifizierung wurden zunächst die Messparameter des LIBS-Systems auf die Bodenmatrix optimiert und für die Elemente geeignete Linien ausgewählt sowie deren Nachweisgrenzen bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass eine absolute Quantifizierung basierend auf einem univariaten Ansatz aufgrund der starken Matrixeffekte und der schlechten Reproduzierbarkeit des Plasmas nur eingeschränkt möglich ist. Bei Verwendung eines multivariaten Ansatz wie der Partial Least Squares Regression (PLSR) für die Kalibrierung konnten für die Nährelemente im Vergleich zur univariaten Variante Analyseergebnisse mit höherer Güte und geringeren Messunsicherheiten ermittelt werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das multivariate Modell weiter verbessert werden kann, indem mit einer Vielzahl von gut analysierten Böden verschiedener Standorte, Bodenarten und einem breiten Gehaltsbereich kalibriert wird. Mithilfe der Hauptkomponentenanalyse (PCA) wurde eine Klassifizierung der Böden nach der Textur realisiert. Weiterhin wurde auch eine Kalibrierung mit losem Bodenmaterial erstellt. Trotz der Signalabnahme konnten für die verschiedenen Nährelemente Kalibriergeraden mit ausreichender, analytischer Güte erstellt werden. Für den Einsatz auf dem Acker wurde außerdem der Einfluss von Korngröße und Feuchtigkeit auf das LIBS-Signal untersucht. Die unterschiedlichen Korngrößen haben nur einen geringen Einfluss auf das LIBS-Signal und das Kalibriermodell lässt sich durch entsprechende Proben leicht anpassen. Dagegen ist der Einfluss der Feuchtigkeit deutlich stärker und hängt stark von der Bodenart ab, sodass für jede Bodenart ein separates Kalibriermodell für verschiedene Feuchtigkeitsgehalte erstellt werden muss. Mithilfe der PCA kann der Feuchtigkeitsgehalt im Boden grob abgeschätzt werden und die entsprechende Kalibrierung ausgewählt werden. Diese Arbeit liefert essentielle Informationen für eine Echtzeit-Analyse von Nährelementen auf dem Acker mittels LIBS und leistet einen wichtigen Beitrag zu einer fortschrittlichen und zukunftsfähigen Nutzung von Ackerflächen. KW - Boden KW - Chemometrie KW - LIBS KW - Nährelemente KW - Düngeempfehlung KW - Precision Agriculture KW - Prozessanalytik PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-476772 DO - https://doi.org/https://doi.org/10.25932/publishup-47677 SP - 1 EP - 130 PB - Universität Potsdam CY - Potsdam AN - OPUS4-52183 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - THES A1 - Büchele, Dominique T1 - Entwicklung einer robusten Online-Methode zur Bestimmung von Nährelementen in Ackerböden mit einem Energie-dispersiven RFA-Sensor N2 - Im Rahmen der vom Bundesministerium für Bildung und -forschung geförderten Forschungsinitiative „BonaRes – Boden als nachhaltige Ressource der Bioökonomie“ soll sich das Teilprojekt „I4S – integrated system for site-specific soil fertility management“ der Entwicklung eines integrierten Systems zum ortsspezifischen Management der Bodenfruchtbarkeit widmen. Hierfür ist eine Messplattform zur Bestimmung relevanter Bodeneigenschaften und der quantitativen Analyse ausgewählter Makro- und Mikronährstoffe geplant. In der ersten Phase dieses Projekts liegt das Hauptaugenmerk auf der Kalibrierung und Validierung der verschiedenen Sensoren auf die Matrix Boden, der Probennahme auf dem Acker und der Planung sowie dem Aufbau der Messplattform. Auf dieser Plattform sollen in der zweiten Phase des Projektes die verschiedenen Bodensensoren installiert, sowie Modelle und Entscheidungsalgorithmen zur Steuerung der Düngung und dementsprechend Verbesserung der Bodenfunktionen erstellt werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Grundlagenuntersuchung und Entwicklung einer robusten Online-Analyse mittels Energie-dispersiver Röntgenfluoreszenzspektroskopie (EDRFA) zur Quantifizierung ausgewählter Makro- und Mikronährstoffe in Böden für eine kostengünstige und flächendeckende Kartierung von Ackerflächen. Für die Entwicklung eines Online-Verfahrens wurde ein dem Stand der Technik entsprechender Röntgenfluoreszenzmesskopf in Betrieb genommen und die dazugehörigen Geräteparameter auf die Matrix Boden optimiert. Die Bestimmung der analytischen Qualitäts-merkmale wie Präzision und Nachweisgrenzen fand für eine Auswahl an Nährelementen von Aluminium bis Zink statt. Um eine möglichst Matrix-angepasste Kalibrierung zu erhalten, wurde sowohl mit zertifizierten Referenzmaterialien (CRM), als auch mit Ackerböden kalibriert. Da einer der größten Nachteile der Röntgenfluoreszenzanalyse die Beeinflussung durch Matrixeffekte ist, wurde neben der klassischen univariaten Datenauswertung auch die chemometrische multivariate Methode der Partial Least Squares Regression (PLSR) eingesetzt. Die PLSR bietet dabei den Vorteil, Matrixeffekte auszugleichen, wodurch robustere Kalibriermodelle erhalten werden können. Zusätzlich wurde eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) durchgeführt, um Gemeinsamkeiten und Ausreißer innerhalb des Probensets zu identifizieren. Es zeigte sich, dass eine Klassifizierung der Böden anhand ihrer Textur Sand, Schluff, Lehm und Ton möglich ist. Aufbauend auf den Ergebnissen idealer Bodenproben (zu Tabletten gepresste luftgetrocknete Proben mit Korngrößen < 0,5 mm) wurde im Verlauf dieser Arbeit die Probenvorbereitung immer weiter reduziert und der Einfluss verschiedener Kenngrößen untersucht. Diese Einflussfaktoren können die Dichte und die Homogenität der Probe, sowie Korngrößeneffekte und die Feuchtigkeit sein. Anhand des RMSE (Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme) und unter Berücksichtigung der Residuen werden die jeweils erstellten Kalibriermodelle miteinander verglichen. Um die Güte der Modelle zu bewerten, wurden diese mit einem Testset validiert. Hierfür standen 662 Bodenproben von 15 verschiedenen Standorten in Deutschland zur Verfügung. Da die Ergebnisse an gepressten Tabletten für die Elemente Al, Si, K, Ca, Ti, Mn, Fe und Zn den Anforderungen für eine spätere Online-Analyse entsprechen, wurden im weiteren Verlauf dieser Arbeit Kalibriermodelle mit losen Bodenproben erstellt. Auch hier konnten gute Ergebnisse durch ausreichende Nachweisgrenzen und eine niedrige gemittelte Messabweichung bei der Vorhersage unbekannter Testproben erzielt werden. Es zeigte sich, dass die Vorhersagefähigkeit mit der multivariaten PLSR besser ist als mit der univariaten Datenauswertung, insbesondere für die Elemente Mn und Zn. Der untersuchte Einfluss der Feuchtigkeit und der Korngrößen auf die Quantifizierung der Elementgehalte war vor allem bei leichteren Elementen deutlich zu sehen. Es konnte schließlich eine multivariate Kalibrierung unter Berücksichtigung dieser Faktoren für die Elemente Al bis Zn erstellt werden, so dass ein Einsatz an Böden auf dem Acker möglich sein sollte. Eine höhere Messunsicherheit muss dabei einkalkuliert werden. Für eine spätere Probennahme auf dem Feld wurde zudem der Unterschied zwischen statischen und dynamischen Messungen betrachtet, wobei sich zeigte, dass beide Varianten genutzt werden können. Zum Abschluss wurde der hier eingesetzte Sensor mit einem kommerziell erhältlichen Hand-Gerät auf sein Quantifizierungspotential hin verglichen. Der Sensor weist anhand seiner Ergebnisse ein großes Potential als Online-Sensor für die Messplattform auf. Die Ergebnisse unter Laborbedingungen zeigen, dass eine robuste Analyse Ackerböden unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren möglich ist. KW - Boden KW - Chemometrie KW - ICP-OES KW - Nährelemente KW - PLS-R KW - Röntgenfluoreszenz KW - Prozessanalytik PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-483735 DO - https://doi.org/https://doi.org/10.25932/publishup-48373 SP - 1 EP - 106 PB - Universität Potsdam CY - Potsdam AN - OPUS4-52182 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -