TY - JOUR A1 - Schönfelder, Thorsten A1 - Mair, Georg A1 - Deuerler, F. ED - Schönfelder, Thorsten T1 - Thermische Betriebslasten von Atemluftflaschen im Feuerwehreinsatz, Teil IV: Sicherheitstechnische Bewertung N2 - Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. In diesem vierten und letzten Teil dieser Aufsatzreihe werden die Ergebnisse der analytischen Beanspruchungsanalysen vorgestellt, die mit dem entwickelten Hybrid-Behältermodell berechnet wurden. Unter simulierten Einsatzbedingungen des Brandeinsatzes wird dabei ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten berücksichtigt. Zur Bewertung der realen Degradation einer Atemluftflasche im Feuerwehrbetrieb, werden zudem die Ergebnisse von 90 zerstörenden Prüfungen vorgestellt, die an altersbedingt ausgesonderten Atemluftflaschen durchgeführt wurden. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe werden final in einer sicherheitstechnischen Bewertung kondensiert. KW - Composite KW - Degradation KW - Druckgasbehälter KW - Faserverbundwerkstoff KW - Feuerwehr KW - Sicherheit PY - 2019 SN - 2191-007 VL - 9 IS - 07/08 SP - 36 EP - 41 PB - Springer CY - Düsseldorf AN - OPUS4-48691 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schönfelder, Thorsten A1 - Mair, Georg A1 - Deuerler, F. T1 - Thermische Betriebslasten von Atemluftflaschen im Feuerwehreinsatz, Teil II N2 - Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten. In diesem zweiten Teil der Untersuchungsreihe werden Strömungsversuche dargestellt, die an dem untersuchten Baumuster einer Typ-III-Atemluftflasche unter Laborbedingungen durchgeführt wurden. Basierend auf den Wärmestrahlungsversuchen des ersten Teils dieser Untersuchungsreihe und auf den Strömungsversuchen wird ein analytischer Berechnungsansatz vorgestellt, der die instationäre Temperaturentwicklung im Material der Typ-III-Atemluftflasche konservativ annähert. Anhand der berechneten Materialtemperaturen kann festgestellt werden, dass unter dem typischen Feuerwehr-Belastungsprofils von 130 °C bis 250 °C die Zulassungstemperatur der Typ-III-Atemluftflasche von 65 °C um bis zu 95 °C überschritten werden kann. Aus diesen Temperaturüberschreitungen können zwei Unsicherheiten identifiziert werden. Die Auslegung des Faserverbundwerkstoffs orientiert sich normgerecht an der oberen Zulassungstemperatur. Wird die Typ-III-Atemluftflasche im Brandeinsatz eingesetzt, ist es möglich, dass der lasttragende Faserverbundwerkstoff partiell über seinen nominellen Auslegungsbereich hinaus erwärmt wird. Eine weitere Unsicherheit ergibt sich für den Sicherheitsnachweis im Rahmen der Zulassungsprüfung. Für die Typ-III-Atemluftflaschen erfolgen für den Temperaturbereich des Brandeinsatzes kein statischer und kein dynamischer Festigkeitsnachweis. KW - Composite KW - Druckgasbehälter KW - Feuerwehr KW - Sicherheit KW - Degradation KW - Faserverbundwerkstoff PY - 2018 SN - 2191-0073 VL - 2018/8 IS - 6 SP - 34 EP - 39 PB - Springer CY - Düsseldorf AN - OPUS4-45249 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schönfelder, Thorsten A1 - Deuerler, F. ED - Schönfelder, Thorsten T1 - Thermische Betriebslasten von Atemluftflaschen im Feuerwehreinsatz, Teil I N2 - Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden im Feuerwehrbetrieb hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Der thermisch sichere Bereich dieser Behälter ist jedoch heutzutage noch nicht einschätzbar. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe werden genutzt, um einzuschätzen, ob es sicherheitstechnisch notwendig ist, besondere thermische Betriebsbedingungen in normativen Prüfkriterien zu berücksichtigen. In einem ersten Schritt wurden Typ-III-Atemluftflaschen der Berliner Feuerwehr Umgebungsbedingungen des typischen Belastungsprofils der Brandbekämpfung (130 °C bis 250 °C, 10 Minuten) ausgesetzt, um die Erwärmung des Behältermaterials zu erfassen. Da die Größe der bestrahlten Oberfläche in einem Brandeinsatz nicht bekannt ist, erfolgte zusätzlich eine Variation der Strahlungsexposition. Strömungsprozesse, die in einem Brandeinsatz den Behälter von innen kühlen, wurden in diesem ersten Untersuchungsabschnitt noch nicht betrachtet. Es konnte gezeigt werden, dass der Aluminium-Liner einer Typ-III-Atemluftflasche einen erheblichen Einfluss auf die Temperaturverteilung im Behältermaterial ausübt. Die hohe Leitfähigkeit des Aluminiums führt bei Verringerung der bestrahlten Behälteroberfläche zu hohen Temperaturgradienten innerhalb der Behälterwand. Die Materialtemperaturen in der Atemluftflasche konnten für das Belastungsprofil der Brandbekämpfung auf ein typisches Temperaturintervall eingegrenzt werden. Die Grenzen liefern Aussagen zur exponierten Behälteroberfläche und liegen zwischen einseitiger und Vollbestrahlung. KW - Composite KW - Druckgasbehälter KW - Sicherheit KW - Feuerwehr PY - 2016 SN - 2191-0073 VL - 6 IS - 11/12 SP - 29 EP - 34 PB - Springer CY - Düsseldorf AN - OPUS4-38600 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schönfelder, Thorsten A1 - Mair, Georg A1 - Deuerler, F. T1 - Thermische Betriebslasten von Atemluftflaschen im Feuerwehreinsatz - Teil III: Modellbildung N2 - Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten. Um die Beanspruchungen innerhalb des Behältermaterials berechnen zu können wird in diesem dritten Teil der Aufsatzreihe die Entwicklung eines analytischen Hybrid-Behältermodells vorgestellt, in dem die für den Brandeinsatz zu erwartenden Materialtemperaturen, deren Ermittlung im Fokus des ersten und zweiten Teils dieser Untersuchungsreihe standen, eingebunden werden. Dabei werden im Modell erstmalig Schädigungsmechanismen berücksichtigt, die eine thermische Überbelastung des Faserverbundwerkstoffs einbeziehen. KW - Composite KW - Degradation KW - Druckgasbehälter KW - Faserverbundwerkstoff KW - Feuerwehr KW - Sicherheit PY - 2018 SN - 2191-0073 VL - 8 IS - 9 SP - 31 EP - 36 PB - Springer CY - Düsseldorf AN - OPUS4-46046 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Mair, Georg A1 - Hoffmann, Martin A1 - Schönfelder, Thorsten ED - Carcassi, M.N. T1 - The slow burst testing of composite cylinders - Part I: Slow burst testing of samples as a method for quantification of cylinder degradation N2 - The current practise of focusing the periodic retesting of composite cylinders primarily on the hydraulic pressure test has to be evaluated as critical - with regard to the damage of the specimen as well as in Terms of their significance. This is justified by micro damages caused to the specimen by the test itself and by a lack of informative values. Thus BAM Federal Institute of Materials Research and Testing (Germany) uses a new approach of validation of composite for the determination of re-test periods. It enables the description of the state of a population of composite cylinders based on destructive tests parallel to operation. An essential aspect of this approach is the prediction of residual safe service life. In cases where it cannot be estimated by means of hydraulic load cycle tests, as a replacement the creep or burst test remains. As a combination of these two test procedures BAM suggests the 'slow burst test SBT'. On this a variety of about 150 burst test results on three design types of cylinders with plastic liners are presented. For this purpose both, the parameters of the test protocol as well as the nature and intensity of the pre-damage artificially aged test samples are analysed statistically. This leads first to an evaluation of the different types of artificial ageing but also to the clear recommendation that conventional burst tests be substituted totally if indented for assessment of composite pressure receptacles. T2 - ICHS2013 - 5th International conference on hydrogen safety CY - Brussels, Belgium DA - 09.09.2013 KW - Residual strength KW - CFRP KW - Gas storage KW - Reliability KW - Sample testing PY - 2013 SN - 978-2-9601366-0-9 SP - 1 EP - 12 AN - OPUS4-29260 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Mair, Georg A1 - Scherer, Florian A1 - Scholz, Irene A1 - Schönfelder, Thorsten T1 - The residual strength of breathing air composite cylinders towards the end of their service life - A first assessment of a real-life sample N2 - Emergency response units increasingly use pressure cylinders made from fibre composites for breathing air as elements of personal protective equipment (PPE). Such applications expose the composite cylinders to harsh temperature and handling conditions. At least in Europe, standards have been used for certifying PPE, which are designed and mandatory for the approval of pressure receptacles for the transport of dangerous goods. Therefore, service conditions specific to PPEs are not accounted for in these standards. In this paper, BAM (Federal Institute for Materials Research and Testing) investigates the residual safety of a composite cylinder design at the end of their designated service life of 15 years. The cylinders (test pressure PH 450 bars; 6.8 Litres) are of one design type with aluminium liner and fully wrapped with carbon fibres, which is commonly considered a “Type III” cylinder. All cylinders were used as PPE by the Berlin fire department and randomly picked in three samples of 25 cylinders each before tested. At BAM, the cylinder samples underwent hydraulic load cycle tests (LCT), conventional burst tests (BT) and so called slow burst tests (SBT). A concept for quantification of strength degradation already introduced by BAM was applied. This concept is based on a probabilistic assessment of the average strength and scatter of each sample of cylinders. The strength distributions of the used PPEcylinders is shown and analysed. Some unexpected effects are shown and a refinement of the statistical assessment is introduced. T2 - ASME 2014 Pressure Vessels and Piping Conference CY - Anaheim, CA, USA DA - 20.07.2014 KW - Composite KW - Assessment KW - Cylinder KW - Residual strenght PY - 2014 SN - 978-0-7918-4603-2 SP - PVP2014-28168, 1 EP - 9 AN - OPUS4-40173 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Mair, Georg A1 - Scholz, Irene A1 - Schönfelder, Thorsten T1 - The residual strength of breathing air composite cylinders toward the end of their service life - a first assessment of a real-life sample N2 - Applications by fire brigades expose the composite cylinders to harsh temperature and handling conditions. Standards have been used for certifying composite cylinders, which are designed for transport of dangerous goods and do not reflect service conditions specific to fire brigades. In this paper, the residual safety of a design type (fully wrapped with aluminum and carbon fiber composite) at the end of their service life of 15 yrs is analyzed. One sample underwent hydraulic load cycle (LC) tests, another conventional burst tests, and the third slow burst tests (SBTs). The statistical evaluation and the handling of an unexpected high amount of early failures are shown. KW - Composite cylinders KW - End of life KW - Slow burst test KW - Residual strength KW - Sample testing KW - Probabilistic KW - Distribution function PY - 2016 U6 - https://doi.org/10.1115/1.4033878 SN - 0094-9930 SN - 1528-8978 VL - 138 IS - 6 SP - PVT-15-1030, 1 EP - 9 PB - American Society of Mechanical Engineers CY - New York, NY AN - OPUS4-33157 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schönfelder, Thorsten A1 - Otremba, Frank T1 - Temperature distribution during filling of a composite receptacle N2 - The arrangement of the measuring sensors allowed the capture of air flow induced temperatures and material temperatures on various points of the cylinder body. Four significant temperature levels could be observed: Inside the cylinder (far from the wall, close to the wall), inside the aluminium liner and outer surface. Figure 5 shows the temperature distribution after a regular filling process with a filling time of ten minutes. The temperature sensors T1 - T9 are marked with different colors. The corresponding measurement points are shown in Figure 4. Due to the high thermal conductivity of the aluminum liner the induced temperature peaks are quickly derived. A flow-induced exceeding of the maximum approval temperature is not expected. Regarding the safety assessement the results show that the pressure and temperature profilesmustbe taken into account. T2 - ASME 2016 International Mechanical Engineering Congress and Exposition (IMECE2016) CY - Phoenix, Arizona, USA DA - 11.11.2016 KW - Distribution during filling KW - Type III composite pressure receptacles PY - 2016 AN - OPUS4-38404 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Becker, Ben A1 - Schönfelder, Thorsten T1 - Statistical Assessment of Sample Test Results T2 - Workshop on Statistical Safety Assessment of Composite Cylinders CY - BAM Berlin DA - 2014-11-17 PY - 2014 AN - OPUS4-32205 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schönfelder, Thorsten T1 - Sicherheit von Atemluftflaschen der Feuerwehr - Ein Beitrag aus der Forschung T2 - Ausgewählte Kapitel der Werkstofftechnik - Brand- und Explosionsverhalten von Werkstoffen CY - Wuppertal, Germany DA - 2013-01-11 PY - 2013 AN - OPUS4-29934 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -