TY - CONF A1 - Neumann, Martin A1 - Eisenacher, Germar A1 - Schönfelder, Thorsten A1 - Wille, Frank T1 - Development of a material model for the crush of spruce wood N2 - Typical transport packages used in Germany are equipped with wooden impact limiting devices. In this paper we give an overview of the latest status regarding the development of a finite element material model for the crush of spruce wood. Although the crush of wood – mainly in longitudinal direction – is a phenomenon governed by macroscopic fracture and failure of wood fibres we smear fracture and failure mechanisms over the continuous voume. In first step we altered an existing LS-DYNA material model for foams, which considers an ellipse shaped yield surface written in terms of the first two stress invariants. The evolution of the yield surface in the existing model depends on the volumetric strain only. For the use with spruce wood, we modified the existing material model to consider the deviatoric strain for the evolution of the yield surface as well. This is in accordance with the results of crush tests with spruce wood specimens, where the crushing deformation was rather deviatoric for uniaxial stress states and rather volumetric for multiaxial stress states We rate the basic idea of this approach to be reasonable, though other problems exist regarding the shape of the yield surface and the assumption of isotropic material properties. Therefore we developed a new transversal isotropic material model with two main directions, which considers different yield curves according to the multiaxiality of the stress state via a multi-surface yield criterion and a non-associated flow rule. The results show the ability to reproduce the basic strength characteristics of spruce wood. Nevertheless, problems with regularization etc. show that additional investigations are necessary. T2 - ASME PVP 2017 CY - Waikaloa, HY, USA DA - 16.07.2017 KW - Chrush KW - Spruce KW - Wood KW - FEM PY - 2017 SN - 978-0-7918-5802-8 VL - 7 SP - Article UNSP V007T07A037, 1 EP - 9 AN - OPUS4-41613 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schönfelder, Thorsten A1 - Mair, Georg W. 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 - Mair, Georg W. 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 DO - 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 - Mair, Georg W. 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 - JOUR A1 - Mair, Georg W. A1 - Scherer, Florian A1 - Schönfelder, Thorsten A1 - Scholz, Irene T1 - Die Restfestigkeit von Atemluftflaschen am Lebensende - Einstieg in die Betrachtungen an einem Beispiel N2 - Composite-Druckgefäße kommen auch in Atemschutzgeräten als persönliche Schutzausrüstung (PSA) zunehmend zum Einsatz und sind dabei außergewöhnlich rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt. Da diese durch die angewendeten Normen nominell nicht umfassend abgedeckt sind, wurden die End-of-Life-Restfestigkeiten untersucht. Die untersuchten drei Stichproben bestehen aus je 25 im Feuerwehrbetrieb über 15 Jahre gealterten Composite-Atemluftflaschen eines Baumusters. Mit diesen Restfestigkeitsuntersuchungen wird am Beispiel den Fragen nachgegangen, ob dieses Baumuster statistisch eine ausreichende Sicherheit am Lebensende aufweist und welche Verteilungsfunktionen die Ergebnisse am besten beschreiben. Methodisch kommen für die Prüfung eine konventionelle Berstprüfung, das Konzept der BAM für eine langsamen Berstprüfung und die hydraulische Lastwechselprüfung zur Anwendung. Das Ergebnis zeigt für das Baumuster hinreichende Sicherheit; aber auch die besondere Bedeutung der sog. Frühausfälle für die Statistik und den Bedarf an einer entsprechend auf die Frühausfälle ausgerichteten, zerstörungsfreien Prüfmethode. KW - Faserverbundwerkstoffe KW - Atemluftflaschen KW - Restfestigkeit KW - Stichprobenprüfung KW - Frühausfälle KW - Langsame Berstprüfung KW - Lebensdauer KW - Überlebenswahrscheinlichkeit KW - Kombinierte Verteilung PY - 2014 SN - 2191-0073 VL - 4 IS - 3 SP - 32 EP - 41 PB - Springer-VDI-Verl. CY - Düsseldorf AN - OPUS4-30505 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Schönfelder, Thorsten A1 - Mair, Georg W. 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 W. 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 - THES A1 - Schönfelder, Thorsten T1 - Einfluss thermischer Betriebsbelastungen auf die Sicherheit von Typ-III-Druckgasbehältern N2 - Das Einsatzspektrum von den besonders leichten Druckbehältern aus Faserverbund-werkstoffen erweitert sich kontinuierlich. Dies führt dazu, dass mit der erweiterten Verwendung auch die thermisch zulässigen Einsatzgrenzen dieser Behälter ausgeschöpft und sogar teilweise überschritten werden. So können bspw. Atemluftflaschen im Brandeinsatz der Feuerwehr an der Behälteroberfläche derart hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt werden, dass die zulässige Höchsttemperatur von 65 °C um bis zu 185 °C überschritten wird. Diese Arbeit untersucht und bewertet die Auswirkungen dieser erhöhten thermischen Betriebslasten auf die Typ-III-Atemluftflasche. Dieser Behältertyp besteht aus einem Innenbehälter aus Aluminium, der von einem Faserverbundwerkstoff umschlossen ist. Durch Analyse der thermischen Betriebslasten in ausgewählten Anwendungsbereichen und durch experimentelle Temperaturversuche an Probebehältern konnte gezeigt werden, dass bei der Brandbekämpfung die untersuchten Atemluftflaschen lokal über das in der Zulassung abgeprüfte Temperaturspektrum erhitzt werden. Der Glasübergangsbereich des Faserverbundwerkstoffs wird partiell um bis zu 95 °C überschritten. Um die reale Sicherheit der Atemluftflasche bewerten zu können, wurde ein analytisches Hybridbehältermodell entwickelt, das die Beanspruchungen mit validierten Materialtemperaturverläufen berechnet. Mit der Einbindung von Schädigungsansätzen konnte ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten in den Berechnungen berücksichtigt werden. Die sicherheitstechnische Bewertung basierte auf der Gegenüberstellung der Beanspruchungen aus den realen Betriebsbelastungen und abzuprüfenden Zulassungskriterien. Zudem wurden insgesamt 90 altersbedingt ausgesonderte Feuerwehr-Atemluftflaschen zerstörend geprüft, um nähere Erkenntnisse über den Sicherheitszustand am Ende der Lebenszeit zu erhalten. Die Versuche wurden ebenfalls zur Validierung der Schädigungsansätze genutzt. Als Ergebnis der Arbeit wird am Beispiel des untersuchten Baumusters gezeigt, dass die Sicherheit dieser Atemluftflasche am Lebensende noch hinreichend ist. Jedoch konnte an einigen Exemplaren dieses großzügig dimensionierten Baumusters eine erhöhte Abnahme der Festigkeit festgestellt werden. Sollten Atemluftflaschen auf die vorgeschriebenen Normanforderungen optimiert werden, d.h. weniger überdimensioniert sein, wäre dem thermisch bedingten Sicherheitsverlust eine erheblich detailliertere Aufmerksamkeit zu widmen. N2 - The application range of the particularly light pressure cylinders made of fiber composite material is continuously expanding. The result is that the thermally permissible operating limits of these cylinders are fully exploited or even partly exceeded. Thus, for example the breathing air cylinder used by fire fighters is exposed to such high ambient temperatures that the upper temperature of the applied test of 65 °C is exceeded for up to 185 °C. This thesis analyzes and assesses the effects of these increased thermal operating loads on the type III breathing air cylinder. This type of cylinder consists of an inner cylinder made of aluminum, enclosed by fiber composite material. By analyzing the thermal operating loads in selected application areas and by experimental temperature tests on sample cylinders it could be shown that the analyzed breathing air cylinder during firefighting is heated locally above the tested approval temperature range. The glass transition range of the fiber composite material is exceeded partially by up to 95 °C. In order to assess the real safety of the breathing air cylinder, an analytical composite-hybrid cylinder model has been developed which calculates the stresses using validated material temperature gradients. With the integration of theoretical concepts as regards various damages a thermal degradation which has not been sufficient acclaimed yet could be included in the calculations. The safety assessment is based on the comparison of the stresses from the real operating loads and the evaluated approval criterias. In addition, a total of 90 firefighting breathing air cylinders which have become obsolete and thus taken out of service, were destructively tested to obtain more precise knowledge about the safety status at the end of life. The tests were also used to validate the damage approaches. Based on the example of the analyzed sample of a breathing air cylinder the results of this thesis show that the safety of this sample at the end of life is still sufficient. However, an increased reduction in strength was observed at some specimens of this highly overdimensioned design type. If breathing air cylinders are optimized to the required standards, i.e. being less overdimensioned, a more detailed attention must be focused on the thermally induced loss of safety. KW - Druckgasbehälter KW - Sicherheit KW - Composite KW - Faserverbundwerkstoff KW - Temperatur KW - Feuerwehr KW - Zulassung KW - Degradation PY - 2017 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:468-20171108-090008-4 SP - 1 EP - 158 PB - Bergische Universität CY - Wuppertal AN - OPUS4-43332 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Neumann, Martin A1 - Eisenacher, Germar A1 - Schönfelder, Thorsten A1 - Wille, Frank T1 - Finite element simulation of the crush of package components made of encapsulated wood N2 - Typical transport packages used in Germany are equipped with encapsulated wooden impact limiting devices. We would like to present the current status regarding the development of a Finite Element (FE) material model for the crush of wood for the FE-code LS-DYNA. The crush of is a phenomenon governed by macroscopic fracture. Here, we would like to reproduce fracture and failure mechanisms over the continuous volume. In a first step we altered an existing LS-DYNA material model for foams, which considers an ellipse shaped yield surface. For the use for longitudinal compression of wood, we modified the existing material model to consider the deviatoric strain for the evolution of the yield surface as well. This is in accordance with the results of crush tests with spruce wood specimens, where the crushing deformation was rather deviatoric for uniaxial stress states and rather volumetric for multiaxial stress states We rate the basic idea of this approach to be reasonable, though other problems exist regarding the shape of the yield surface and the assumption of isotropic material properties. Therefore we developed a new transversal isotropic material model with two main directions, which considers different yield curves according to the multiaxiality of the stress state via a multi-surface yield criterion and a non-associated flow rule. The results show the ability to reproduce the basic strength characteristics of spruce wood. Nevertheless, problems with regularization etc. show that additional investigations are necessary. T2 - 11th International Conference on the Transport, Storage and Disposal of Radioactive Materials CY - London, UK DA - 15.05.2018 KW - Wood KW - FEM PY - 2018 SP - Paper 18517, 1 EP - 12 AN - OPUS4-45091 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Schönfelder, Thorsten A1 - Müller, Lars A1 - Komann, Steffen A1 - Wille, Frank ED - Schönfelder, Thorsten T1 - Design assessment of a dual purpose cask for damaged spent nuclear fuel N2 - German package design approvals were granted recently for dual purpose casks (DPC) intended for loading with encapsulated damaged spent nuclear fuel (DSNF). Comprehensive assessment procedures were carried out by the authority BAM with respect to the mechanical and thermal package design, the activity release of radioactive material and quality assurance aspects for manufacturing and operation of each packaging. The objective of each procedure was to verify the Package Design Safety Report (PDSR) and the relevant guidelines fulfils the requirements of the IAEA regulations. Previous approvals of German SNF package designs consider mainly standard fuel assemblies with defined specifications and properties for transport and interim storage. Due to the nuclear power phase-out in Germany all kinds of SNF, e.g. damaged spent fuel rods shall be packed in DPC now. Therefore specific requirements shall be considered in accordance with international experiences including IAEA technical reports. The main requirement for DSNF is a tight encapsulation with specific defined properties under transport and storage conditions. Due to the interim storage period of currently up to 40 years the encapsulation with DSNF in the casks shall also be long term durable. Thus specific loading and drying procedures are necessary and had to be qualified during the approval process. BAM assessed these drying procedures and could confirm the long-term behaviour of the encapsulation and the suitability of the drying equipment. This special equipment was qualified in a “cold handling”. In addition, it was shown that the behaviour of the test equipment used in the qualification process was comparable with the original equipment, e.g. test fuel rods or test encapsulation. In the development of the drying process, experience was obtained in how to put the requirements of the IAEA regulations and related IAEA technical reports into practice. The paper gives an overview of approval assessment and testing experience made by BAM and point out the main resulting requirements on drying processes for these kinds of encapsulations with DSNF. T2 - Proceedings of the 19th International Symposium on the Packaging and Transportation of Radioactive Materials PATRAM 2019 CY - New Orleans, USA DA - 04.08.2019 KW - Assessment KW - Dual purpose cask KW - Spent nuclear fuel PY - 2019 SP - Paper 1204, 1 EP - 10 AN - OPUS4-48685 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -