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Im Vorhaben wurde eine forcierte Prüfmethode zur Bestimmung der Beständigkeit von metallenen Werkstoffen gegenüber Brennstoffen aus Mitteldestillaten und Gemischen aus Mitteldestillat und paraffinischen Kohlenwasserstoffen, die jeweils Fettsäuremethylester (FAME) als biogene Komponente enthalten, entwickelt. Bei der Prüfmethode werden Prüfkörper des jeweiligen Werkstoffes in speziellen Prüfmedien ausgelagert. Die Zusammensetzung von zwei Prüfmedien wurde im Vorhaben erarbeitet. Diese Prüfmedien erfassen die Effekte der Alterung des FAME, die zu erwarten sind, wenn der Brennstoff länger als 2 Jahre im Feld lagert. Sie decken den Bereich bis 20 % (V/V) FAME-Anteil ab. Die Auslagerung kann bei geringem Aufwand unter Atmosphärendruck durchgeführt werden.
Die Eignung einer Auswahl von metallenen Werkstoffen und Polymerwerkstoffen, die für Versorgungsanlagen für Mitteldestillat relevant sind, wurde durch Auslagerung in folgenden nicht gealterten Brennstoffen bestimmt: Heizöl EL schwefelarm (B0), Heizöl EL schwefelarm mit 20 % (V/V) FAME (B20), FAME (B100) und hydriertes Pflanzenöl (HVO). Die Werkstoffe wurden auch in einem 1 Jahr gealterten B20 und einem 8 Jahre gealtertem B10 ausgelagert. Die Temperatur bei der Auslagerung betrug 50 °C für die metallenen Werkstoffe und 40 °C und 70 °C für die Polymerwerkstoffe. Die Ergebnisse der Beständigkeitsbewertung wurden in Beständigkeitslisten zusammengefasst. Die mit B20 erhaltenen Bewertungen gelten generell für Gemische aus Heizöl EL schwefelarm und FAME mit einem FAME-Gehalt bis 20 % (V/V). Sie sind auch auf Gemische aus Dieselkraftstoff und FAME mit einem FAME-Gehalt bis 20 %(V/V) übertragbar.
Die forcierte Prüfmethode kann insbesondere KMUs bei der Weiterentwicklung von bestehenden Produkten und der Entwicklung von neuen Produkten als ein kostengünstiger Schnelltest zur Überprüfung der Werkstoff- und Bauteilbeständigkeit gegenüber Mitteldestillaten mit hohem FAME-Anteil dienen. Sie kann für die Hersteller die Sicherheit erhöhen, dass Bauteile die Freigabeprüfungen der Bauaufsicht bestehen, wobei die Freigabe jedoch nur für Deutschland gültig ist.
Die Erkenntnisse des Forschungsvorhabens können in eine harmonisierte Europäische Norm für alternative Brenn- und Kraftstoffe einfließen. Diese ist für die Bauteilhersteller die Voraussetzung für die Erschließung des europäischen Marktes.
Die Zementindustrie erzeugt etwa 6-7% der globalen CO2-Emissionen und steht damit als Industriezweig vor dem Hintergrund einer anvisierten Klimaneutralität vor gewaltigen Herausforderungen. Der Prozess der Klinkerherstellung wurde über die vergangenen Jahrzehnte bereits kontinuierlich optimiert. Seit 1990 ist es der deutschen Zementindustrie gelungen, die spezifischen CO2-Emissionen der Zementproduktion u. a. durch den Einsatz alternativer, nicht fossiler Brennstoffe und durch Absenkung des Klinkergehalts im Zement um 20 % zu senken. Weitere konventionelle Minderungsstrategien versprechen jedoch nur noch wenig zusätzliche Reduktion. Im Falle des Portlandklinkers besteht die Schwierigkeit darin, dass zwei Drittel der CO2-Emissionen rohstoffbedingt durch die Entsäuerung des Kalksteins (CaCO3) anfallen, die durch die beschriebenen Maßnahmen nicht weiter abgesenkt werden können. Vielmehr wird es erforderlich sein, noch zu entwickelnde oder zu optimierende Technologien anzuwenden und ggf. alle relevanten Ebenen wie Produktion, Weiterverarbeitung und Anwendung von Zement und Beton neu zu denken. Neben technologischen Ansätzen zur CO2-Abscheidung mit nachfolgender langfristiger Speicherung (Carbon Capture and Storage – CCS) oder Verwertung (Carbon Capture and Utilisation – CCU) werden auch alternative Rohstoffe für die Zementproduktion und alternative Bindemittel in Betracht zu ziehen sein.
An effective protection of structures against impact from detonation of high explosives (HE) necessitate certain design specifications to be met. In the event of an explosion, accidental or intentional, any damage in its neighborhood (especially, for example, to the structures of strategic importance) should remain as low as possible. The behavior of a structure under the shock loading from an explosion will determine the extent of the damage. The investigation of the relevant phenomena that occur during the event of an explosion is the objective of this study.
In accordance with the test parameters, numerical simulations were performed and results were compared with those from field tests. The deformation of the wall under shock impact was simulated by implementing the appropriate interaction of fluid and structure. Moreover, the numerical pressure-time histories in front of the wall were compared with the ones measured in the field by means of piezoelectric pressure gauges, providing a validation for the shock waves’ propagation.
Blast tests are indispensable for investigations of accidental or intentional explosions and to evaluate the level of protection to people and equipment within critical infrastructure. Current capabilities for detailed blast effects assessment are limited to performing full-scale field testing, which, for complex scenarios, are highly resource intensive. In this regard, reliable numerical simulations are an effective alternative option. A discussion of the scope and challenges of using numerical tools for a technical-safety assessment of reinforced concrete structures under blast loading is presented. Different coupling possibilities between shock wave simulations and structural simulations with the help of practical examples is given. An outlook on the development of new methods for structural simulations currently being researched at BAM concludes the presentation.
A safety or security related assessment of explosions, accidental and intentional scenarios alike, often necessitate performance of replication-tests. Such test results are necessary to clarify the causes within the scope of forensic investigations. To gain important insights into the behavior of structures and materials under such loading, field tests may also be performed in accordance with different test standards. To determine the resistance of building-structures after explosions, estimation of the residual load-bearing capacity in addition to the assessment of dynamic structural response and damage to the building components is important. In most cases an evaluation of structural integrity is based only on the visual damage, resulting in an overestimation of the residual capacity.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) operates the Test site for Technical Safety (TTS) on an area measuring about 12 km2 in the Federal State of Brandenburg for execution of true-to-scale explosion tests. At the TTS, building component testing was performed to assess the suitability of different non-destructive testing methods to characterize the dynamic structural response and damage resulting from the detonation of high explosives.
Different blast-loading scenarios were realized by varying the net explosive mass and the standoff distance with all scenarios representing a near-field detonation. The test object was a reinforced concrete wall 2 m high, 2.5 m wide and 20 cm thick, fixed at both vertical edges. The dynamic loading of the wall was characterized with 8 piezoelectric pressure sensors flush-mounted on the front surface, thus measuring the reflected pressures from the shock wave. The tests were conducted with the aim of characterizing the global behavior of the wall under dynamic shock loading and the resulting local damage pattern, respectively. High speed digital image correlation was implemented in combination with multiple acceleration sensors to observe the rear surface of the wall to chart the dynamic deflection during the loading and to determine the residual deformation after the loading had ceased. In addition, one test specimen was instrumented with fiber optic sensor cables, both fixed to the rebars and embedded in the concrete-matrix, respectively. Firstly, these sensors were interrogated during the blast test by a distributed acoustic sensing (DAS) device using a particularly high sampling rate to measure the shock-induced vibrations in the structure with high temporal resolution. This delivers information on dynamics of compression and tension cycles from within the structure. Secondly, the local damage-pattern emerging during the series of blasts was determined via distributed fiber optic strain sensing (DSS) by interrogating the embedded fiber optic sensors with a high spatial resolution DSS device after each blast. This enabled the characterization of non-visual damage to the structure, in particular with regard to the formation of localized cracks in the concrete matrix. The DSS was further complimented by a structure-scanner based on ultrasonic measurements.
Our contribution describes this new test approach in detail. Results of the three datasets, namely dynamic shock loading, global behavior of the test object and the local damage pattern will be presented. The suitability of the implemented measurement methods will be discussed in combination with the challenges in their application for technical safety evaluation of building components under explosive loading.
Current capabilities for full-scale field testing are highly resource intensive. Reliable small-scale experiments are an effective alternative. Characterization of the dynamic response and damage of RC elements to scaled blast loads was investigated in scaled-down field experiments. Spatially resolved information on the dynamic structural response using distributed fiber optic acoustic sensing (DAS) and acceleration as well as blast loading by piezoelectric pressure sensors.
Das langsame Risswachstum (slow crack growth, SCG) sowie der umgebungsbedingte Spannungsriss (environmental stress cracking, ESC) sind relevante Schädigungsmechanismen für teilkristalline Werkstoffe auf Basis von Polyethylen hoher Dichte (PE-HD).
Der Vortrag gibt einerseits einen Überblick über die grundlegenden Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in diesem Kontext, andererseits werden auch verschiedene praxisorientierte Prüfverfahren vorgestellt. Letztere wurden in gemeinsamen Forschungsprojekten von BAM und LBF mit dem Schwerpunkt Gefahrgutbehälter bzw. Pflanzenschutzmittel vergleichend untersucht und durch weitergehende Analytik ergänzt.
Dieses Wissensdokument führt zu den Vertragstexten der früheren ZTV BEL-FÜ (ZTV-ING 8-2) und heutigen ZTV-ING Teil 6 Abschnitt 7 aus und erläutert die „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten, Teil 6: Bauwerksausstattung, Abschnitt 7: Fahrbahnübergänge aus Asphalt“. Dabei geht es insbesondere um Fugen von Ingenieurbauwerken des Verkehrswegebaus, die quer oder in einem bestimmten Winkel zur Fahrbahn verlaufen und befahren werden. Diese Fugen müssen deshalb einerseits in fahrtechnischem Sinne verschlossen werden, damit die Fahrzeuge den Spalt störungsfrei und verkehrssicher überqueren können. Andererseits ist ein Fugenverschluss zum Schutz des Tragwerks vor Feuchte- oder Schadstoffbeanspruchung (Korrosionsgefahr) erforderlich. Je nach Größe des Fugenspaltes und der auftretenden Bewegungen müssen die Fugenfüllungen unterschiedlich ausgebildet werden, um die überquerenden Lasten sicher in das Tragwerk abzuleiten. Bauteile oder Konstruktionen, die diese verkehrstechnische Aufgabe übernehmen, werden allgemein als Fahrbahnübergänge bezeichnet.
Die H ZTV-ING 6-7 ersetzen die „Hinweise und Erläuterungen zu den Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für die Herstellung von Fahrbahnübergängen aus Asphalt in Belägen auf Brücken und anderen Ingenieurbauwerken aus Beton“, Ausgabe 2001.
Die Überarbeitung der „Hinweise und Erläuterungen“ wurde aufgrund der Überarbeitung der ZTV-ING 6-7 erforderlich. Außerdem wurden in den Hinweisen neue Entwicklungen in den Bereichen der Fahrbahnübergänge aus Asphalt mit größeren Einbaubreiten und dehnungsverteilenden Einbauten, der Belagsdehnfugen sowie des Oberflächenabschlusses mit GFK-Platten berücksichtigt.
Composition and Explosibility of Gas Emissions from Lithium-Ion Batteries Undergoing Thermal Runaway
(2023)
Lithium-based batteries have the potential to undergo thermal runaway (TR), during which mixtures of gases are released. The purpose of this study was to assess the explosibility of the gaseous emission from LIBs of an NMC-based cathode during thermal runaway. In the current project, a series of pouch lithium-based battery cells was exposed to abuse conditions (thermal) to study the total amount of gases released and the composition of the gas mixture. First, the battery cells were placed in a closed vessel, and the pressure and temperature rise inside the vessel were measured. In a second step, the composition of gases was analysed using a Fourier transform Infrared (FTIR) spectrometer.
We found that the amount of released gases was up to 102 ± 4 L, with a clear dependence on the battery capacity. This study showed that the concentration of gaseous emissions such as carbon monoxide (CO), methane (CH4), ethylene (C2H4), ethane (C2H6), and hydrogen cyanide (HCN) increased with higher cell capacity. Of the five studied flammable gases, the maximum concentrations of carbon monoxide (16.85 vol%), methane (7.6 vol%), and ethylene (7.86 vol%) were identified to be within their explosible range. Applying Le Chatelier’s law, a calculated lower explosion limit (LEL) of 7% in volume fraction was obtained for the gas mixture. The upper explosion limit (UEL) of the gas mixture was also found to be 31% in volume. A filter comprising pyrobubbles was used for the removal of the studied gas components released during the thermal abuse. The investigation revealed that the pyrobubbles filter was highly effect in the removal of HCN (up to 94% removal) and CO2 (up to 100% removal). Herein, we report the dependency of the method of thermal runaway trigger on the measured maximum temperature.