Filtern
Erscheinungsjahr
Dokumenttyp
- Beitrag zu einem Tagungsband (6041) (entfernen)
Sprache
- Englisch (3827)
- Deutsch (2169)
- Mehrsprachig (19)
- Russisch (7)
- Tschechisch (6)
- Französisch (6)
- Spanisch (2)
- Ungarisch (1)
- Italienisch (1)
- Portugiesisch (1)
Schlagworte
- Concrete (115)
- Simulation (90)
- Corrosion (78)
- Structural health monitoring (58)
- Zerstörungsfreie Prüfung (58)
- NDT (54)
- Monitoring (51)
- Reliability (49)
- Beton (46)
- Non-destructive testing (45)
Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (409)
- 7 Bauwerkssicherheit (295)
- 9 Komponentensicherheit (223)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (153)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (99)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (91)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (87)
- 7.2 Ingenieurbau (83)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (80)
- 4 Material und Umwelt (79)
Paper des Monats
- ja (1)
Die Brechung von Röntgenstrahlen (Röntgenrefraktion) an Grenzflächen zwischen Materialien unterschiedlicher Dichte ist analog zur Ablenk-ung von sichtbarem Licht an z.B. Glasoberflächen. Es gibt jedoch zwei wesentliche Unterschiede:
a) konvexe Grenzflächen verursachen Divergenz (d.h. der Brechungsindex n ist kleiner als 1), und
b) die Ablenkungswinkel sind sehr klein, und reichen von einigen Bogensekunden bis zu einigen Bogenminuten (d.h. n ist nahe bei 1);
Wie auch bei sichtbarem Licht ist die Ablenkungsrichtung der Röntgenstrahlen abhängig von der Orientierung der durchstrahlten Grenzfläche. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Röntgenrefraktionsmethoden hervorragend für:
a) die Erkennung und Quantifizierung von Defekten wie Poren und Mikrorissen und
b) die Bewertung von Porosität und Partikeleigenschaften wie Orientierung, Größe und räumliche Verteilung.
Wir zeigen die Anwendung der Röntgenrefraktionsradiographie (2,5D Technik) und der -tomographie (3D Technik) für die Untersuchung verschiedener Probleme in der Werkstoffwissenschaft und -technologie:
a) Sintern von SiC-Grünkörpern
b) Porositätsanalyse in Dieselpartikelfiltersilikaten
c) Faser-Matrix-Haftung in Metall- und Polymermatrixverbundwerkstoffen
d) Mikrorissbildung in Glaskeramik.
Wir zeigen, dass der Einsatz von Röntgenrefraktionsmethoden quantitative Ergebnisse liefert, die direkt als Parameter in Werkstoffmodellen verwendet werden können.
Geometric phase measured per beat period in a ϕ-OTDR based on coherent heterodyne detection is used to measure strain. Proposed method is robust to polarisation mismatch fading as a polarisation mismatch between interfering beams is not a hindrance to the measurement of the geometric phase. The Geometric phase is a function of the intensities of the interfering beams as well as the envelope of the beat signal. Its calculation does not require phase unwrapping and accordingly does not suffer the phase unwrapping errors. It is required to be equated with the traditionally measured phase by applying a scaling factor. The spatial resolution of the measured strain is reduced as it is calculated per beat period. Results are verified using a piezo-electric transducer inline a fiber-under-test.
Die üblichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung mit Ultraschall basieren auf der Verwendung von flüssigen Koppelmitteln. Luftgekoppelte Prüfung setzt sich gegen die konventionellen Verfahren durch, wenn die Flüssigkeit nicht erwünscht oder den Prüfling gar beschädigen kann. Zwei Technologien für Erzeugung von Ultraschallsignalen sind vielversprechend: thermoakustische Wandler und Ferroelektret-Wandler. Basierend auf diesen beiden Technologien wurden Array-Sender gebaut und in diesem Beitrag miteinander verglichen.
Thermoakustische Wandler basieren auf Dünnschichttechnologie und bieten eine resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall. Sie bestehen aus einer dünnen elektrisch leitenden Schicht und werden mit kurzen elektrischen Pulsen angeregt. Die Erhöhung der thermischen Energie führt zur Erzeugung von akustischen Wellen in der umgebenden Luft.
Bei Ferroelektret-Wandlern handelt es sich um polarisierte zelluläre Kunststoffe, die für den Bau eines Array-Senders besonders gut geeignet sind. Einige Ferroelektrete weisen eine hervorragende an Luft angepasste akustische Impedanz auf, so dass auf den Einsatz von Anpassschichten verzichtet werden kann. Ein sehr niedriges mechanisches Übersprechen zwischen einzelnen Elementen ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre.
Mit der Phased-Array-Technik können elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für eine luftgekoppelte Prüfung genutzt werden. Die Schallfelder von diesen beiden Technologien wurden berechnet, gemessen und miteinander verglichen. Die Vorteile und Nachteile der beiden Technologien werden dargestellt.
Phased-Array-Prüfköpfe für luftgekoppelte Ultraschallprüfung auf Basis von zellulären Kunststoffen
(2023)
Luftgekoppelte Ultraschallprüfung setzt sich immer häufiger gegen die konventionelle Ultraschallprüfung von Leichtbaukomponenten durch, und zwar in vielen Industriezweigen von der Holzindustrie bis zur Luftfahrt. Während die Phased-Array-Technik mittlerweile zu dem industriellen Standard im Bereich der Prüfung mit Ankopplung gehört, wird luftgekoppelte Ultraschallprüfung meist mit zwei Wandlern in Durchschallung durchgeführt. Deswegen werden Vorteile der Phased-Array-Technik wie beispielsweise elektronische Fokussierung oder Schwenkung des Einschallwinkels für luftgekoppelte Prüfung selten genutzt.
In diesem Beitrag werden die laufenden Arbeiten an der Entwicklung eines neuen Phased-Array-Geräts vorgestellt, mit dem Schwerpunkt an der Charakterisierung der Prüfköpfe und ihrer Schallfelder. Das Gerät besteht aus einem linearen Phased-Array-Prüfkopf, einer Sende- und einer Empfangseinheit. Die Hauptinnovation unserer Arbeit ist die Anwendung von zellulären Kunststoffen für den Bau eines Arrays, wobei der Sender mit Hochspannung von ca. 1500 V angeregt wird. Geladene zelluläre Polymere werden auch Ferroelektrete oder Piezoelektrete genannt. Sie weisen ein sehr niedriges Elastizitätsmodul und dadurch eine niedrige akustische Impedanz auf, so dass auf den Einbau von Anpassschichten verzichtet werden kann.
Eine sehr niedrige mechanische Kreuzkopplung bei Ferroelektreten ermöglicht eine unabhängige Anregung einzelner Elemente, was bei Piezokompositen deutlich schwieriger wäre. Die Entwicklung der Array-Prüfköpfe wurde durch Berechnungen des Schallfeldes unterstützt, die auf Punktquellensynthese basieren. Die beabsichtigte Anwendung von Phased-Array-Prüfköpfen und des Prüfsystems sind die Durchschallung mit Fokussierung, elektronischer Scan und die Schwenkung des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, angewandt an carbonfaserverstärkten Kunststoffen und ähnlichen Materialien. Die Anwendung von geführten Wellen bietet die Perspektive, Bauteile mit einseitiger Zugänglichkeit zu prüfen.
Bei der Prüfung von Werkstücken mit empfindlichen Oberflächen oder auch hydrophilen Werkstoffen sind traditionelle ultraschallbasierte zerstörungsfreie Prüfmethoden wie die Kontakttechnik oder die Tauchtechnik in vielen Anwendungsfällen aufgrund der Flüssigkeitsankopplung nicht anwendbar.
Die luft-gekoppelte Ultraschallprüfung umgeht diese Problematik und eröffnet neue Prüfszenarien. Derzeit werden zwei Varianten der Schallerzeugung als vielversprechend angesehen: ferroelektrische Folien und thermoakustische Dünnschichtwandler. Thermoakustische Wandler ermöglichen die resonanzfreie Erzeugung von Ultraschall und somit kurze zeitliche Impulse sowie eine sehr breitbandige Anregung. Durch die Verwendung von gekrümmten Substraten ist sowohl eine Herstellung von planaren als auch fokussierten Wandlern möglich.
Dieser Beitrag präsentiert die letzten Forschungsergebnisse im Bezug auf thermoakustischen Wandlern, welche derzeit in einen thermoakustischen Gruppenstrahler münden. Gruppenstrahler erlauben die simultane Änderung des Einschallwinkels, sowie die Verschiebung des Fokuspunktes während der Verwendung.
Durch die Verbindung beider Schlüsseltechnologien, der thermoakustischen Anregung und des Gruppenstrahlerprinzips, wird das Spektrum der klassischen ZfP-Anwendungen, sowie moderner Ansätze wie der Anregung von geführten Wellen oder der Strukturüberwachung erheblich erweitert und bereichert.
Dabei soll innerhalb dieses Beitrages auf die Modellierung des Schallfeldes, die elementweise Charakterisierung und verschiedene Anwendungsszenarien eingegangen werden.
Most transports of radioactive materials are carried out with packages not requiring competent authority approval of design. These encompass – in accordance with the IAEA SSR-6 regulations – packages of the classification excepted, Industrial packages Type 1, 2 and 3 and Type A packages. Currently an upsurge in number and variation of these package designs can be seen in Germany, resulting from the phase out of nuclear energy in Germany as well as e. g. increased use of radioactive material for medical purposes.
A design assessment regarding the package safety is required in the international IAEA SSR-6 regulations. BAM operates facilities for the performance of all regulatory tests required such as drop towers for a wide range of package masses and dimensions, fire test, leak tightness measurements and pressure test facilities. Experiences with several package types are shown.
Additionally, IAEA SSR-6 requires the establishment of a management system for design, manufacture, maintenance, and repair of the packaging as well as for the preparation, consigning, loading, carriage, unloading and receipt of the package. Relevant for Germany, BAM has published guidance material on the process of management system acceptance in the technical guide BAM-GGR 016. The requirements encompass quality management plans for the manufacturing of packages including independent manufacturing surveillance and specific instructions for operation, maintenance, and repair of packagings. Examples for management system specifics and requirements are given.
Since the latest edition of the IAEA SSR-6 regulations an ageing evaluation including systematic ageing management measures are required for all kind of package types. BAM is going to update the guidance material BAM-GGR 016 to support the stakeholders with relevant information to fulfil the ageing aspect for packages not requiring competent authority approval. The paper explains how the ageing aspect may be included in the safety evaluation process and the management system measures and will give an outlook for the future guidance material.
Overview of ongoing research and future prospects on polyethylene neutron shielding materials at bam
(2023)
The extension of the interim storage period of radioactive waste before disposal will cause additional challenges for the nuclear waste management in Germany, so that an extensive knowledge of the long-term performance of casks, including their components and inventories, will be required for future extended storage licenses.
Ultra-high and high molecular weight polyethylenes ((U)HMW-PE) are used for neutron shielding purposes in casks for storage and transport of spent fuel and high-level waste due to their extremely high hydrogen content. During their service life of several decades as cask components, the PE materials are exposed to neutron and gamma radiation from the radioactive inventory of the casks, mechanical assembling stresses and temperature. All these combined effects affect the material properties of such components which in turn may be crucial for some possible accident scenarios.
At the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), the effects of high temperature exposure in combination with subsequent or previous irradiation were investigated with a comprehensive aging program including thermal aging at 125 °C for different aging periods up to 5 years and irradiation with doses ranging from 50 to 600 kGy.
This contribution provides an overview of the ongoing research related to the structural changes of (U)HMW-PE induced by gamma irradiation and high temperature exposure and focuses on current research perspectives at BAM with regard to the prediction of the dynamic behavior of the material during extended interim storage in case of an accident scenario. First results of the coupled effect of temperature, radiation and mechanical loading will be presented. The effect of microstructural changes induced by gamma irradiation and high temperature on the mechanical behavior of (U)HMW-PE will be assessed.
In Leichtbauanwendungen sind Materialien mit geringen Dichten und hohen Festigkeiten gefragt. Insbesondere Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) erfüllen diese Anforderungen und werden zunehmend für Strukturbauteile eingesetzt. Die Oberflächen moderner Rotorblätter von Windkraftanlagen werden aus FKV gefertigt. Das Versagen dieser Materialien hat massiven Einfluss auf die Einsatzfähigkeit der gesamten Windkraftanlage. Daher ist die Kenntnis des Versagensverhaltens dieser Komponenten unter statischer und zyklischer Belastung von großem Interesse, um die Betriebsbeanspruchung abzuschätzen. Im Idealfall wird die Schadensentwicklung unter Betriebslast mit zerstörungsfreien in-situ-Prüfverfahren ermittelt. Hier berichten wir über die Beobachtung der Rissentwicklung in Carbon-Faserverstärkten Kunststoffen (CFK) unter kontinuierlicher Zugbelastung durch in-situ Synchrotron-Röntgenrefraktionsradiographie. Eine selbst entwickelte elektromechanische Zugprüfmaschine mit einem Kraftbereich bis zu 15 kN wurde in den Strahlengang an der BAMline (BESSY II) integriert. Da in herkömmlichen (Absorptions-) Radiographien Defekte wie Zwischenfaserbrüche oder Faser-Matrix-Enthaftung keinen ausreichenden Kontrast verursachen, wird zur Kontrastanhebung die Röntgenrefraktion benutzt. Hier wird das sogenannte Diffraction Enhanced Imaging (DEI) angewandt, um Primär- und gebrochene Strahlung mit Hilfe eines Analysatorkristalls zu trennen. Diese Technik ermöglicht schnelle Messungen mit einem Gesichtsfeld von einigen Quadratmillimetern (hier: 14 mm × 7.2 mm) und ist ideal für in-situ Untersuchungen. Die Bildgebung und der Zugversuch erfolgen mit einer Bildfrequenz von 0.7 / s und einer Dehnrate von 0.00055 / s . Bei 0°/90° Fasergelegen treten die ersten Zwischenfaserrisse bei 380 MPa (Dehnung 0.8 %) auf. Vor dem Versagen bei ca. 760 MPa (Dehnung 2.0 %) beobachten wir die Ausbildung eines nahezu äquidistanten Rissmusters (Risse in ca. 1 mm Abstand), das sich im geschädigten Zustand über die gesamte Probe erstreckt.
In recent years, fire safety requirements for bus interior materials have been increased and introduced into international regulations. Fire safety requirements for the burning rate, melting and dripping behaviour of interior materials already exist for many years. However, it remains unclear to what extent the release of smoke, combustion products and their toxicity should be limited. Therefore, a research and development project 82.0723 funded by BASt (Federal Highway Research Institute) was initiated to develop a simplified procedure for testing the toxicity and smoke development in case of fire of interior materials used in buses. The scope of the research included calculations to assess the toxicity of fire gases and the derivation of specifications for the formation of practicable limit values for smoke toxicity. Further investigations are needed to derive these limit values for smoke toxicity in order to be applicable for real fire scenarios in buses.
Packages for the transport of radioactive material shall meet the mechanical and thermal test requirements of the International Atomic Energy Agency (IAEA) regulations for package design approval. Besides mechanical testing, the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) performs thermal tests in accordance with the IAEA regulations. The thermal test includes a 30-minute 800°C fully engulfing fire.
BAM continuously performs various thermal experiments for the investigation of the thermal response of packages with respect to the IAEA fire. The purpose of this paper is to give an overview of the already performed, ongoing and future physical tests and experiments of BAM in the field of thermal investigations. These research and development works shall support our competencies for the authority package design assessment.
BAM operates a propane gas fire test facility. To be able to carry out comparative investigations and validity between the propane fire and the in detail prescribed pool fire test in the regulations, BAM carries out various calorimetric tests and investigates the boundary conditions of the fire with the help of fire reference packages. At the same time, we are conducting various fire scenarios with wood-filled impact limiters. Large-scale fire tests of impact limiters are carried out on a full scale as well as on a small scale. Influencing variables are investigated in particular by means of geometric changes and the consideration of artificial damages, in particular holes. In addition to propane fire as a heat source, thermal scenarios are also investigated with hydrogen as heat source and an infrared radiator system to ignite test specimens. For these numerous test arrangements, the transferability to existing and newly developed transport package designs is essential and fruitful within the review of design approvals, especially for Dual Purpose casks with a long-lasting operation time.
Die Europäische Kommission präsentierte am 11. Dezember 2019 den European Green Deal, ein Konzept mit dem Ziel, bis zum Jahr 2050 als erster Kontinent Klimaneutralität zu erreichen. Mit Inkrafttreten der Verordnung (EU) 2021/1119 des Europäischen Parlaments und des Europäischen Rates am 29. Juli 2021 zur Schaffung des Rahmens für die Verwirklichung der Klimaneutralität („Europäisches Klimagesetz“), ist dieses, sowie das Ziel der Reduzierung der Nettotreibhausgasemissionen um mindestens 55 % bis 2030 in der Gesetzgebung der Europäischen Union verankert. Die Stahlindustrie in der Europäischen Union mit ca. 57 Mio. t Nettotreibhausgasemissionen im Jahr 2020, die annähernd 2 % der Emissionen der Europäischen Union ausmachen (Inklusive Energie: 127 Mio. t; 4 %), bekennt sich zur erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen bis zum Jahr 2030 und zum Erreichen der Klimaneutralität bis zum Jahr 2050. Als Schlüsselwege zur Verwirklichung dieser Zielstellung hat sie zum einen Smart Carbon Usage (SCU) und zum anderen Carbon Direct Avoidance (CDA) in einer Roadmap formuliert. SCU umfasst CO2-reduzierende Maßnahmen in bestehenden Eisen- und Stahlproduktionsprozessen, Carbon Capture and Storage- (CCS) sowie Carbon Capture and Usage-Technologien (CCU). Wohingegen bei CDA CO2-Emissionen durch erneuerbare elektrische Energie sowie wasserstoffbasierte Reduktion des Eisenerzes gar nicht erst entstehen sollen. Der CDA-Weg, der voraussichtlich beschritten werden muss, um eine klimaneutrale Stahlproduktion zu erreichen [38], geht mit einer kostenintensiven Transformation der Stahlproduktion einher, die bereits von vielen Unternehmen der Stahlindustrie eingeleitet wurde und von der im Wesentlichen die beiden in Europa vorherrschenden Stahlproduktionsrouten Hochofen-Konverter-Route und Elektrolichtbogenofen-Route betroffen sind. Die CO2-Emissionen der Hochofen-Konverter-Route, von denen der überwiegende Anteil auf den Hochofen fällt, liegen laut einer für das Jahr 2015 erstellten Studie bei 1921 kg CO2/t Rohstahl inklusive der CO2-Last der Pellets als Einsatzmaterial sowie der Emissionen der nachgelagerten Stranggießanlagen und Walzwerke. Im Hochofen wird das Eisenerz durch Kohlenstoff (C) bzw. Kohlenstoffmonoxid (CO) – welche größtenteils aus dem Koks, der dem Hochofen zusammen mit dem Möller über die Gicht zugeführten wird, stammen – unter Entstehung von Roheisen und Kohlenstoffdioxid (CO2) reduziert. Das neben dem CO2 im Prozessgas enthaltene CO wird zum Beispiel zur Energiegewinnung in peripheren Prozessen ebenfalls unter Bildung von CO2 verbrannt. Zusätzlich zur Reduktion hat der Koks unter anderem physikalische Aufgaben, wie die Errichtung eines Stützgerüstes und die Gewährleistung der Permeabilität im Hochofenprozess. Somit ist eine vollkommene Substitution des Kokses zur Vermeidung der CO2-Emissionen im Hochofen nicht denkbar. Viele Strategien der Stahlunternehmen zum Erreichen der Klimaziele verfolgen daher den Wechsel von der Rohstahlproduktion aus der Hochofen-Konverter-Route hin zur Rohstahlproduktion im Elektrolichtbogenofen (EAF – Electric Arc Furnace) mit dem Einsatz von direkt reduziertem Eisen (Eisenschwamm, DRI – Direct Reduced Iron) aus vorgelagerten Direktreduktionsanlagen, die mit Wasserstoff (H2) als Reduktionsmittel betrieben werden können. Dabei ist die Elektrostahlerzeugung kein neuer Prozess und nimmt in der europäischen Union bereits jetzt einen Anteil von ca. 44 % der Rohstahlproduktion ein, jedoch überwiegend mit Schrott als Einsatzmaterial. Bei der Elektrostahlerzeugung mit Schrotteinsatz fallen laut der oben genannten Studie von Lüngen für das Jahr 20152 410 kg CO2-Emissionen pro Tonne Rohstahl an, von denen der Großteil auf die CO2-Last der fremd bezogenen elektrischen Energie zurückzuführen ist und daher nicht im Produktionsprozess selbst entsteht. Auch die Direktreduktion wird schon seit 1972 in der weltweit zweiten und bis heute in Westeuropa einzigen Direktreduktionsanlage in Hamburg betrieben. Während hier noch mit einem Reduktionsgas gearbeitet wird, das hauptsächlich aus einem aus Erdgas gewonnenen Wasserstoff-Kohlenstoffmonoxid-Gemisch besteht, liegt eine aktuelle Kernherausforderung in der Bereitstellung des in der Größenordnung der von der Transformation betroffenen Rohstahlproduktionskapazitäten notwendigen, mit erneuerbarer elektrischer Energie hergestellten Wasserstoffs. Wird zusätzlich der Strom für das Einschmelzen im Elektrolichtbogenofen aus erneuerbaren Quellen gewonnen und werden schließlich als Brennstoff verwendete Kohle und als Brennstoff verwendetes Erdgas durch CO2-neutrale Bio-Brennstoffe ersetzt, sind sowohl für den Einsatz von mit Wasserstoff reduziertem und auf Pellets ohne CO2-Last basiertem Eisenschwamm als auch für den Einsatz von Schrott CO2-Emissionen von jeweils nur 60 kg CO2/t Rohstahl erreichbar, was eine Reduktion der Emissionen, ausgehend von der Konverter-Hochofen-Route um 97 % und ausgehend von der Schrott-Elektrolichtbogenofen-Route um 85 % bedeuten würde.
Der Betrieb von Elektrolichtbogenöfen macht die an den Standorten vorhandenen Konverter sowie die Infrastruktur für Behandlung und Transport des Roheisens überflüssig. Die fortwährende Nutzung dieser bestehenden Anlagenstruktur dient daher unter anderem als Motivation für die Entwicklung einer zweiten Transformationsstrategie, die einen sogenannten Einschmelzer (SAF – Submerged Arc Furnace) als der Direktreduktionsanlage nachgelagerten Prozess vorsieht, in dem wiederum Roheisen erschmolzen wird, das anschließend im Konverter zu Rohstahl veredelt wird.
Die Transformation der Stahlindustrie beeinflusst einen weiteren CO2-intensiven Industriesektor, nämlich die Zementindustrie die verantwortlich ist für rund 4 % der CO2-Emissionen in der EU. Etwa zwei Drittel dieser Emissionen entfallen als Prozessemissionen auf die Entsäuerung des Rohstoffs Kalkstein (CaCO3), also auf die Abspaltung von CO2 unter Entstehung des für die Herstellung von Zementklinker notwendigen Branntkalks (CaO) als Zwischenstufe bei der Bildung der hydraulischen Phasen Tri- und Dicalciumsilikat. Als eines der fünf Themenfelder (5C-Ansatz: Clinker, Cement, Concrete, Construction, Carbonation), welche die europäische Zementindustrie entlang ihrer Wertschöpfungskette zum Erreichen der gesetzlichen Vorgaben der europäischen Union erarbeitet hat, umfasst das Feld "Cement" zum größten Teil die Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors. Im Jahr 2017 betrug er 77 %, das heißt, dass 23 % des Klinkers durch alternative Materialien ersetzt wurden. Bis zum Jahr 2030 wird ein Faktor von 74 % und bis zum Jahr 2050 von 65 % angestrebt. Den größten Anteil an den Klinkersubstituten hat mit 33 % der Hüttensand aus der Stahlindustrie. Bei der Roheisenproduktion im Hochofen entsteht als Nebenprodukt Hochofenschlacke, die unter Zugabe von Schlackebildnern die Gangart des Möllers und mineralische Koksbestandteile abbindet, sowie weitere unerwünschte Begleitelemente wie Schwefel und Alkalien aufnimmt. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2021 6,90 Mio. t – das entspricht 90 % der gesamten produzierten Hochofenschlacke – zu glasig erstarrtem Hüttensand granuliert. Dieser Hüttensand besitzt latent hydraulische Eigenschaften und wird daher seit mehr als 140 Jahren als Zementbestandteil eingesetzt, wodurch in Deutschland jährlich rund 4,5 Mio. t CO2-Emissionen eingespart werden. Alle Transformationsstrategien der Stahlindustrie beinhalten die notwendige Außerbetriebnahme der CO2-intensiven Hochöfen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass die Hochofenschlacke als Nebenprodukt der Rohstahlerzeugung im Hochofen nicht mehr zur Verfügung stehen wird, wodurch die weitere Reduzierung des Klinker-Zement-Faktors erhebliche Zusatzmengen alternativer Materialien benötigen wird. Derzeit ist noch unklar, ob z.B. calcinierte Tone im benötigten Umfang erzeugt werden können.
Der Fachbereich Thermochemische Reststoffbehandlung und Wertstoffrückgewinnung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und das Institut für Baustoffforschung FEhS forschen zusammen mit Industriepartnern und weiteren Forschungseinrichtungen im Rahmen zweier Projekte in den Kooperationssphären der Stahl- und Zementindustrie, die zur Bewältigung dieser Herausforderungen beitragen. Im Projekt SlagCEM wird die Produktion eines hydraulischen Zementbestandteils durch Reduktion von Konverter- bzw. Linz-Donawitz-Schlacke (LDS) untersucht. Die mit den zusätzlich aufgenommen Lichtbogenofenkapazitäten steigenden Mengen an Elektrolichtbogenofenschlacke (EOS, engl. electric arc furnace slag, EAFS) werden im Projekt DRI-EOS behandelt, welches die Produktion eines latent hydraulischen Hüttensandsubstituts zum Ziel hat.
Komponenten von Fahrrädern werden im Betrieb vorwiegend schwingend beansprucht. Typische Werkstoffe sind Stahl, Aluminiumlegierungen, Messing, CFK und thermoplastische Kunststoffe. Da es sich, unabhängig von der Preiskategorie, um konstruktiven Leichtbau handelt, werden einige Bauteile betriebsfest mehr oder weniger weit oberhalb der Dauerfestigkeit ausgelegt. Die im normalen Betrieb auftretenden Schäden sind daher weit überwiegend Schwingbrüche. Andere Schadensmechanismen wie z.B. Korrosion spielen quantitativ eine untergeordnete Rolle. Schwingbrüche treten nach einer Periode unbemerkten Risswachstums oft ohne Vorwarnung und ohne makroskopische Verformung auf. Im Falle von sicherheitsrelevanten Komponenten wie Rahmen, Gabeln, Lenkern, Sattelstützen, Kurbelarmen oder Pedalen kann dies zu erheblichen Personenschäden führen, die den Wert des ursächlichen Bauteilschadens weit überschreiten.
Über einen langjährigen Zeitraum wurden gebrochene Komponenten aus dem Alltag und aus Gerichtsverfahren analysiert. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der fraktographischen Analyse, teilweise wurden die zu Grunde liegenden Schadensursachen ermittelt. Einflussfaktoren sind beispielsweise konstruktive Kerben an ungünstigen Stellen, aber auch Werkstoffwahl und Fertigungsqualität spielen eine Rolle. In den meisten Fällen wurde jedoch die konstruktive Lebensdauer überschritten. Diese wird praktisch nie mitgeteilt, und eine wiederkehrende Prüfung sicherheitsrelevanter Bauteile findet nicht statt.
Im Sinne der Vermeidung von Schäden und Unfällen könnte darauf hingewirkt werden, für sicherheitsrelevante Komponenten Lebensdauern besser abzuschätzen und von der Laufleistung abhängige Sichtprüfungen zu empfehlen.
Multi-sensory monitoring and ultrasound for quality assurance at underground sealing structures
(2023)
Within the safety concepts of underground disposal sites of nuclear waste, engineered barriers play an important role. As these sealing structures have high demands concerning integrity, we aim at advancing the available construction materials, monitoring, and inspection techniques within the project SealWasteSafe. A specifically developed alkali-activated material is compared to classical salt concrete. A comprehensive multi-sensory monitoring scheme is used at 150-340 l specimens to monitor setting and hardening of both materials. All sensors are demonstrated to resist the highly alkaline environments. Besides cabled and wireless temperature and humidity of the materials, strain variations using fibre optic sensors and acoustic emissions are recorded over periods of at least 28 days, partly for more than eight months. After hardening of the specimens, further nondestructive evaluations using ultrasonic echo and thermographic measurements are conducted.
Preliminary results proof the suitability of the tested sensors and clearly highlight differences between the tested materials. Particularly, the newly developed alkali-activated material shows lower acoustic emission activity indicating less cracking activity. Additionally, unique ultrasonic methods will enable better images of potential internal objects and cracks at in-situ sealing structures. A largescale ultrasonic system is optimised to reliably detect objects at a depth exceeding 9 m while still obtaining a good resolution. Modelling studies show the potential of further increasing the distance between individual transducer arrays. Additionally, a new ultrasonic borehole probe using phased arrays allowing for beam focussing is constructed and tested. Laboratory measurements at a halfcylindrical concrete specimen coincide well with the previous modelling. In total, the presented safe materials, detailed monitoring approaches and ultrasonic quality assurance methods will help to obtain safe sealing structures within salt as a host rock. The concepts can partly be transferred to sealing structures in alternative host rocks and will also be valuable for non-nuclear waste repositories.
To better understand the dynamics in hazardous environments, gas distribution mapping aims to map the gas concentration levels of a specified area precisely. Sampling is typically carried out in a spatially sparse manner, either with a mobile robot or a sensor network and concentration values between known data points have to be interpolated. In this paper, we investigate sequential deep learning models that are able to map the gas distribution based on a multiple time step input from a sensor network. We propose a novel hybrid convolutional LSTM - transpose convolutional structure that we train with synthetic gas distribution data. Our results show that learning the spatial and temporal correlation of gas plume patterns outperforms a non-sequential neural network model.
Simulating a Gas Source Localization Algorithm with Gas Dispersion Produced by Recorded Outdoor Wind
(2023)
This paper reports the use of the first gas dispersion simulator capable of introducing large wind fluctuations into simulations. The proposed simulator enables testing of a modification made to a gas source localization algorithm in a realistic scenario in order to study how the change affects it. Gas source localization in an outdoor environment is a challenging task mainly due to the complexity of the gas spread caused by the unpredictable nature of constantly changing wind. Therefore, a novel use of outdoor wind in developing a gas source localization system by simulation is presented in this paper. To consider the characteristic of sudden but large and unpredictable changes in wind direction, we propose to use recorded outdoor wind to simulate a realistic outdoor gas dispersion which has been done for the first time to the best of our knowledge. With the use of this simulator, we have tested a modification to a mobile robot-based gas source localization algorithm. Multiple simulations of the modified and the original particle filter-based algorithm have been done to study the effect of the tested modification. The results showed that a small difference in the algorithm can greatly impact the results. From this study, we show that the use of simulation consisting of the necessary traits to evaluate outdoor gas source localization, has the potential to accelerate the development of a reliable localization system.
Structural build-up describes the stability and early-age strength development of fresh mortar used in 3D printing. lt is influenced by several factors, i.e. the composition of the print able material, the printing regime, and the ambient conditions. The existing modelling approaches for structural build-up usually define the model parameters for a specific material composition with out considering the influence of the ambient conditions. The goal of this contribution is to explicitly include the temperature dependency in the modelling approach. Temperature changes have signifi cant impact on the structural build-up process: an increase of the temperature leads to a faster dissol ution of cement phases and accelerates hydration. The proposed extended model includes temperature dependency using the Arrhenius theory. The new model parameters are successfully calibrated based on Viskomat measurement data using Bayesian inference. Furthermore, a higher impact of the temperature in the re-flocculation as in the structuration stage is observed.
Infrared thermography using a focused (spot or line) beam has proved to be effective for detection of surface breaking cracks on planar samples. In this work, we use the same principle, but applied to complex shaped components, like a rail section, a gear, and a gas turbine blade. We use a six-axis robot arm to move the sample in front of our thermographic setup. Several scanning paths and thermographic parameters are explored: scanning speed, density of points in each scanning slice, laser power and camera frame-rate. Additionally, we explore semi-automatic evaluation algorithms for crack detection, as well as 2D-to-3D registration of the found indications.
FAIR (findable, accessible, interoperable and reusable) data usage is one of the main principals that many of the research and funding organizations include in their strategic plans, which means that following the main principals of FAIR data is required in many research projects. The definition of data being FAIR is very general, and when implementing that for a specific application or project or even setting a standardized procedure within a working group, a company or a research community, many challenges arise. In this contribution, an overview about our experience with different methods, tools and procedures is outlined.
We begin with a motivation on potential use cases for the applications of FAIR data with increasing complexity starting from a reproducible research paper over collaborative projects with multiple participants such as Round-Robin tests up to data-based models within standardization codes, applications in machine learning or parameter estimation of physics-based simulation models.
In a second part, different options for structuring the data are discussed. On the one hand, this includes a discussion on how to define actual data structures and in particular metadata schema, and on the other hand, two different systems for storing the data are discussed. The first one is the openBIS system, which is an open-source Lab notebook and PostgreSQL based data management system. A second option are a semantic representations using RDF based ontologies for the domain of interest.
In a third section, requirements for workflow tools to automate data processing are discussed and their integration into reproducible data analysis is presented with an outlook on required information to be stored as metadata in the database.
Finally, the presented procedures are exemplarily demonstrated for the calibration of a temperature dependent constitutive model for additively manufactured mortar. Metadata schemata for a rheological measurement setup are derived and implemented in an openBIS database. After a short review of a potential numerical model predicting the structural build-up behaviour, the automatic workflow to use the stored data for model parameter estimation is demonstrated.
Die sprunghaft zunehmende Wichtigkeit von FAIR- und Open-Data für die Qualitätssicherung, aber auch für die Nachnutzbarkeit von Daten und den Erkenntnisfortschritt führt zu enormem Flandlungsbedarf in Forschung und Entwicklung. Damit verbunden laufen derzeit vielfältige, ambitionierte Aktionen, z. B. bezüglich der Erstellung von Ontologien und Wissensgraphen. Das Knowhow entwickelt sich rasant, die Ansätze zur Implementation entstehen in verschiedenen Fachwelten bzw. mit
unterschiedlichen Zielsetzungen parallel, so dass recht heterogene Herangehensweisen resultieren.
Diese Veröffentlichung fokussiert auf Arbeiten, die derzeit als möglichst ganzheitlicher Ansatz für Materialdaten im Rahmen der Digitalisierungsinitiative „Plattform MaterialDigital" vorangetrieben werden. Die Autoren bearbeiten baustoffbezogene Aspekte im Verbundprojekt „LeBeDigital - Lebenszyklus von Beton". Zielsetzung ist die digitale Beschreibung des Materialverhaltens von Beton über den kompletten Herstellungsprozess eines Fertigteils mit einer Integration von Daten und Modellen innerhalb eines Workflows zur probabilistischen Material- und Prozessoptimierung.
Es wird über die Vorgehensweise und die dabei gewonnenen Erfahrungen berichtet, nicht ohne den Blick auf die oft unterschätzte Komplexität der Thematik zu lenken.
Zur Simulation des Schallfeldes von beliebig geformten konventionellen Schallquellen existieren viele Ansätze (EFIT, GPSS). Sie alle basieren auf der Annahme eines monochromatischen akustischen Signals, was meist eine gültige Annäherung darstellt. Allerdings sind bei thermoakustischen Quellen aufgrund ihrer Funktionsweise und der hohen Bandbreite viele der existierenden Ansätze nicht direkt anwendbar und können Beobachtungen bei der Vermessung von thermoakustischen Wandlern nicht vollständig abbilden und erklären.
In diesem Beitrag wurde die bekannte Methode der generalisierten Punktquellensynthese (GPSS) für die Berechnung von Schallfeldern von thermoakustischen Schallquellen angewendet. Dabei gehen zahlreiche Parameter wie die Dicke und Geometrie der leitfähigen Schicht, Krümmung des Substrats, sowie die Signalform der Anregung in die Simulation ein. Neu an dem präsentierten Ansatz ist die Abweichung von der üblichen monochromatischen Annäherung und die Berücksichtigung der großen Bandbreite von thermoakustischen Wandlern. Für die Validierung der Simulationen wurden Schallfelder von Quellen mit bekannter Anregung und Geometrie breitbandig durch ein optisches Mikrofon vermessen.
Seit Jahren stellt die luftgekoppelte Ultraschallprüfung eine etablierte Alternative zur konventionellen Prüfung von Leichtbaukomponenten aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Automotive dar. Im Gegenteil zur flüssigkeitsgekoppelten Prüfung in Kontakt oder im Tauchbecken ist sie weniger invasiv und bietet daher zeitliche und finanzielle Anreize.
Normalerweise wird die luftgekoppelte Prüfung mit Einzelelementschwingern in Durchschallung realisiert, wohingegen die Gruppenstrahlertechnik bereits Industriestandard im Bereich der Kontakttechnik darstellt. Die damit verbundenen Vorteile wie die aktive Fokussierung oder, die gezielte Manipulation des Einschallwinkels zur Anregung von geführten Wellen, finden im Bereich der luftgekoppelten Prüfung dabei noch wenig Anwendung.
Im Rahmen dieses Beitrags stellen wir die ersten Zwischenergebnisse des geförderten Projektes „PALUP – Phased- Array-Technik für Luftultraschall-Prüfungen“ vor. Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Mehrelementschwingern auf Basis von zellulären Kunststoffen, die Entwicklung einer dedizierten Pulserstufe im Kilovoltbereich, sowie die nötige rauscharme messtechnische Auswertung jedes Einzelelements.
Gas distribution mapping is important to have an accurate understanding of gas concentration levels in hazardous environments. A major problem is that in-situ gas sensors are only able to measure concentrations at their specific location. The gas distribution in-between the sampling locations must therefore be modeled. In this research, we interpret the task of spatial interpolation between sparsely distributed sensors as a task of enhancing an image's resolution, namely super-resolution. Because autoencoders are proven to perform well for this super-resolution task, we trained a convolutional encoder-decoder neural network to map the gas distribution over a spatially sparse sensor network. Due to the difficulty to collect real-world gas distribution data and missing ground truth, we used synthetic data generated with a gas distribution simulator for training and evaluation of the model. Our results show that the neural network was able to learn the behavior of gas plumes and outperforms simpler interpolation techniques.
Am Beispiel von mehreren Bauvorhaben wird untersucht, mit welchen Unsicherheiten bei der Anwendung von Korrelationen zwischen Sondierergebnissen und Scherwellengeschwindigkeit zur Beschreibung der dynamischen Bodeneigenschaften gerechnet werden muss. Die Auswertung von Korrelationen aus der Literatur zur Abschätzung der Scherwellengeschwindigkeit aus Drucksondierdaten zeigt, dass bei homogenen Sandböden die Verteilung der Scherwellengeschwindigkeit über die Tiefe sehr gut wiedergegeben werden kann. Die Korrelationen haben dabei die Tendenz, den tatsächlichen Wert zu überschätzen. In den vorliegenden Fällen haben sich Überschätzungen zwischen 20 % und 50 % ergeben. Mit zunehmendem Feinkornanteil werden die Unsicherheiten aus den Korrelationen jedoch größer.
Es wird eine gekoppelte Finite-Element-Randelementmethode zur Berechnung von Pfahlgrün-dungen in inhomogenen (geschichteten) Böden vorgestellt. Sie beruht auf den Greenschen Funktionen (Punktlastlösungen) für inhomogene Böden. Diese Lösungen können auch für die Wellenausbreitung in der Tiefe, zum Beispiel von einem Bahntunnel zu einem eingebetteten Gebäude, dem Kellergeschoss benutzt werden. Die Punktlastlösungen in der Tiefe werden mit der Halbraumlösung an der Bodenoberfläche und mit der Vollraumlösung verglichen und Gesetzmäßigkeiten für geschichtete Böden abgeleitet. Zu den Pfahlgründungen werden die Horizontalnachgiebigkeiten von Pfählen in geschichteten Böden dargestellt. Für den homogenen und den kontinuierlich steifer werdenden Boden werden Potenzgesetze für den Boden- und Pfahleinfluss aufgestellt. Der Vergleich mit dem Winkler-Modell der rein lokalen Bodenreaktion zeigt, dass die Winkler-Bettung in allen Fällen einen zu kleinen Bodeneinfluss ergibt.
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.
Hundreds of papyrus rolls, carbonized during the 79CE eruption of Mount Vesuvius, were discovered in 1754 at Herculaneum. Sophisticated mechanical methods for unrolling the best-preserved scrolls have been applied, with varying success. However, such processes have been abandoned, to prevent risk from irremediable damage or loss and to preserve the integrity of the extremely fragile rolls. Following the development of X-ray based non-invasive techniques, attempts to virtually unroll the scrolls were made. The most common ink in Antiquity was carbon-based, and the main element of carbonized papyrus is carbon, making these investigations difficult. However, some attempts with synchrotron X-ray phase-contrast tomography (XPCT) were successful. Recently, the identification of antique inks containing metals raised hope that if some of the inks contain metal the rolls can be virtually unrolled using conventional CT- technique. We investigated the inks of a selection of partially unrolled fragments stored at the Biblioteca Nazionale di Napoli with X-ray fluorescence in order to select the best candidates for tomography. Despite the many difficulties (analysis of several layers sticking together, letters barely visible, difficulty to separate contribution from the ink and from the papyrus, inhomogeneity of the support, fragility of the fragments…), encouraging results were found, with a number of inks from Greek fragments found to contain additions to the soot (Fe, Pb, Cu P).
The tropical environment of Sri Lanka accelerates bio-deterioration of cultural objects. Termites are one of the most damaging insect pests destroying the cellulose components of historical artifacts. Herbal extracts obtained from resin of Vateria copallifera (Retzius) Alston and seeds of Madhuca longifolia (Konig) Macbride have been used for centuries to preserve e.g. palm leaf manuscripts from insect attack. Herbal extractions of these traditional products for palm leaf manuscript were tested for their effect against the termite species Coptotermes formosanus Shiraki, 1909. Natural and artificial aged herbal extractions were tested to obtain a repellent index. Resin oil of V. copallifera caused slightly higher repellencies than M. longifolia. Artificially aged samples produced lower repellencies than naturally aged samples. The results indicate that the active ingredients are volatile. The potential for barrier treatment was tested only with V. copallifera. Tunnelling-behavior of C. formosanus workers through sand in the presence of V. copallifera resin oil was largely reduced.
Atmospheric pressure plasmas interact in various physical ways with their surroundings. They release heat and generate charge carriers, which leads to two effects. The first effect is the generation of acoustic waves due to heat release, known as the thermoacoustic effect, and the second effect is the perturbation of the resting fluid provoked by the release of charge carriers, called “ionic wind”. The direct connection between the charge carrier production of the discharge arrangement and the surroundings also allows the detection of acoustic waves by tracking the electrical current of the arrangement.
This contribution introduces a multi-fluid model approach to describe the acoustic interaction of atmospheric plasmas. In addition, we present experimental results on commercially available and in-house fabricated discharge arrangements for either emitting or receiving acoustic waves.
Fully-reversed fatigue behavior of scarf joint repairs for wind turbine blade shell applications
(2022)
To enable a quick and cost-effective return to service for wind turbine blades, localized repairs can be executed by technicians in the field. Scarf repairs, shown to be highly efficient with a smooth load transition across angled joint walls and a restored aerodynamic profile, are the focus of this work. The failure mechanisms of these structures were examined under quasi-static tensile and fully-reversed cyclic loading. While the scarf ratio was held constant at 1:50, the repair layup was varied between large-to-small and small-to-large. The effect of the presence of resin pockets and the fiber orientation mismatch between parent and repair material on the restored strength of BIAX ±45° glass fiber reinforced polymer scarf joint structures was studied.
A new patented dynamic mechanical analysis (DMA) is presented, where the tensile, bending- or torsional stiffness of a media can be characterized in-situ during the phase transition from liquid to solid. An epoxy system, e.g. Hexion L285/H287, is filled into an elastomer container, such as a silicone tube. This can be mounted into a conventional OMA and, based on a linear viscoelastic approach, the storage modulus (E';G'), the loss modulus (E'';G'') and the loss angle tan(δ) can be measured at constant temperature as a function of time in order to investigate the liquid to sol-gel to solid transition. With this new method, the stiffness increase as a result of the cure process can be directly measured more precisely than with a rheometer in a shear plate set-up, because using an elastomer container gives a defined cross section for calculating the Young's modulus.
Large Scale Experiments have been performed to determine whether a storage vessel containing liquid hydrogen (LH2) and caught in a fire engulfing the vessel can result in a BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) and if so its consequences. The tests were performed at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Germany at the Hydrogen Test Area (H2TA) within a research cooperation between BAM and Gexcon as part of the SH2IFT program. Three tests were performed using double-walled vacuum insulated vessels of 1 m3 volume. The cylindrical Vessels differed in orientation (horizontal or vertical) and the insulation material used (perlite or multi-layer insulation (MLI)). The degree of filling of the vessels was approximately 35-40 % in each of the tests performed. The fire load was provided by a propane fed burner-system positioned under the storage vessel and designed to give a homogeneous fire load. The conditions in the vessel (temperatures and pressure) as well as external effects (heat radiation, blast waves, flame ball development and fragmentation) were measured. All vessels were equipped with K-type thermocouples at several locations at the inner and outer vessel shell. The pressure inside the inner vessel and in the space between the inner and outer vessels (vacuum pressure) was measured. Bolometers were used to measure the heat radiation generated by both the propane fire and that generated by a possible fireball/BLEVE. To measure blast generated by the vessel burst/BLEVEs blast pencils were positioned at up to three locations. Further several cameras were used to monitor the events: normal cameras, infrared (IR)-cameras, high-speed cameras also on board of an UAV. Two of these vessels, a horizontal and a vertical vessel both insulated with perlite withstood the fire loading for 1 hour 20 minutes and 4 hours respectively without catastrophic failure. A horizontal vessel insulated with MLI failed by bursting after 1 hour and 6 minutes resulting in a fireball, fragments, and blast wave.
Large-scale experiments have been performed to investigate the possible consequences of realistic amounts of liquified hydrogen (LH2) encountering water. The experiments aimed at simulating an accidental release of LH2 during especially the fuelling of a ship. For liquified natural gas (LNG) it has been demonstrated that when spilled onto water the evaporation rate can be that high that physical explosions occur which are referred as rapid phase transitions (RPTs). It cannot be excluded that RPTs are also possible in the case of LH2. The tests were performed in a 10 m x 10 m x 1.5 m basin filled with water, at the Test Site Technical Safety of the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in Horstwalde, Germany within a research cooperation between BAM and Gexcon as part of
the SH2IFT program. LH2 releases were established releasing directly from a trailer carrying LH2 through a long flexible double vacuum insulated transfer line. The releases occurred from a height of 50 cm above and 30 cm under the water surface both pointing downwards and 30 cm under the water surface pointing along the water surface too. The release rate was determined based on the weight loss rate of the road tanker which was placed onto load cells. Special blast pressure sensors were used to measure the shock waves generated by the release processes both in the water and in the air. At several locations the gas concentration was measured. Heat radiation was measured at 3 distances from the point of release. High speed,
Infrared (IR) and normal cameras were used to record events and to follow the gas cloud behaviour in time. This includes cameras mounted on a UAV and underwater cameras. Two weather stations were used to measure wind speed, wind direction, temperature and humidity during all tests performed. All investigated release configurations resulted in a very chaotic LH2-water mixing zone, causing considerable evaporation but only minor over pressures.
The main phenomenon observed was an ignition of the released gas cloud, resulting in significant blast wave overpressures and heat radiation to the surroundings. The location of the ignition occurred in free air at some distance from the instrumentation and release location.
Experimental and numerical investigation of prestressed bolt connections under lateral displacements
(2022)
The containment system of transport packages for spent nuclear fuel and high-level waste usually includes bolted lids with metal gaskets. The packages are assessed to specific transport conditions which are specified in the IAEA safety standards SSR-6 (IAEA 2018). These transport conditions, especially the so-called accident conditions of transport, imply high dynamic loading on the lids and the bolt connections of the package. The response of the lid systems on the mechanical accident conditions is generally investigated by experimental drop tests or numerically, e.g., by finite element analyses. The interpretation of the drop test results for the verification of the numerical models is often not obvious due to the complex superposition of different effects in the real tests. BAM has started a research project to get a better understanding about the behavior of prestressed bolt connections under loadings typical for these drop tests. In this context an experimental test set-up was developed to investigate the response of a single bolt connection under a prescribed lateral displacement of clamped parts. The bolt is instrumented by strain gauges to get the pretensional, the torsional and the bending stress in the bolt shank. Furthermore, the lateral movement and the tilt of the bolt head is measured during the test. A finite element model of the test set-up has been created in Abaqus FEA (Simulia 2021). The very detailed instrumentation of the test set-up shall give the opportunity to investigate and validate the numerical model. The aim of this paper is to give an overview about the proposed research project and to present first results.
Die Bestrebungen zur Verringerung der CO2-Emissionen erfordern hochbelastbare und effiziente Komponenten aus Stahl in der Anlagen-, Verfahrens- und Kraftwerkstechnik. Hierfür sind in zunehmendem Maße auf den Anwendungsfall und Stahlwerkstoff abgestimmte Verschleißschutzschich-ten und definierte, zerspante Oberflächen notwendig. Die hohen Härten dieser Schichten und der Einsatz konventioneller Co-basierter Verschleißwerkstoffe führen oftmals zu unwirtschaftlichen Bauteilen, gerade aufgrund hohen Werkzeugverschleißes bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Er-kenntnisse über den Einsatz Ni-basierter Verschleißwerkstoffe und die Optimierung der Zerspanbarkeit mittels Legierungsmodifikationen und moderner hybrider Fräsprozesse ohne Verschlechterung der Ver-schleißschutzeigenschaften sind deshalb für die Anwender und Verarbeiter zur wirtschaftlichen Fertigung hochbelasteter Stahlbauteile wesentlich. Der vorliegende Beitrag stellt die Untersuchungsmethodik eines aktuell laufenden Vorhabens der TU Clausthal und BAM, Berlin, vor. Fokus liegt hierbei auf den hochin-strumentierten Fräsexperimenten, die eine reproduzierbare Analyse und Korrelation zwischen den mik-rostrukturellen Eigenschaften der auftraggeschweißten Legierungen, dem Zerspanprozess und der Zer-spanbarkeit, insbesondere der resultierenden Oberflächenintegrität, ermöglichen sollen.
Influence of the hydroxypropylation of starch on its performance as viscosity modifying agent
(2022)
Synopsis: Starch is a commonly used viscosity modifying agent (VMA). The performance of starch as VMA depends on its origin (e.g. potato, corn, cassava, etc.) and corresponding molecular properties, such as molecular weight, ratio between amylose and amylopectin etc. Depending upon the application, the efficiency of starch can be enhanced by hydroxypropylation. The maximum degree of substitution (DoS) cannot be greater than 3.0, which is the number of hydroxy groups per glucose monomer in the polymer. In the current research three potato starches exhibiting the DoS of 0.4, 0.6 and 0.8 were utilised. The influence of the modified starch on the rheological properties and hydration of cement paste, as well as the viscosity of the pore solution were investigated. Our findings show that the starch with the highest DoS increases the dynamic yield stress the most, while the plastic viscosity is less dependent on the DoS. Additionally, starch with the highest DoS retards hydration to lower degree than other starches.
Synopsis: Lately, there has been rising attention to superplasticizers (SP) based on polyphosphate esters. However, the influence of the molecular structure of the polyphosphate polymers on time-dependent properties such as structural build-up has not been examined yet intensively. To investigate this effect, three comb polyphosphate superplasticizers with different charge densities were synthesised by free radical polymerisation. Our findings indicate that SP with the lowest and medium charge densities extend the induction period more strongly than the SP with the highest charge density. The reduction of the structural build-up rate is linearly dependent on the dosage and concentration of the functional group of polyphosphate SP in the cementitious system. This study proposes a mathematical equation expressing the relationship between the structural build-up rate during the induction period and the molecular structure of the polyphosphate SP.
Drei grundlegend verschiedene Ansätze für Umweltsimulation werden an Beispielen illustriert:
(i) Ganzheitlicher Ansatz - Nachstellen von Umweltmilieus im Labor
Ziel ist hier das Nachstellen von (kombinierten) Umweltbedingungen im Labor; die Umweltparameter werden mit all ihren Wechselwirkungen aufgebracht.
Hauptnutzen ist eine gegenüber der natürlichen Beanspruchung erhöhte Reproduzierbarkeit der Umweltbedingungen. Hat man sein Laborsetup entwickelt, ist es auf verschiedene Materialien anwendbar.
Unter solchen Laborbedingungen ermittelte Lebensdauern sind dabei nicht auf die typischerweise sehr variablen Real-Umweltbedingungen übertragbar.
(ii) Parametrisierter Ansatz - Ermittlung einzelner Materialempfindlichkeiten
Hierbei werden im Labor die Wirkungen separater Umweltparameter auf Materialien nachgestellt. Für eine solche Separation der Einflussfaktoren ist insbesondere die Aufschlüsselung möglicher Wechselwirkungen der Umwelt-parameter (z.B. Mikroklima an bestrahlten Oberflächen) erforderlich. Einzelne (meist Alterungs-) Empfindlichkeiten können qualitativ nachgewiesen werden oder sogar – als Beanspruchungs-Wirkungs-Funktionen – quantifiziert werden, was einen wesentlichen Schritt in Richtung der Digitalisierung der Material¬prüfung darstellt. Insbesondere ist dann auch eine Lebensdauer-vorhersage für vorgegebene Zeitreihen der Beanspruchungs¬parameter umsetzbar.
(iii) Rückwirkungen auf die Umwelt
Umweltbeanspruchungen können zur Freisetzung von Schadstoffen in die Umwelt führen. Durch die Nachstellung kritischer, aber realitätsnaher Einsatzszenarien kann die Menge an freigesetzten Substanzen abgeschätzt werden.
Egal, welcher Ansatz verfolgt wird – ein Vergleich mit der oder einer Real-beanspruchung ist unerlässlich, ebenso wie die Messdatenaufzeichnung (data logging) aller potenziell relevanten Beanspruchungsparameter während dieser Realbeanspruchung.
Obwohl die naturnahe Umwelt – sowohl in der BAM als auch bei der GUS – gegenüber der technischen Umwelt eher untergeordnet auftritt, werden zur Illustration Beispiele aus der naturnahen Umwelt verwendet.
Antibiotic resistance is a growing global problem which poses a massive threat to human health. Although human activity contributes to the acceleration of the process, bacteria have a self-driven stabilisation mechanism to protect themselves from such and other external threats: biofilm formation. Nonetheless, it is the adhesion of a single bacterial cell to a surface that triggers the formation of such network of biomolecules and microorganisms, as well as its hazardous consequences. The main objective of this work was to quantify the adhesion force of a single E. coli cell on a Ti substrate via the AFM-related single-cell force spectroscopy, with both the cell and the substrate material being of high clinical relevance. A set of 25 x 25 force displacement curves was acquired with a maximum force of 3.2 nN without dwell time, yielding a topography map and an adhesion force map that showed to be correlated. A mean adhesion force of 0.85 ± 0.175 nN was measured and the presence of cell appendages on the bacterial cell wall was verified through individual force-displacement curves. Bacterial viability was assessed after the measurements via live/dead staining.
Synopsis: The paper presents the results of a study on the influence of agitation on the structural build-up of fresh cement pastes using a penetration test. It first presents results about the influence of the penetrating shape’s geometry on the influence on the cement paste specimen. Then, results are shown for the load-deflection curves depending upon time and agitation before testing. Based on the observation of the force required to penetrate the sample, conclusions on the structural build-up can be made. The observations were made over the course of time with samples that were left at rest and partly agitated before testing at different time steps. The setup allows to identify the contribution of the chemical reaction to the structural build-up process. The presence of superplasticizer obviously reduces the load that cement paste can withstand, while the loss of thixotropy is found notably lower than that of neat cement pates
It is common practice in the application of finite element analysis to model compression set (CS) of elastomers during aging with two different material models according to the two-network theory of Tobolsky. The theory relies on the existence of two networks. The first one represents the original network after vulcanization and is sensitive to chain scission. The second network accounts for the formation of additional crosslinking during aging. Besides the use of user subroutines to describe the two-network model, an element overlay technique is also needed as the full set of both material behaviors did not exist for assignment to a single element. This element overlay technique is valuable for research and developmental purposes but makes extension to industrial usage quite challenging. Our goal is to simulate the CS of elastomers after long-term aging in a commercial finite element software with no need for extra subroutine codes or mesh superposition.
Ethylene propylene diene (EPDM) O-rings were aged in a compressed state at 75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C for up to 183 days. Investigations of the experimental test results were used to identify material models and their parameters to develop a finite element model to simulate CS. The model was implemented in the finite element software ABAQUS/Standard® with a sequential temperature-displacement coupling.
Regarding the influence of temperature, the Arrhenius equation is adopted for the time-temperature relationship. The activation energy value that is required for the simulation is firstly determined from shifting the experimental CS results with the time-temperature superposition technique and plotting the shift factors in an Arrhenius diagram. The experiments were compared with the simulation results. Afterwards different activation energies were used in the simulation and discussed. A suitable choice of the activation energy value with regard to the reference temperature and the test temperature is presented. With the chosen activation energies, the match between numerical CS values after long-term aging and the experimental results was improved.
Hochfeste Nickelbasislegierungen wie Inconel 939 spielen eine wesentliche Rolle im modernen Turbinenbau. Additive Fertigungstechnologien eröffnen hierbei neue Möglichkeiten für die Verarbeitung, jedoch fehlen verlässliche Fügeprozesse für die Absicherung der additiven Prozesskette im Bereich Neuteilfertigung und Instandsetzung. Insbesondere Heißrisse stellen eine große Herausforderung an die Fügetechnik. Die vorliegende Untersuchung befasst sich daher mit dem Verhalten von additiv gefertigten Blechen aus Inconel 939 beim Elektronenstrahlschweißen. Es werden grundlegende Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Härte und Rissneigung betrachtet und Ansätze für eine Optimierung auf Basis statistischer Versuchsplanung aufgezeigt. Hierbei erfolgt eine Einteilung der Risse nach bestimmten Nahtbereichen. Risse am Nahtkopf können durch die Faktoren Vorschub und Streckenenergie sowie die Härte des Schweißgutes beeinflusst werden. Risse im Bereich der parallelen Nahtflanken stehen hingegen im Zusammenhang mit der Härte der Wärmeinflusszone. Ein abschließender Vergleich der angepassten Parameter mit der Ausgangssituation zeigt, dass durch Anwendung der statistischen Optimierung eine deutliche Reduzierung der Rissneigung erreicht werden kann.
Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on production-similar disks. The aim of this work is to present part of a fracture mechanics-based procedure under development which aims at replacing the tests on production-similar disks with lab tests on fracture mechanics specimens. The finite element simulation of the cracked disk considers the real thermal and mechanical loading conditions. In order to design a lab representative specimen, beside the crack driving force, expressed in terms of 𝐽-integral, also the constraint to plastic deformation e.g., stress triaxiality, at the crack-tip must be similar for the same crack in the specimen and in the disk. This has been achieved and as expected, both the highest 𝐽 -integral and constraint factor are calculated at the same location along the crack front for both disk and specimen. The results of the structural integrity assessment in the form of a Failure Assessment Diagram (FAD) show good agreement between designed specimen and disk both in terms of expected failure mode and value of the critical speed. In addition, probabilistic aspects are also considered in the calculations.
Self-healing agents have the potential to restore mechanical properties and extend service life of composite materials. Thermoplastic healing agents have been extensively investigated for this purpose in epoxy matrix composites due to their strong adhesion to epoxy and their ability to fill in microcracks. One of the most
investigated thermoplastic additives for this purpose is poly(ethylene-co-methacrylic acid) (EMAA). Despite the ability of thermoplastic healing agents to restore mechanical properties, it is important to assess how the addition of thermoplastic healing agents affect properties of the original epoxy material. In this work, EMAA was added to epoxy resin and the effect of the additive on fracture toughness of epoxy was evaluated. Results indicate that although added in low concentrations, EMAA can affect fracture toughness.
The levelized cost of energy (LCoE) is an important measure to quantify the macro-economic efficiency of an offshore wind farm and to enable a quantitative comparison with other types of energy production. The costs of the structural integrity management - which is required to ensure an adequate lifetime reliability of the turbine support structures - are part of the operational expenditures of an offshore wind farm. An optimization of the structural integrity management may reduce the operational expenditures and consequently the LCoE. However, the effect of the structural integrity management on the LCoE is hardly known. To investigate this effect, this paper presents a sensitivity analysis of the LCoE of a generic offshore wind farm. The probabilistic models of the parameters influencing the LCoE are based on a literature study including an explicit model for the structural integrity management.
The analysis reveals that LCoE may potentially be reduced if an optimization of the structural integrity management enables a service life extension.
A semi-automatic thermographic procedure for the assessment of the welded area of resistance projection welded joints has been developed. Currently, to assess the quality of RPW joints destructive tests are used and the more commonly used non-destructive technique is the ultrasonic one. The possibility for a quantitative evaluation of the welded area by thermographic technique has been proved by means of an innovative procedure applied on steel RPW joints with ‘as it’ surface conditions. Measurements obtained by thermography and ultrasound have been compared, to verify the developed procedure.
Larvae and adults of Korynetes caeruleus (de Geer 1775) (Coleoptera: Cleridae) were collected from old churches and reared in the laboratory on Anobium punctatum (de Geer 1774) (Coleoptera, Ptinidea, formerly Anobiidae). Breeding success of K. caeruleus was low, but basic parameters of this species’ developmental cycle were identified. At 21 °C and 75 % relative humidity and a four-month cold period at 4 °C, the development of K. caeruleus from egg to adult appearance lasted 2 years. The pupal stage may be reached and completed after one and a half years. Feeding on larvae of A. punctatum by larvae of K. caeruleus was observed and consisted of a combination of sucking haemolymph and consuming body parts. The sickle-like mandibles of larvae of K. caeruleus penetrate the cuticle of prey larvae followed by pumping and sucking body movements. Adult beetles of A. punctatum were not attacked by K. caeruleus larvae. Feeding behavior of adult K. caeruleus was not investigated.
Self-ignition Behaviour of Bulk Materials: How Reliable is the Extrapolation of Laboratory Tests?
(2022)
The self-ignition behaviour of bulks is usually determined with the aid of isoperibolic or adiabatic hot storage tests; the sample volumes here are typically in the range of approx. 100 cm³ to several litres. The extrapolation to technically relevant volumes holds, however, considerable uncertainties. To reduce these uncertainties, a test stand was set up that allows to investigation sample sizes of up to 1000 dm³. These allow the study of selfignition behavior closer to the conditions that prevail in practice. The suitability (or unsuitability) of the established methods (including dangerous goods classification tests) were to be demonstrated and influencing variables that cannot be measured on a laboratory scale were to be determined.
In addition, various analytical methods were used for the determination of reaction kinetic data of solid bulk materials and to predict the self-ignition behaviour of large storages. These are thermal analyses such as differential scanning calorimetry DSC, simultaneous thermal analysis STA as well as microcalorimetry for highprecision measurement of heat flows.
Complete test series using all mentioned test methods will be presented for crosslinked polyvinyl-pyrrolidone (PVP) and conclusions regarding the applicability of the extrapolation methods will be discussed. Hot storage tests up to semi-industrial scale and their combination with various thermoanalytical methods allow a much more precise prediction of the self-ignition behaviour of large bulks. A further promising approach to estimate their heat release rates, and hence, the risk of self-ignition under technical conditions, is the use of microcalorimetric methods.
11 laser printers from 5 manufacturers were purchased in 2017 and tested for their UFP emissions. Size resolved sampling of the emitted particles was done with a 13 stage (30 nm to 10 µm) low pressure cascade impactor. The sampled particles were analysed for their chemical composition by thermal extraction (vaporization at 290°C) followed by GC-MS analysis. High boiling cyclic siloxanes (D10 to D16) were detected as constituents of UFP from laser printers. In comparison to measurements in 2008, aliphatic long-chain alkanes (C22 to C34) were detected additionally as chemical constituents of UFP from most of the tested printers and their amounts were higher than for cyclic siloxanes. Printers of one manufacturer showed very low UPF emissions compared to the other manufacturers.
Brillouin Optical Frequency Domain Analysis (BOFDA) is a powerful and well-established method for static distributed sensing of temperature and strain. Recently, we demonstrated a BOFDA system based on convolutional neural network which shortens the measurement time considerably. In this paper, we apply leave-one-out cross validation to evaluate the generalization performance and provide an unbiased and reliable machine learning model for a time-efficient BOFDA system.
In this study, the concept of a Zero Mass Flow Liner is evaluated. The concept enables impedance control by the induction of periodic bias flow through the perforated facing sheet of the liner. The periodic bias flow is generated by a secondary high amplitude acoustic actuation. By means of the periodic bias flow, the liner can be tuned to different operating points in a given range of grazing flow velocities. The equivalent fluid impedance model for perforated plates is modified to account for the effects of periodic bias flow and grazing flow. An optimization routine, based on a genetic algorithm, is implemented. The method is applicable to any liner concept and uses the impedance of the lined surface as boundary condition in a numerical simulation. Thereby, a set of liner parameters is derived in order to obtain the desired damping characteristics. Based on the results of the optimization, a Zero Mass Flow Liner is manufactured and consequently evaluated experimentally. The damping characteristics are evaluated in form of the dissipated energy along the lined surface. Prediction and measurements show agreement. The Zero Mass
Flow Liner delivers broad band dissipation of high peak value over a range of grazing flow Mach numbers. Under grazing ow conditions, the effect of periodic bias flow is reduced. This poses high energy requirements in high Mach number flow regimes which might restrict the applicability of the Zero Mass Flow concept to grazing flows of low Mach numbers.