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- 9 Komponentensicherheit (218)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (152)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (96)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (87)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (87)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (84)
- 7.2 Ingenieurbau (82)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (80)
Paper des Monats
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Capillary active interior insulation materials are an important approach to minimize energy losses of historical buildings. A key factor for their performance is a high liquid conductivity, which enables redistribution of liquid moisture within the material. We set up an experiment to investigate the development of moisture profiles within two different interior insulation materials, calcium-silicate (CaSi) and expanded perlite (EP), under constant boundary conditions. The moisture profiles were determined by two different methods: simple destructive sample slicing with subsequent thermogravimetric drying as well as non-destructive NMR measurements with high spatial resolution. The moisture profiles obtained from both methods show good agreement, when compared at the low spatial resolution of sample slicing, which demonstrates the reliability of this method. Moreover, the measured T2-relaxation-time distributions across the sample depth were measured, which may give further insight into the saturation degree of the different pore sizes. In order to explain differences in the moisture profiles between CaSi and EP, we determined their pore-size distribution with different methods: conversion of the NMR T2 relaxationtime distribution at full saturation, mercury intrusion porosimetry and indirect determination from pressure plate measurements. CaSi shows a unimodal distribution at small pore diameters, while in EP, a bi-modal or wider distribution was found. We assume that the smaller pore diameters of CaSi lead to a higher capillary conductivity, which causes a more distributed moisture profile in comparison with that of EP.
Concrete pavement surface textures are divided by means of their dimension into four categories: microtexture, macrotexture, megatexture and roughness. They influence the most important performance characteristics of road surfaces, such as friction (also referred to as “skid resistance”), tire/pavement noise, evenness and surface drainage. These properties are relevant for driving safety, comfort and environmental aspects. Up to now, research in Germany has focused on monitoring these characteristics by tire/pavement noise and skid resistance measurements. However, the topography of surface textures has not been sufficiently investigated and evaluated until now. The development and availability of high-performance, hand-held 3D scanning systems during the last years enable measurements of the microtexture and macrotexture of concrete pavement surfaces at short measuring times and high resolution.
This paper shows the ability of modern laser-based technology to record three-dimensional data of different concrete pavement surface textures in situ. For this purpose, a special measuring frame has been developed. The presented results were primarily obtained within the framework of a research project commissioned by the German Federal Highway Research Institute (BASt) and processed by the Federal Institute for Materials Research and Testing. Various concrete pavement surface textures by means of diamond grinding and hybrid of diamond grinding and grooving were investigated in situ. In addition, exposed aggregate concretes (EAC), which were introduced as a standard type of concrete for motorway pavements in Germany in 2006, have been analyzed. Based on the gathered 3D data, evaluation routines for qualitative and quantitative analysis have been developed and applied. The aim was to derive the statistical parameters such as the relative and cumulative frequency distribution of the profile depth as well as the roughness coefficient for diamond ground pavements and EAC. Also, the “mean profile depth” (MPD) as a common texture-related parameter was determined.
Larven und adulte Käfer von Korynetes caeruleus (DE GEER 1775) (Coleoptera: Cleridae) wurden in alten Kirchen gesammelt und im Labor auf Kulturen von Anobium punctatum (DE GEER 1774) (Coleoptera, Ptinidae, früher Anobiidae) aufgezogen. Der Bruterfolg von K. caeruleus war gering, aber es wurden grundlegende Parameter des Entwicklungszyklus dieser Art ermittelt. Bei 21 °C und 75 % relativer Luftfeuchtigkeit und einer viermonatigen Kälteperiode bei 4 °C dauerte die Entwicklung von K. caeruleus vom Ei bis zum erwachsenen Tier 2 Jahre. Das Puppenstadium kann nach eineinhalb Jahren erreicht und abgeschlossen werden.
Die Larven von K. caeruleus ernährten sich von den Larven von A. punctatum. Die Nahrungsaufnahme ist eine Kombination aus Saugen von Hämolymphe und Verzehr von Körperteilen. Die sichelartigen Mandibeln der Larven von K. caeruleus durchdringen die Cuticula der Beutetierlarven, gefolgt von pumpenden und saugenden Körperbewegungen.
Erwachsene Käfer von A. punctatum wurden von K. caeruleus-Larven nicht angegriffen. Das Fressverhalten von erwachsenen K. caeruleus wurde nicht untersucht.
Against the backdrop of the sustainability transition of economies worldwide, decarbonizing road traffic is high on the agenda. This has focused the interest of policymakers and automobile manufacturers on sustainable, zero-emission powertrain technologies. Among these technologies, hydrogen fuel cell (FC) vehicles have a positive climate impact, given that their hydrogen is produced from renewable energy. However, FC vehicles have not yet gained significant market shares. Therefore, based on the technological innovation systems (TIS) approach, this study analyzes how FC vehicles are influenced by EVs and internal combustion engine (ICE) vehicles as their context structures. To operationalize the technology relations between our focal FC-TIS and its context structures, we use the sum of international publications, patents filed at the European Patent Office, and international ISO and IEC standards as indicators for each technology. Our results show that the FC-TIS is dominated by its context structures, especially regarding commercially relevant patents and international standards. Therefore, we conclude that the FC-TIS is in its formative life-cycle phase and identify the need for intensified patenting and standardization in relation to the competing EVs and ICE vehicles.
Proof load testing may be performed to confirm the reliability of the bridge for an existing classification or to prove the reliability for a higher classification. In this paper, a probabilistic decision analysis approach is applied to the scenario for the evaluation of target proof load in the situation where information on the bridge resistance model is lacking. In this case, the resistance model is established by proof loading and taking very basic prior knowledge into account. The decision scenario is modelled in the context of the proof load test planner who shall choose the required load level for assessment of a bridge. The choice of the load level depends on the risks due to the testing and the expected benefit gain from the test. Information acquired about the loading response from monitoring during the proof load testing is modelled by taking basis in the model uncertainty formulation. The optimal proof load level for classification of a single lane, simply supported bridge of 8m span subjected to live load from very heavy (gross weight > 80 tons) transport vehicles was calculated. The optimal proof load level was identified as leading to a positive expected benefit gain to the decision maker while also satisfying target reliability criteria for remaining service life. The analysis was performed for the evaluation of bridge performance with respect to five classifications of very heavy transport vehicles with different vehicle weights and configurations.
Additive manufacturing (AM) processes such as laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are rapidly gaining popularity in repair applications. Gas turbine components benefit from the hybrid repair process as only damaged areas are removed using conventional machining and rebuilt using an AM process. However, hybrid repair is associated with several challenges such as component fixation and precise geometry detection. This article introduces a novel fixturing system, including a sealing concept to prevent powder sag during the repair process. Furthermore, a high-resolution camera within an industrial PBF-LB/M machine is installed and used for object detection and laser recognition. Herein, process related inaccuracies such as PBF-LB/M laser drift is considered by detection of reference objects. This development is demonstrated by the repair of a representative gas turbine blade. The final offset between AM build-up and component is analysed. An approximate accuracy of 160 μm is achieved with the current setup.
In accordance with the IAEA transport regulations, the design of special form radioactive material (SFRM) shall resist a severe transport accident without undue loss or dispersal of radioactive material. The safety assessment for design approval includes besides the program for physical tests (impact, percussion, bending and heat test) also the evaluation of the management system for design, manufacture, testing, documentation, use, maintenance, and inspection.
SFRM source design plus management system shall ensure, that every specimen of the approved design is able to survive the severe mechanical and thermal tests at any time of its SFRM-working life.
Due to the long-term use of SFRM designs in most cases, the assessment of the source ageing behavior is an important aspect in the approval procedure. Different fields of application imply a wide range of environmental conditions, from clean room atmosphere to highly aggressive industrial conditions. Besides of radioactive content, corrosion is a main factor for possible SFRM design degradation.
Although the IAEA Advisory Material SSG-26 already implies an indication of the need for considering ageing mechanisms, suitable amendments in the regulatory requirements of SSR-6 should be introduced to make the approval procedure more transparent and help to reduce rounds of questions by the authority. A supplementary requirement for considering of ageing mechanisms could be a helpful contribution to an international harmonization of the approval procedure.
This paper will describe major influencing factors to be considered to assess the ageing behavior of a SFRM design and will identify the need for a regulatory specification of a SFRM-working life as basis for the assessment of the SFRM design regarding time-dependent weakening. A proposal for an explicit requirement for consideration of ageing mechanisms in safety assessment of SFRM, which should be considered in the ongoing SSR-6 revision cycle, will be explained.
In this work, we report on our progress for investigating a new experimental approach for thermographic detection of internal defects by performing 2D photothermal super resolution reconstruction. We use modern high-power laser projector technology to repeatedly excite the sample surface photothermally with varying spatially structured 2D pixel patterns. In the subsequent (blind) numerical reconstruction, multiple measurements are combined by exploiting the joint-sparse nature of the defects within the specimen using nonlinear convex optimization methods. As a result, a 2D-sparse defect/inhomogeneity map can be obtained. Using such spatially structured heating combined with compressed sensing and computational imaging methods allows to significantly reduce the experimental complexity and to study larger test surfaces as compared to the one-dimensional approach reported earlier.
The consideration of ageing mechanisms is with integration of the new para 613A into IAEA SSR-6 (Rev. 1) now obligatory for the design of transport packages. In addition, para 809(f) requires for packages intended to be used for shipment after storage the consideration of the effects of ageing mechanisms during storage in safety analyses and the implementation of corresponding instructions for operation and maintenance. Para 503(e) requires that all packaging components and radioactive contents have been maintained during storage in a manner that all requirements specified in IAEA SSR-6 (Rev.1) and in the applicable certificates of approval have been fulfilled.
The evaluation of ageing mechanisms and their effects including monitoring are part of BAM’s authority assessment tasks related to the mechanical and thermal package design and quality assurance aspects. BAM has compiled a guideline for the implementation of ageing assessment and of the measures for ageing management of the approval procedure based on requirements of IAEA SSR-6 (Rev.1). The guideline is applicable only for packages requiring a competent authority approval.
The paper aims to describe the structure of the guideline and the general approach for ageing management requirements. The type and amount of measures for ageing management depend mainly on the use of the package and on the ageing effects for the component, which result from relevant ageing mechanisms during package operation time.
The implementation of measures for ageing management is divided into three levels – systemic measures, package design related measures and documentation. The systemic measures are attributed to the general management system and define the whole activities for organization of ageing management like structure, responsibilities, documentation, reports and evaluation. The package design related measures are defined in an ageing management plan (AMP). These measures shall ensure that the anticipated changes of the package design under consideration of ageing effects still complies with the design approval specification. Therefore, an ageing surveillance program (ASP) and, if necessary, a gap analysis program shall be developed. The ageing management documentation (AMD) ensures the continuous documentation of the compliance of a specific package to the approved package design, comprising mainly records resulting from operation and surveillance.
Based on state-of-the-art research and regulations, the application of the fracture mechanics master curve (MC) concept to ferritic ductile cast iron (DCI) is being investigated in a recently started German joint research project between BAM Berlin and MPA Stuttgart. This paper outlines the research approach and the planned investigations and provides first results.
According to the IAEA guidelines SSG 26, the safety assessment of DCI containers for transport as well as interim and final storage of radioactive materials is based on the fracture mechanics criterion of general crack initiation exclusion. Within this context, the focus of the current research project is on the further development of brittle fracture safety assessment methods under dynamic loading conditions. Within fracture mechanics safety assessments for steels in nuclear technology, the probabilistic MC concept according to ASTM E1921 is currently used for quasi-static loading conditions as a supplement to the established deterministic ASME reference curve concept. The MC concept allows for an effective statistical consideration of the scatter of the material toughness in the transition regime. Furthermore, the MC can also be used for elevated loading rates as they occur in accident or crash scenarios. However, for DCI, a systematic review of potential modifications to the MC assumptions and procedure according to ASTM E1921 and an associated validation are still lacking. Therefore, a corresponding methodology shall be established to determine and assess dynamic fracture toughness values of DCI in the ductile-to-brittle transition regime, using samples extracted from a component.
For the experimental program, a DCI material was produced as it is generally used for transport and storage containers. A basic mechanical-technological material characterization consisting of tensile, Charpy, and Pellini tests is planned. A comprehensive fracture mechanics test program was compiled covering dynamic testing of DC(T)9, C(T)25, C(T)50, SE(B)10, SE(B)25, and SE(B)140 specimens. Moreover, numerical analyses of different specimen geometries and test setups are planned to investigate the influences of stress triaxiality and loading rate. Throughout the experimental program, the microstructure-property relationship will be investigated based on quantitative metallographic and fractographic analyses. Finally, different MC assessment strategies will be considered, and modifications will be made if necessary.
The decommissioning or refurbishment of nuclear facilities necessitates either the storage or disposal of large radioactive components such as steam generators, pressurizers, reactor pressure vessels and heads, and coolant pumps, to list the major contributors. These components or objects are large in size and mass, measuring up to approximately 6 meters in diameter, up to 20 meters in length, and weighing over 400 000 kg. In many situations, the components are transported off-site to a storage, disposal or recycling/treatment facility. Previously, many large objects had to be transported under special arrangement.
We present a temperature sensor based on a polymer exhibiting a Lower Critical Solution Temperature (LCST) in aqueous solution encapsulated in a capillary. Parameters are chosen such that the solution exhibits a cloud point in a temperature range of 30° C to 39°C. The characteristic of thermoresponsive polymers with an LCST, is that above that temperature phase separation of the polymer takes place which leads to a temperature-dependent formation of a cloudy suspension. An optical intensity measurement over the desired temperature range is established by an increase of optical attenuation inside the polymer solution caused by a rising temperature. For our purpose, the polymer capillary is connected to transmitter and receiver via a Polymer Optical Fibre (POF). Our intensity measurement is, to the best of our knowledge, a novel method and can be considered simple when compared to existing fibre-based temperature measurement techniques. Due to the lack of electrical components at the probe, this sensor is suitable for measurements in strong electromagnetic fields and environments for which flying sparks are hazardous, i.e., inflammable fluids or gases. Furthermore, all manufactured sensors share the same temperature dependence and, therefore, are well-suited for comparative measurement, e.g., flow measurement systems. With the given temperature range, a body temperature measurement is also suitable.
Packages for the transport of radioactive materials shall fulfil the requirements of the IAEA regulations for the safe transport. The requirements define mechanical and thermal test conditions including criteria ensuring the package design’s ability to withstand severe accidents and provide a high level of technical safety. Different methods can be used for safety demonstration showing compliance with the regulations.
The central part of a safety demonstration which is presented in this paper was a comprehensive drop test program with a full-scale model of a transport package accompanied by pre- and post-test FE analyses. Using full-scale drop test models allow the benefit that similarity and scaling issues become a significant smaller issue, additional material investigations can be limited and analyses for transferring test results to the original package design are reduced. Additionally, experience for the future serial packaging manufacturing and handling procedures can be collected in a very early state of the design approval process. The pre-test finite element analyses derived and justified the drop test program consisting of several drop sequences with different drop orientations of the specimen. The performance and the results of the drop test sequences shows the manageability and the advantage e.g., in view of the direct availability of test results for the package licensing. On the other hand, the drop test performance shows the difficulties during handling and the need for additional equipment during preparation of the specimen.
The package presented was intended for the transport and storage of compacted radioactive waste from reprocessing of spent nuclear fuel assemblies - designed and applied for approval by the AGC consortium. The project ended in 2021. The package design was characterized by a cask body made of a forged thick stainless-steel shell, a bolted double lid system with metallic gaskets and wood filled shock absorbers at both ends. The total mass of the entire transport package including content was 120,000 kg, the total length was about 7000 mm and the diameter approximately
3000 mm, both measures include the shock absorbers.
The paper provides an insight into the performance of a full-scale drop testing campaign within the package safety evaluation and shows some selected test results.
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.
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.
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.
The current ability to predict the carbonation resistance of alkali-activated materials (AAMs) is incomplete, partly because of widely varying AAM chemistries and variable testing conditions. To identify general correlations between mix design parameters and the carbonation rate of AAMs, RILEM TC 281-CCC Working Group 6 compiled and analysed carbonation data for alkali-activated concretes and mortars from the literature. For comparison purposes, data for blended Portland cement-based concretes with a high percentage of SCMs (≥66% of the binder) were also included in the database. The results show that the water/CaO ratio is not a reliable indicator of the carbonation rate of AAMs. A better indicator of the carbonation rate of AAMs under conditions approximating natural carbonation is their water/(CaO + MgOeq + Na2Oeq + K2Oeq) ratio, where the index ‘eq’ indicates an equivalent amount based on molar masses. This finding can be explained by the CO2 binding capacity of alkaline-earth and alkali metal ions; the obtained correlation also indicates an influence of the space-filling capability of the binding phases of AAMs, as for conventional cements. However, this ratio can serve only as an approximate indicator of carbonation resistance, as other parameters also affect the carbonation resistance of alkali-activated concretes. In addition, the analysis of the dataset revealed peculiarities of accelerated tests using elevated CO2 concentrations for low-Ca AAMs, indicating that even at the relatively modest concentration of 1% CO2, accelerated testing may lead to inaccurate predictions of their carbonation resistance under natural exposure conditions.
The safety demonstration of heavy weight type B transport packages used for storing spent nuclear fuel (SNF) or radioactive waste is ensured by a combination of physical testing and numerical calculations. While experiments are performed in accordance with the IAEA regulations for selected drop scenarios, Finite-Element-Method (FEM) simulations are used to predict the most damaging case and to investigate additional drop positions.
BAM as competent authority in Germany has performed different investigations of a welding seam for a typical large transport package made of A508 forged steel, where the bottom plate is welded to the cylindrical shell. The package has a mass of approx. 120 t. Results of physical drop tests with a full-scale model and accompanying preliminary FEM simulations are presented to determine the decisive stresses in the welding seam. A drop test only represents one set of a package and test parameters. A further parameter analysis is considered to account for allowable variations of packaging properties (e.g. resulting from the manufacturing process) and, based on IAEA requirements, the temperature dependence of the material behaviour. The results of the stress analyses from the drop test and the simulation form the basis and provide the input parameters for a fracture mechanics analysis. In addition to the IAEA specifications, further standards are taken into account for an in-depth investigation, see R6, BS 7910 and API 579-1/ASME FFS1.
All the above-mentioned standards require a manufacturer-specific defect analysis with respect to size and position. Both result from the welding process and the following heat treatment regime. The maximum defect sizes are ensured with non-destructive test methods (such as ultrasonic or particle methods) as integral part of the manufacturing process of the welding seam. Another important parameter in the welding process is the residual stress (secondary stress). The combination of the primary and secondary stress determines the total stress in the welding seam. The most damaging case of the welding seam is determined and evaluated with help of the above-mentioned standards and taking into account the IAEA requirements with respect to defect sizes, material properties, primary and residual stress, yield strength etc.
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.
Friction coefficients for wood-wood and wood-steel interfaces in impact limiters for transport casks
(2023)
Wood is widely used in impact limiters of transport casks for radioactive material. Encapsulated by an outer and inner steel structure, spruce wood is often applied in layers of alternating direction. The friction at the interfaces between these layers is of crucial importance for the impact and energy absorption e.g., at an accidental impact of a cask against a hard target. In order to get detailed information for corresponding numerical calculations, in this study the friction coefficient for the combinations wood-wood and wood-steel was measured in the temperature range between -40°C and 90°C according to the relevant stress conditions for such casks. Results show decreasing friction with increasing temperature, ranging from 0.43 at -40°C to 0.22 for 90°C for wood-steel combinations and from 0.3 at -40°C to 0.24 at 90°C to for a wood-wood combination.
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.
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.
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.
In this study, we present an enhanced deep learning framework for the prediction of porosity based on thermographic in-situ monitoring data of laser powder bed fusion processes. The manufacturing of two cuboid specimens from Haynes 282 (Ni-based alloy) powder was monitored by a short-wave infrared camera. We use thermogram feature data and x-ray computed tomography data to train a convolutional neural network classifier. The classifier is used to perform a multi-class prediction of the spatially resolved porosity level in small sub-volumes of the specimen bulk.
As consequence of the European Green Deal and the European Commission's Circular Economy Action Plan, the product landscape in the EU will undergo fundamental changes. The legal requirements for products are being expanded, not least through the Proposal for an Ecodesign Regulation for Sustainable Products published by the European Commission in 2022. Following the current developments, requirements for the circularity of products will be increased next to the already existing minimum requirements for products’ energy efficiency. Following this development, the lead question has to be: Is the market, in particular small- and medium-sized enterprises, well prepared for this planned green transformation of our economy? The answer is: No, not yet.
What is needed are suitable standards for the implementation of these requirements to reduce additional burdens to an appropriate level and to support fair competition between all market actors concerned. The German Institute for Standardization, the German Commission for Electro-technical, Electronic & Information Technologies and the Association of German Engineers have conducted a review study with the aim of identifying fundamental needs for revising existing standards and for creating new standards - both of which are intended to support and accelerate the transformation of the current economy towards a Circular Economy. More than 700.000 normative documents were analyzed, and the results were discussed and consolidated with more than 1000 experts from manufacturers (organizations), consumer- and environmental organizations as well as from the public sector. As a result, more than 200 gaps in the standardization landscape were identified. In this study, we highlight and analyze the most important needs for standardization activities in the field of electrotechnical-, electronic- and ICT-products. In the discussion with the experts for electrotechnical-, electronic- and ICT products, it has been confirmed that a timely implementation of ambitious political decisions of a circular economy requires a normative basis to ensure its consistency. Furthermore, consensus between experts was that legislation in product regulation would be key and should not be extended to the area of waste legislation. As most important standardization activities accompanying product legislation, the following were identified: (i) creation of a set of indicators enabling a holistic assessment of product circularity, (ii) quality assurance of secondary raw materials and consumers awareness of the product circularity both enabled by appropriate analytics and (iii) clear regulation concerning product liability of repaired, refurbished or remanufactured products. One issue of relevance to all experts concerns the product safety, which must not, under any circumstances, decrease when changing product design to reach a higher degree of circularity. The mentioned and further standardization activities would be essential to kick the can down the circular economy road and are analyzed and summarized in this study.
The individual willingness to pay for sustainable products is significantly influenced by the climate crisis, but is also affected due to additional international crises as the still ongoing pandemic and the war in Ukraine. The better a product labelling is designed, the more likely consumers are to make a well-considered purchase decision at the point-of-sale, which in turn increases the product lifetime of the devices.
The results of this study are based on two consumer surveys with a total of 590 participants. Consumers were asked to make a simulated purchase decision based on the upcoming EU Energy Label for smartphones. Each consumer was presented comparison labels showing different aspects concerning durability (meaning charging cycles, robustness and IP class), repairability, energy efficiency and product price. In addition, there was a question on energy consumption, which was displayed either in Wh/h or in battery endurance per charge in hours.
The analysis of the survey shows a clear ranking of the preferred properties: 1. Durability as best option, Energy efficiency and Repairability as second and third choice. In all categories, a higher price was accepted in favor of a more environmentally friendly product design. When presenting the energy consumption in Wh/h, no reliable distinguishing between higher or lower values was observed. In contrast, higher values were clearly preferred when choosing between different battery runtimes.
Recommendations will be developed for adjustments to the upcoming EU Energy Label for smartphones and other product labels in the future showing circular economy aspects, such as the durability, repairability, recycled content used during production, recyclability or the total footprint of the product.
We report on the development of a field-proven distributed fiber optic sensing system for structural health monitoring in road construction and civil engineering. The system is based on a cost-efficient digital incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR) for distributed strain detection along a polymer optical fiber. In this method, the strain-induced backscatter increase in a graded-index multimode perfluorinated polymer optical fiber (PF-POF) is determined by measuring the complex transfer function of the sensing fiber using a compact digital data acquisition unit.
Wavelength scanning coherent optical time domain reflectometer (WS-COTDR) is a good candidate to spatially resolve the environmental information at comparatively low frequency. This paper reveals it can also work as a traditional optical time domain reflectometer (OTDR) to identify Fresnel reflection by averaging the obtained signal over the wavelength scanning range. Simultaneous distributed vibration sensing and a traditional OTDR measurement are experimentally demonstrated using the WS-COTDR system.
Im vorliegenden Bericht wurde untersucht, Spanndrahtbrüche in einem Brückenträger sowohl mittels Schallemissionsanalyse (SEA) als auch mit (eingebetteter) verteilter faseroptischer akustischer Sensorik (DAS) zu erkennen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bruchsignale anhand beider Messverfahren detektiert werden können. Die jeweils detektierten Drahtbrüche werden miteinander verglichen. Durch eine Gegenüberstellung werden SEA und DAS detailliert dargestellt.
Normung und Standardisierung in der zerstörungsfreien Prüfung finden auf nationaler, europäischer und internationaler Ebene statt. Durch die Übernahme von Leitungsfunktionen in diesen Gremien kann ein deutlicher steuernder Einfluss auf Themen und Inhalte der Normen genommen werden. Unabdingbar für den Erfolg ist zusätzlich das persönliche Engagement der Fachexpert*innen in den nationalen Gremien und den europäischen und internationalen Arbeitsgruppen. Denn wer nicht normt wird genormt und muss letztlich Regeln verwenden, die andere entsprechend ihrer eigenen Interessen gestalten. Voraussetzung für die Teilnahme in europäischen und internationalen Normungsgremien ist die Mitwirkung in den entsprechenden nationalen Spiegelgremien der nationalen Normungsinstitute, welche die europäischen und internationalen Aktivitäten spiegeln und die Fachexperten für die Mitarbeit autorisieren.
Gezeigt werden die relevante Gremienstruktur auf internationaler Ebene (ISO/TC 135 “Non-destructive testing”, ISO/TC 44/SC 5 “Testing and inspection of welds”), auf europäischer Ebene (CEN/TC 138 “Zerstörungsfreie Prüfverfahren”), die Struktur der nationalen deutschen Spiegelgremien, das Zusammenspiel der Gremien, und die Einflussmöglichkeiten.
Das EU Projekt EU FireStat SI2.830108, das vom Europäischen Parlament finanziert und von der DG GROW der Europäischen Kommission in Auftrag gegeben wurde, hat aufgearbeitet, welche Terminologie in den europäische Mitgliedsstaaten verwendet wird und die von den Mitgliedstaaten erhobenen Daten über Gebäudebrände zu analysieren. Dabei wurden die Schwierigkeiten bei der Erfassung und die Unterschiede bei der Auslegung ermittelt und eine gemeinsame Terminologie sowie eine Methode zur Erfassung der erforderlichen Daten vorgeschlagen.
Folgende Schwerpunkte wurden bearbeitet: Zunächst erfolgte eine Diagnose von Terminologie-, Datenerhebungs- und Auslegungsproblemen, Erhebung der Terminologie und der Datenerfassung, Identifizierung der für die Entscheidungsfindung benötigten Daten, Analyse der Methoden zur Datenerhebung Definition einer gemeinsamen Terminologie, Methodik der Kosten-/Nutzenbewertung zur Unterstützung politischer Entscheidungen, Fallstudie zur Anwendung der Methode der Kosten-/Nutzenbewertung, Beschreibung einer zukünftigen Datenerhebungsmethode.
Das Ergebnis des Projekts ist eine Empfehlung, welche Daten in den Mitgliedstaaten erhoben werden sollten, um wissensbasierte Entscheidungen in Bezug auf den Brandschutz zu ermöglichen. Damit wird die Grundlage für Maßnahmen und Initiativen geschaffen, die den Brandschutz und die Brandverhütung der Mitgliedstaaten unterstützen, so dass knappe Ressourcen gezielt eingesetzt werden können.
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.
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.
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.
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.
Setting up sensors for the purpose of environmental monitoring should be a matter of days, but often drags over weeks or even months, preventing scientists from doing real research. Additionally, the newly developed hardware and software solutions are often reinventing existing wheels. In this short paper, we revisit the design of our environmental sensing node that has been monitoring industrial areas over a span of two years. We share our findings and lessons learned. Based on this, we outline how a new generation of sensing node(s) can look like.
This contribution attempts to shed light on the application of POD analyses and measurement uncertainty calculations in nondestructive testing of concrete structures to provide useful and quality-assured information for reliability assessments of our built environment - with an emphasis on ground penetrating radar. It is shown that signal processing techniques affect POD analysis results to varying degrees, that measurement uncertainties are useful to validate PODs, and that the utilization of both POD analysis and measurement uncertainty calculations can pave the way to NDT-based reliability assessment, which will be exemplarily demonstrated in conclusion – generally aiming to derive those maintenance strategies and actions that are in line with actual demands.
Ein großer Teil unserer Brücken wurden in den 1950er bis 1970er Jahren als Spannbetonbrücken gebaut. Mit der damals noch relativ jungen Technologie entstanden elegante, teilweise gewagte Bauwerke mit großen Spannweiten, welche die Vorteile der Materialien Stahl und Beton geschickt kombinieren. Die Standsicherheit einiger dieser Brücken ist heute gefährdet. Die Ursachen liegen in der enorm gewachsenen Belastung durch Schwerverkehr, teilweise ungenügender Wartung und in konstruktiven und Materialschwächen, die der mangelnden Erfahrung mit der Technologie in der Bauzeit geschuldet sind. Ein neuralgischer Punkt der Bauwerke sind die in den Beton integrierten Spannglieder.
Infolge von Korrosion und Ermüdung können Elemente der Spannglieder reißen, wodurch die für das Tragwerk notwendige Spannung und somit die Tragfähigkeit reduziert werden. Nicht bei allen Brücken kündigen sichtbare Risse im Beton oder auffällige Verformungen den Tragfähigkeitsverlust bzw. das finale Versagen rechtzeitig an.
Die Schallemissionsanalyse ist die derzeit einzige Methode, das Reißen einzelner Spannstähle zuverlässig und mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu detektieren. Trotzdem es schon einige Spannbetonbauwerke gibt, die mit Schallemissionsanalyse überwacht werden, ist das Verfahren noch wenig bekannt.
Außerdem fehlen technische Richtlinien, was die Ausschreibung und Vergabe von entsprechenden Aufträgen und die Bewertung der Angebote sehr erschwert. Um sowohl Baulastträger als auch Dienstleistungsanbieter in den Vergabeverfahren und im Betrieb der Monitoringsysteme zu unterstützen, hat sich eine Gruppe von Experten aus den Bereichen Bauingenieurwesen und Schallemission zum Entwurf einer Richtlinie „Detektion von Spanndrahtbrüchen mit Schallemission“ zusammengefunden. Mit diesem Beitrag wird die Richtlinie vorgestellt, deren Bearbeitung bis zur SCHALL 23 abgeschlossen sein soll.
Klebeverbindungen sind aus vielen Anwendungen wie dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Durch die Verklebung gleicher oder ungleicher Materialien entstehen viele Vorteile gegenüber konservativen Fügeverfahren. Jedoch stellen schwache Haftfestigkeiten eine sehr unbeliebte Fehlerart dar, die schlecht zu detektieren sind und zu einem frühzeitigen Versagen der Verklebung bei vergleichsweise geringen Belastungen führen können. Aufgrund hoher Sicherheits- und Qualitätsansprüche wird die Haftfestigkeit dieser Verbindungen jedoch noch immer zerstörend geprüft. Zufriedenstellende zerstörungsfreie Verfahren, um Haftfestigkeiten zu prüfen, sind nicht vorhanden und Thema gegenwärtiger Forschung. Ein Ansatz, der in diesem Projekt verfolgt wird, liegt in der Verwendung geführter Ultraschallwellen.
Hierzu wird anhand von Simulationen mittels der Scaled Boundary Finite Element Methode gezeigt, dass die gezielte Auswertung bestimmter Bereiche des Dispersionsdiagrams, den sogenannten vermiedenen Kreuzungen (engl. mode repulsion regions), eine Charakterisierung der Haftfestigkeiten zulassen könnten. Dies liegt darin begründet, dass die mittleren mechanischen Belastungen der Kleberschicht in diesen Bereichen ein lokales Maximum aufweisen und daher eine erhöhte Sensitivität auf Materialänderungen haben. Es wird gezeigt, wie sensitiv diese Bereiche auf Materialänderungen in der Klebergrenzschicht sind und welche potenziellen Fehlergrößen existieren.
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.
In plate-like structures, ultrasonic waves propagate as Lamb waves. Their use is important for many applications from non-destructive testing to structural health monitoring. Efficient simulation tools contribute to a significant value add e.g. in designing systems for these applications. Under which conditions an acceptable accuracy of these models with affordable computational costs can be achieved is an open question. Many of these applications include the usage of a plane wavefront, simulated in 2D crossesctional models to reduce complexity. In this contribution, a comparative case study between simulations and experiments is presented. The aim is to verify and compare a 2D cross-sectional model with experimental data. The experimental setup for this case study consists of an aluminum plate. A rectangular piezoelectric transducer is mounted for guided wave excitation. A laser Doppler vibrometer (LDV) measures out-of-plane velocities on the plate. A 2D cross-sectional model based on the Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM) is used to simulate the wave propagation of the experimental setup. The first data points near the transducer are used to fit the excitation tractions of the model, while additional points further away from the source are used to validate the model. The comparison between the recorded measurements and the simulated velocities shows a high degree of compatibility.
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.
Akustische Verfahren eignen sich hervorragend zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften. Die Verfügbarkeit derartiger Verfahren ist vor allem für Kunststoffe wichtig, da deren Eigenschaften stark abhängig vom jeweiligen Herstellungsprozess und vom Alterungszustand sind. Exakte und vollständige Werte sind daher in Datenbanken oder von Herstellern nur begrenzt zu finden. Insbesondere die Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung faserverstärkter Kunststoffe (FKV) ist nach wie vor Gegenstand der Forschung. Hier müssen anisotropiebedingt mehrere Kennwerte bestimmt werden. Da FKV zumeist als dünnwandige Bauteile zum Einsatz kommen, können die Werkstoffparameter aus den Dispersionseigenschaften der Lamb-Wellen, die sich in diesen Strukturen ausbreiten, abgeleitet werden. Dazu ist eine räumliche Abtastung des sich ausbreitenden Schallfelds erforderlich.
In der vorliegenden Untersuchung wird dieser Ansatz für die relativ neue Werkstoffklasse der faserverstärkten Thermoplaste angewendet. Diese zeichnet ein ausgeprägtes Dämpfungsverhalten und eine Anisotropie der Materialparameter aus. Dazu wurde das Schallfeld im Ultraschallbereich mit einem Laser-Doppler-Vibrometers vermessen. Rechnerisch bestimmte Dispersionskurven wurden dann an die gemessenen Werte angepasst, womit die richtungsabhängigen Materialparameter bestimmt werden konnten.
Im Vortrag wird das Messverfahren vorgestellt und auf spezielle Probleme, die sich z.B. aus dem Dämpfungsverhalten des Werkstoffs ergeben, eingegangen. Ausgewählte gemessene Werte werden mit den Ergebnissen von Referenzverfahren verglichen.
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.
Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is a spectroscopic method for the analysis of the chemical composition of sample materials. Generally, the measurement of all elements of the periodic table is possible. In particular, light elements such as H, Li, Be, S, C, O, N and halogens can be measured. Calibration with matrix-matching standards allows the quantification of element concentrations. In combination with scanner systems, the two-dimensional element distribution can be determined. Even rough surfaces can be measured by online adjustment of the laser focus. LIBS can also be used on-site with mobile systems. Hand-held systems are available for point measurements.
Common applications include the investigation of material deterioration due to the ingress of harmful ions and their interaction in porous building materials. Due to the high spatial resolution of LIBS and the consideration of the heterogeneity of concrete, the determination of precise input parameters for simulation and modelling of the remaining lifetime of a structure is possible. In addition to the identification of materials, it is also possible to assess the composition for example of hardened concrete, which involves the cement or aggregate type used. Other important fields of application are the detection of environmentally hazardous elements or the material classification for sorting heterogeneous material waste streams during dismantling. Non-contact NDT for “difficult to assess” structures as an example application through safety glass or in combination with robotics and automation are also possible.
In this work, an overview of LIBS investigations on concrete is given based on exemplary laboratory and on-site applications.
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.