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Three measurement campaigns of train-induced ground vibrations are evaluated for the vehicle-track-soil interaction. Ground vibrations, track vibrations and vehicle vibrations have been measured for train passages and impulse excitation and compared with theoretical results. The soil and the track-soil system are calculated by wavenumber integrals. The influence of the vehicle is introduced by a substructure method. By comparing theory and measurement the different components of excitation force and ground vibration can be analysed, the quasi-static excitation, track-alignment errors, the out-of-roundness of wheels, the wheel and rail roughness, and moreover, scattered axle impulses and ineffective high-frequency parts of the wheelset accelerations and Forces.
The identification of the dynamic behavior of structures, like bridges and towers, is relevant to address multiple issues. In many cases the dynamic parameters should be acquired only once or at a frequency that doesn’t justify the installation of distinct vibration sensors for a long-term monitoring. To identify modal frequencies of a structure, a drone based mobile sensing platform has been implemented. This sensing platform measures the relative displacement be-tween the structure and the drone, which also shows a strong dynamic behavior under wind tur-bulences. By regarding the dynamic model of the drone and additional measurements at the dis-tance sensor the absolute movement of the structure can be estimated based on the measured relative distance. This time domain data is a suitable input for various operational modal analysis algorithms. The system has been used to identify the dynamic properties of test and real structure, like a 1.5 MW wind turbine tower.
Polymers with intrinsic microporosity are promising candidates for the active separation layer in gas separation membranes. Here, by means of inelastic neutron scattering, the vibrational density of states (VDOS) and the molecular mobility were investigated for PIM-1, the prototypical polymer with intrinsic microporosity. The results are compared to data measured for a more conventional high-performance polyimide used in gas separation membranes (Matrimid).
The measured data show the characteristic low frequency excess contribution to the VDOS above the Debye sound wave level, generally known as the Boson peak in glass-forming materials. In comparison to the Boson peak of Matrimid, that of PIM-1 is shifted to lower frequencies. This shift is discussed considering the microporous, sponge-like structure of PIM-1 as providing a higher compressibility at the molecular scale than for conventional polymers.
Elastic fixed window scans were measured on a neutron backscattering spectrometer to have an overview about the molecular dynamics at a time scale of ca. 1 ns. The temperature dependence of the estimated mean squared displacement shows a step-like increase in the temperature range from 100 K to 250 K indicating the onset of some molecular mobility. The nature of this motional process was analyzed in detail by quasielastic neutron scattering combining Time-of-Flight and backscattering where the data are discussed with regard to both the q- and the temperature dependence.
Ziel des Projektes ist die Qualifizierung von Duplexstählen in Tunnelbauwerken um die Einsatzmöglichkeiten alternativer nichtrostender Stähle zu den bislang gebräuchlichen rostfreien Edelstählen 1.4404 und 1.4571 zu eruieren. Da Duplexstähle im Vergleich zu austenitischen Stählen über eine doppelt so hohe Festigkeit verfügen, können Bauteile schlanker konstruiert werden, wodurch Material eingespart werden kann. Neben der Wirtschaftlichkeit muss die Dauerhaftigkeit untersucht werden. Dazu wurden speziell konzipierte Wand- und Deckenracks mit unterschiedlichen metallenen Werkstoffen und Oberflächen hergestellt und in den Tunnelbauwerken montiert. Nach bestimmten Auslagerungszeiten von bis zu drei Jahren werden die Proben demontiert und auf ihr Korrosionsverhalten untersucht. Ein weiteres Ziel neben der Qualifizierung der Werkstoffgruppe sind die Reduktion der Instandsetzungs- und Wartungsmaßnahmen der Tunnelbetreiber.
Behälter aus hochdichtem Polyethylen (PE-HD) werden zur Lagerung und für den Transport von Kraftstoffen eingesetzt. Beim Kontakt beider Medien diffundiert der Kraftstoff in das Polymer, erhöht dessen Volumen und Duktilität und ändert damit das Fließverhalten des Polymers unter Zugbelastung. Zudem weist PE-HD in Luft im verstreckten Bereich das sogenannte strain-whitening (Lichtstreuung) auf, während in Diesel gelagertes PE-HD optisch transparent wird. Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden ortsaufgelöste Röntgenrefraktion und –diffraktion (Topographie) eingesetzt. Aus Sicht der molekularen Struktur (Diffraktion) weisen die beiden Probentypen keine Unterschiede auf: im verstreckten Bereich liegt eine „Fasertextur“ der Polymerketten in Belastungsrichtung vor, im unverstreckten Bereich nahezu ideale Isotropie. Die für mikroskopische Strukturen empfindliche Röntgenrefraktion zeigt außerdem für die Probe in Luft im verstreckten Bereich eine ausgeprägte Orientierung von Grenzflächen in Zugrichtung, während die in Diesel gelagerte Probe keine Grenzflächen zeigt. In Analogie zum optischen Verhalten bewirken die ähnlichen Brechungsindizes beider Medien im Röntgenbereich, dass eindiffundierter Diesel als Immersionsflüssigkeit die Brechungseigenschaften herabsetzt.
Elastic waves in inhomogeneous meshes avoiding numerical artifacts
Elastic waves in solids resulting from damage processes, e.g. microcracking are used to monitor the integrity of structures. The numerical modelling of these acoustic Emission processes is hindered by the different scales involved. Crack opening is a fast process and the size of the damaged zone is small, leading to small time steps and fine meshes in a numerical finite element simulation. On the other hand the relevant wave Propagation takes place on a much larger spatial scale, e.g covering the distance between Emission source and sensor.
To avoid numerical oscillations, the mesh size at the emission source has to be coupled to its time scale. Using higher order spectral elements can be beneficial with respect to the needed number of degrees of freedom. To make the computation of an acoustic emission process feasible one is lead to coarsening the mesh for larger distances to the source. Solution components with a higher frequency will be reflected at mesh density steps. The mesh coarsening has to be done in a way to avoid or minimize this kind of reflections.
To get more insight into the propagation characteristics of the numerical solution, dispersion curves are calculated for different element types assuming a structured mesh with constant element size. Coupling two meshes with different mesh densities will then lead to frequency dependent reflections at the boundary similar to the coupling of different materials.
The starting mesh density is dictated by the acoustic emission source time scale. The largest allowable mesh size needs to resolve the components of propagating signal with the highest frequency, smallest wavelength which is given by the bandwidth of the sensor.
Still coarser meshes may be used when high frequency components are propagated by a different method.
Nowadays, various polymeric materials are used in E&E applications with sufficient flame retardance by adding rather different flame retardants. It doesn’t matter whether cables are used outdoor or are installed indoor as building products, the weathering exposures such as UV radiation, humidity and variation in temperature occur and influence the flame-retardant property. Recently, the lifetime of the flame retardance itself becomes an increasingly important factor. In this work, several devices were used to perform accelerated artificial ageing simulating different environment exposures.
The comprehensive and global understanding of the durability of flame retardance in dependence on the weathering or ageing conditions is still a matter of discussion. Therefore, the weathering resistance of various halogen-free fire-retarded polymers was investigated in this work. Polymeric systems with different kinds of fire retardants were chosen, including various fire retardant mechanisms. Ethylene Vinyl Acetate (EVA) blends with high amounts of inorganic flame retardant such as aluminum hydroxide (ATH), boehmite and synergists, which mainly dilutes the polymer resin work as heat sink and cooling agent, and enhance residue formation was examined. Thermoplastic Polyurethane (TPU) was modified with melamine cyanurate (MC), which mainly acts by changed melt flow and dripping behavior as well as fuel dilution. Additionally, aluminum diethylphosphinate and boehmite are induced as assistant flame retardant. Furthermore, glass fiber reinforced Polyamide 66 (PA) was investigated containing different kinds of aluminum diethylphosphinate based flame retardant mixtures, which acts by flame inhibition and additional char formation.
The degradation of the surface was analyzed after the different weathering conditions. Most of the specimens exhibited an intensive material degradation at the top surface accompanied by a distinct discoloration, e.g. getting darker or showing yellowing. The weathering of the EVA samples lead to numerous cracks (already) after 4000 h. The corresponding changes in the chemical structure was investigated by ATR FT-IR for all materials.
The flammability was investigated by cone calorimeter, UL-94 burning chamber, and oxygen index (LOI) using plate and bar specimens. The flame retardance of most of the materials studied degrades only slightly or were rather stable for the investigated exposure times. Interestingly, also some opposite results were found. EVA modified by different inorganic flame retardants such as ATH achieved higher LOI after exposing in the humidity chamber and the accelerated oxidation under water in the autoclaves. It is suggested that the particle size of ATH and boehmite plays an important role, when these flame retardants agglomerate at the surface during accelerated weathering.
Both materials, EVA and TPU, were also investigated as cable jackets. While EVA modified with inorganic flame retardants exhibits low-smoke and non-dripping fire behavior, TPU flame-retarded with MC yields cables with pronounced melt-dripping. Cone calorimeter tests were carried out using cable rafts of the size of 100 mm * 100 mm as well as our self-made cable module test, which simulates the vertical full-scale test of a bundle of cables at the bench-scale. Both methods were used to investigate the weathering resistance of the flame retardance in cables. The results of the cable module test for the flame-retarded EVA cables were only slightly affected even when a long time hydrothermal ageing was carried out. This is because of inorganic residue which just delays the fire growth but does not extinguish. However, for the flame-retarded TPU cable jackets, the cable module test exhibited an accelerated fire spread and a melt-dripping behavior which was promoted by weathering exposure.
Whereas the degradation of flame retardant polymers has been discussed since decades, only more recently, the lifetime of the flame retardancy itself becomes an important factor, e.g. for cables used as building products. In this work, several kinds of accelerated artificial ageing tests are performed simulating different environmental exposures and thus highlighting different degradation mechanisms: artificial accelerated weathering, climatic chamber, water immersion, salt spray chamber, and autoclave test. The durability is expected to be different for different flame-retardant materials. Thus, various sets of halogen-free fire-retarded polymers were investigated: ethylene vinyl acetate (EVA) with aluminum hydroxide (ATH), boehmite and synergists, ester-based and ether-based thermoplastic polyurethane (TPU) with melamine cyanurate (MC), aluminum diethylphosphinate (AlPi), and boehmite, and glass fiber reinforced polyamide 66 (PA66) with AlPi-based mixtures.
Intensive degradation of the surface was observed, e.g. yielding discoloration and yellowing, EVA showed cracking when weathered. Changes in chemical structure was investigated by ATR-FTIR. The flammability was investigated with the cone calorimeter, UL-94 classification, and oxygen index (LOI). The flame retardancy of most of the materials studied degraded only slightly for the investigated exposure times. EVA/ATH achieved an improved LOI due to flame retardants agglomeration at the surface. Sets of materials, based on EVA and TPU, were also investigated as cable jackets. While flame retarded EVA exhibited no dripping during burning, TPU flame-retarded with MC cables showed pronounced melt-dripping. Cone calorimeter tests were carried out using cable rafts as well as our self-made cable module test, simulating a vertical bundle of cables at the bench scale. The comparison of different fire tests, different exposure conditions, and different materials carved out the specific degradation phenomena with respect to each of these parameters.
Most of this work was supported by the IGF Project (18926 N) of the Fördergemeinschaft für das Süddeutsche Kunststoff-Zentrum e.V., supported by the AiF within the framework of the program “Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)” of the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy based on a decision of the Deutschen Bundestag.
Bare steel constructions are often integrated in modern buildings. Intumescent coatings are widely used to protect the steel from heating up too quickly in a case of fire. As the functionality of intumescent coatings decreases with the impact of weathering processes, it is important to understand the mechanisms of material degradation to maintain long durability. The weathering-induced degradation behavior of a water-borne intumescent coating was examined, and the weakest points of the formulation were identified by a systematic approach. Resulting from this investigation, adjustments to the formula were made, leading to improved weathering resistance.
Erschütterungen durch Industrie und Verkehr, Schwingungen von Gebäuden, Fundamenten und Gleisen hängen im hohen Maße vom jeweiligen unterliegenden Boden ab. Die Eigenschaften des Bodens ermitteln wir mit Wellenmessungen vor Ort. Die Wellen werden in der Regel mit einem Impulshammer erzeugt und mit Geophonen als Schwinggeschwindigkeits-signale gemessen. Geophone sind aktive Sensoren, die eine kleine Messspannung liefern. Ein 72-kanaliges Messsystem mit entsprechenden Messverstärkern ist im Messwagen der Arbeitsgruppe eingebaut. Es werden im Vortrag fünf verschiedene Auswertemethoden vorgestellt. Im einfachsten Fall versucht man die Laufzeit von einem Geophon zum andern auszumessen und damit die vorherrschende Wellengeschwindigkeit zu ermitteln. Wir haben Wellengeschwindigkeiten von 30 m/s für Moorboden bis 1000 m/s für Felsboden gemessen. Der Boden hat aber nicht nur eine Wellengeschwindigkeit, sondern mehrere frequenzabhängige Wellen-geschwindigkeiten. Dadurch wird aus einem kurzen Hammerschlag eine längere Schwingung (Zerstreuung, Dispersion). Für die Auswertung von dispersiven Wellen nutzt man die spektrale Analyse, zunächst mit zwei Aufnehmern (SASW Spectral Analysis of Surface Waves), später mit einer ganzen Messachse (Multi-Station SASW). Schließlich kann man eine ganze Messachse auch mit verschiedenen Transformationsmethoden auswerten wie die f,v-Methode und Spatial AutoCorrelation SPAC Methode. Alle diese Methoden wurden von uns auf Messreisen in Deutschland, Österreich und der Schweiz getestet. Durch die Approximation der frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeiten erhält man ein passendes Bodenmodell. Zu diesem Bodenmodell kann man die Übertra¬gungsfunktionen für Hammer- und Zuganregung berechnen. Bei etlichen Mess¬orten wurden deutliche Merkmale einer Bodenschichtung beobachtet. Es ergibt sich eine Reduktion der tiefen Frequenzanteile durch den steifen unterliegenden Halbraum. Die weiche Deckschicht bestimmt das hochfrequente Verhalten.
This talk provides a brief introduction on general engineering challenges for the offshore (marine) wind energy production, focusing on material, structural and hydromechanical aspects.
The talk begins with a broad overview on general trends for offshore wind-farms, with insights on some characteristic structural features and their associated loads. Then, some particular open issues for the foundation of the offshore wind turbines into the seabed are introduced. Here, different research approaches are discussed, from experimental investigations to coupled computational analysis at micro- and macroscopic scales.
In the second part of the seminar, both the hydromechanical Wave–Tower interaction and some general aspects of the windfarm aerodynamics (wake analysis) are discussed. Some modelling possibilities in the frame of CFD (computational fluid dynamics) are introduced and the relevance of such analyses for a proper windfarm layout optimization is pointed out.
Summing up, this seminar aims to show that: i) Numerical analysis of the turbine’s interaction with wind/waves and with the seabed is both useful and affordable. ii) Simplified models can provide an insight into windfarm aerodynamics. iii) Turbulent wake analysis is very relevant for the windfarm layout.
Es wurden Prüfkörper aus additiver Fertigung mittels Laser Sinter Verfahren (Polyamid 12, PA 12) und Fused Layer Modeling (Acrylnitril-Butadien-Styrol, ABS) sowie Prüfkörper aus dem Kunststoff-Spritzguss Verfahren (PA 12 und ABS) über 2000 Stunden künstlich bewittert. Vor, während und nach der Bewitterung erfolgte eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Thermografie, optischer Mikroskopie und spektralen Methoden (UV/VIS-Spektroskopie und spektrale Reflexion), um den Alterungsfortschritt zu untersuchen und Schäden durch die künstliche Bewitterung sowie eingedruckte Defekte zu identifizieren und zu detektieren.
Zusätzlich wurden zerstörende Zugprüfungen vorgenommen, welche mit einer IR-Kamera verfolgt wurden. Auf diese Weise konnten lokale Temperaturänderungen, hervorgerufen durch elastische sowie plastische Verformungen, zeitaufgelöst erfasst und ausgewertet werden.
Es wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS und mittels Laser Sintering (LS) Probekörper aus PA 12 hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
Die Erkenntnisse dienen für die Entwicklung einer Strategie für eine Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Kunststoffteilen.
Es wird die Vorgehensweise erläutert wie die Notwendigkeit einer elastischen Gebäudelagerung geprüft wird. Es werden die Möglichkeiten und Schwächen vereinfachter Rechenverfahren dargestellt. Es folgen weitere Beispiele detaillierter Gebäudemodelle und ihres Schwingungsverhaltens. Schließlich greift eine aktuelle Bachelorarbeit die Fragestellung komplexen Gebäudeschwingungsverhaltens auf. Die letzte Folie zeigt dazu Gebäudemodelle, die an die konkreten Erschütterungsprognosen anknüpfen.
Die Brücken im Netz der Bundesverkehrswege sind überwiegend in einem ausreichenden bis guten Zustand. Allerdings steigt der Unterhalts- und Sanierungsaufwand aufgrund des inzwischen hohen Alters vieler Brücken sowie des ständig wachsenden Schwerlastverkehrs. Techniken zur Einschätzung der verbleibenden Lebensdauer von Brücken sowie zur dauerhaften Beobachtung des Tragverhaltens bzw. des Erfolges von Sanierungsmaßnahmen werden daher für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb dringend benötigt. Zur Evaluierung dafür
geeigneter holistischer Ansätze wurde in der BAM das Projekt BLEIB - Bewertung, Lebensdauerprognose und Instandsetzung von Brückenbauwerken - ins Leben gerufen.
Ein zentrales Ergebnis des Projektes ist eine extern vorgespannte Stahlbetonbrücke als Zweifeldträger mit einer Gesamtlänge von 24 m, die für den Test verschiedenster Sensorsysteme, zur Validierung numerischer Modelle und zur Erprobung von Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen entwickelt wurde. Für die Simulation unterschiedlicher Schädigungsgrade kann die Vorspannung der Brücke variiert werden. Die Brücke wird mit beweglichen Gewichten belastet und über einen Shaker zum Schwingen angeregt.
Das Brückenmodell wurde bewusst geschädigt, indem die Vorspannung der Struktur erstmalig schrittweise bis auf null reduziert wurde. Unter der Eigenlast verformte sich die Brücke, wodurch eine Rissbildung im Beton einsetzte. Die Zugspannung, die zuvor durch die Vorspannung aufgenommen wurde, übernahm Schritt für Schritt der Beton. Als die Zugspannungen die relativ geringe Zugfestigkeit des Betons überstiegen, begann dieser zu reißen und die schlaffe Bewehrung der Struktur nahm die Spannungen auf. Dieser Versuch wurde unter anderem von Schallemissionsmessungen begleitet. Der Rissbildungsprozess konnte damit, bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Vorspannung, früh detektiert und die Risse geortet werden. Die Ergebnisse korrelieren gut mit den Ergebnissen der stereophotogrammetrischen Verformungsmessungen der Struktur.