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Ein stereo-fotogrammetrisches Messverfahren wurde zur quantitativen Analyse der Bewegungssignale eines elektrischen Multi-Sensorsystems eingesetzt. Der Vergleich von Weg- und Winkel-Zeitverläufen zeigte bereits eine recht gute Übereinstimmung, verdeutlichte jedoch auch die Notwendigkeit einer weiterzuentwickelnden Kalibriermethodik. Die Stereo-Videogrammetrie hat sich als Referenzverfahren zur Analyse und Validierung dreidimensional ausgelegter elektrischer Bewegungssensorik für den Nahbereich bewährt.
A novel quasi-distributed long-gauge fiber optic strain sensor system for dynamic measurement
(2011)
We present a novel technique based on incoherent optical frequency domain reflectometry (OFDR) to measure length changes quasi-distributed between reflection points in optical fibres. The technique enables length changes to be measured with a resolution better than 1 µm and allows for static and dynamic measurement capabilities up to 2 kHz. We demonstrate that dynamic measurements of multiple fibre sections can be conducted independently from each other with high precision. Due to the precise and dynamic measurement capabilities, the proposed sensor system is expected to open new fields of application, especially in the structural-health-monitoring sector. Possible applications are discussed in the paper.
Die Verwendung von Endlosfilamenten aus Carbon als Be-wehrungsmaterial für Beton, sogenannter Textilbeton, bietet die Möglichkeit der Sanierung und der Verstärkung bestehender Stahlbetonkonstruktionen. Dabei muss die Frage nach dem Feuerwiderstand von derart verstärkten Tragwerken be-antwortet werden. Aufschluss darüber liefern Brandversuche. Mit Textilbeton verstärkte Stahlbetonplatten haben in Brandversuchen nach der Einheits-Temperaturzeitkurve bei 33 % der Traglast mehr als 60 Minuten standgehalten. Bei 50 % der Traglast kam es nach einer Branddauer von 55 Minuten, bei 65 % nach 30 Minuten, zu einem Zugversagen der textilen Verstärkungsschicht. Bei während des Brandes unbelasteten bzw. gering belasteten Platten lagen die im Anschluss ermittelten Resttragfähigkeiten bei 65 % der Bruchlast nach 30 Minu-ten Branddauer bzw. bei 50 % der Bruchlast nach 60 Minuten Branddauer. Wäh-rend und nach der Beflammung waren zunehmende Durchbiegungen und Rissbreiten erkennbar. Es traten aber keine Abplatzungen auf, weshalb die Ver-stärkungsschicht aus Textilbeton als zusätzliche Betondeckung für die Stahlbe-wehrung angerechnet werden kann. Diese außerordentlich positiven Ergebnisse zeigen, dass für verstärkte Konstruktionen Feuerwiderstandsklassen von F60 bzw. R60 ohne zusätzliche Maßnahmen erreicht werden können. Dies ist von ho-her Relevanz für die wirtschaftliche Anwendung dieser Verstärkungsmethode. Für ein umfassendes Verständnis der Interaktion zwischen den Bewehrungen Textil und Stahl sowie der Versagensmechanismen während des Brandes, sind weitere Erkenntnisse über die mechanischen Eigenschaften von Textilbeton im Hochtemperaturbereich nötig. Auch der Einfluss der Oxidation des Carbons konnte nicht abschließend beurteilt werden. 354 HOTHAN und EHLIG: Hochtemperaturverhalten von Stahlbetonplatten mit TRC-Verstärkung Summary: Using endless carbon filaments for concrete reinforcement, so called textile reinforced concrete, the possibility of reconstruction and strengthening of existing concrete structures arises. The question concerning fire resistance of structures strengthened like this has to be answered. Fire tests provide answers. Steel reinforced concrete slabs strengthened with textile reinforced concrete load-ed with 33 % of ultimate load survived an ISO-fire for 60 minutes. Loaded with 50 % and 65 % of ultimate load the slabs failed after 55 minutes and 30 minutes of fire exposure due to tension failure of the textile reinforcement layer. Slabs not loaded or with a low load level during fire exposure showed remaining bearing resistances of 65 % of ultimate load after 30 minutes and 50 % of ultimate load after 60 minutes of fire exposure. During and after fire exposure rising deflec-tions and growing crack widths were observed. However no spalling occurred. Therefore the textile reinforced concrete layer can be taken into account as con-crete covering for the steel reinforcement. Those extraordinary positive results document, that reinforced concrete structures with additional fibre reinforced concrete can achieve fire resistance classes of R60 without additional provisions. To achieve comprehensive understanding of interaction between steel and fibre reinforcement and failure mechanisms in case of fire more knowledge concerning the mechanic properties of fibre reinforced concrete at high temperatures is es-sential. The influence of oxidation of the carbon fibres could not fully be an-swered.
Thin layers of textile reinforced concrete (TRC) can be used as strengthening for reinforced concrete (RC) slabs or beams to increase their foad-bearing capacity. The concrete matrix consists of a fine-grained concrete with a thickness of 8 to 15 mm. Information on the behaviour of strengthened structures subjected to fire is of particular inlerest for practical applications of this innovative construction method. A total of 7 RC slabs with Steel reinforcement were produced: 2 slabs were used as reference and 5 slabs were strengthened with three layers of textile reinforcement. Ultimate capacity of reference slabs and particular TRC strengthened slabs was determined from statie load results fom 4-point-bending tests.
Fire tests on these slabs were carried out with utilization fectors using a Standard temperature curve (ISO-834-1) for fire testing. Test loads varied between 0 % and 65 % ofuMmate load.
To detect temperatures during fire exposure thermocouples were arranged throughout the cross-section of the slabs. Depending on the utilization the slabs were exposed to fire for 30 minutes or for 60 minutes. In some cases bending fäilure occurred, in other cases the slabs survived. None of the specimens exhibited any visual damage or concrete spalling during fire exposure. Results of deformation measurements and residual strength measurements are presented. Even though mechanisms are not fifily understood, it is important to discuss the presumable reasons for the surprisingiy positive test results. It is presumed tbat the key mechanisms contributing to the outstanding fire resistance capability presented are: superior crack control of the TRC and load redistribution between textile and Steel reinforcement as well as the primary load transfer directly into the slabs.
Leichtbaustrategien im Antriebsstrang erhöhen durch Downsizing die Hertz’schen Kontaktpressungen und die mechanischen Lasten. Dadurch müssen neben wälzbeständigen Stählen auch dazu passende reibungsmindernde Konzepte gefunden werden, in der vorliegenden Arbeit wurden alternative, hoch zähe Stähle mit einer Wälzbeständigkeit bis Pomax = 4,2 GPa untersucht, welche mit geeigneten Grundöl- und Additivkombinationen die Reibungszahlen herunter auf 0,025 reduzieren konnten. Diese alternativen Stahllegierungen erlauben nicht nur an der Zahnflanke sehr hohe Kontaktpressungen, sie bieten außerdem entsprechende Zähigkeits- und Festigkeitseigenschaften für den Zahnfuß. In vorangegangenen Untersuchungen wurde eine Vielzahl verschiedener Dünnschichten auf ihre Überrollbeständigkeit unter Extrembeanspruchungen validiert. Allerdings zeigte sich bei den meisten Dünnschichten ein Qualitätsunterschied von Charge zu Charge. Unter Verwendung verschiedener organischer, metallorganischer und anorganischer Additive konnten, sich daran anschließende Versuche, vielversprechende Ergebnisse erzielt werden. Sämtliche Versuche unter extremen Beanspruchungen wurden bei +120°C Öltemperatur auf Zwei-Scheiben-Tribometern vom Typ AMSLER und 2Disk von Optimol Instruments unter Misch-/Grenzreibungsbedingungen durchgeführt und die tribologischen Eigenschaften der neuartigen, unbeschichteten Stähle und in Relation zu leistungsstarken DLC-/ZrCN Dünnschichten gesetzt.
Recent advances in the fabrication of diffractive X-ray optics have boosted hard X-ray microscopy into spatial resolutions of 30 nm and below. Here, we demonstrate the fabrication of zone-doubled Fresnel zone plates for multi-keV photon energies (4-12 keV) with outermost zone widths down to 20 nm. However, the characterization of such elements is not straightforward using conventional methods such as knife edge scans on well-characterized test objects. To overcome this limitation, we have used ptychographic coherent diffractive imaging to characterize a 20 nm-wide X-ray focus produced by a zone-doubled Fresnel zone plate at a photon energy of 6.2 keV. An ordinary scanning transmission X-ray microscope was modified to acquire the ptychographic data from a strongly scattering test object. The ptychographic algorithms allowed for the reconstruction of the image of the test object as well as for the reconstruction of the focused hard X-ray beam waist, with high spatial resolution and dynamic range. This method yields a full description of the focusing performance of the Fresnel zone plate and we demonstrate the usefulness ptychographic coherent diffractive imaging for metrology and alignment of nanofocusing diffractive X-ray lenses.
Elutionstests im Labormaßstab werden zur Ermittlung der Freisetzung von Schadstoffen aus Böden oder mineralischen Abfällen für die Verwertung in technischen Erdbau-werken durchgeführt. Sie sollen die Feldbedingungen möglichst realitätsnah wider-spiegeln und auch die Beurteilung der Freisetzung von Schadstoffen über längere Zeiträume ermöglichen. Aus diesem Grunde werden im Entwurf der novellierten BBodSchV neue Verfahren zur Eluatgewinnung aus den genannten Materialien festgeschrieben.
In der Bundes-Bodenschutz- und Altlasten-verordnung (BBodSchV) und im Arbeits-entwurf der Novellierung ist für den Wirkungspfad Boden-Grundwasser eine Sickerwasserprognose vorgesehen, um die Gefahren, die von kontaminierten Stand-orten für das Schutzgut Grundwasser ausgehen, beurteilen zu können. Bei der Sickerwasserprognose kann u.a. auf der Grundlage von Materialuntersuchungen im Labor die Quellstärke kontaminierter Ma-terialen ermittelt werden, welche dann bei Transportmodellierungen Berücksichtigung findet. Der Entwurf der Novellierung der BBodSchV sieht für die Ermittlung der Quellstärke den Übereinstimmungstest des Säulenversuchs nach DIN 19528 bis zu einem Wasser/Feststoff - Verhältnis (W/F) von 2 l/kg für anorganische und organische Stoffe (PAK) oder den Schüttelversuch nach DIN 19529 für anorganische Stoffe und E DIN 19527 für organische Stoffe auch jeweils mit einem W/F von 2 l/kg vor. Die Zulassung beider Elutionsverfahren setzt die Gleichwertigkeit der Ergebnisse beider Verfahren voraus. Im Folgenden werden die Ergebnisse des Vergleichs der Auslaugung von polyzyklischen aromat-ischen Kohlenwasserstoffen (PAK) aus unterschiedlichen Böden mit Hilfe beider Elutionsverfahren vorgestellt.
Entwicklung einer Key Curve-Methode für Gusseisen mit Kugelgraphit bei dynamischer Beanspruchung
(2011)
Ultra high molecular weight polyethylene (UHMW-PE) - due to its high hydrogen content - is used as neutron shielding material in casks for storage and transport of radioactive materials. Besides this, UHMW-PE - as a high-performance polymer - has been used for several years in medical technology due to its excellent slip and wear properties. Due to the special properties of UHMW-PE which result basically from its extreme chain lengths and its high degree of crystallinity, it is predestinated for the aforementioned applications.
In both cases, irradiation and its impact on the molecular structure of polyethylene play an important role. In the first case, irradiation exists as a by-product of inserting the radioactive material in the cask. Hence PE has to withstand any type of degradation affecting safety relevant aspects to be applicable for long term radiation shielding purposes for instance over a period of 40 years. In the second case irradiation is applied deliberately for purposes such as sterilization and crosslinking, leading to partial improvement of the mechanical properties (e.g. fracture toughness, crack propagation resistance, wear resistance) and better Chemical stability.
Specifically concerning their use in the field of medical technology, different types of UHMW-PE have been objects of numerous publications. It is generally accepted that two parallel and competitive processes, based on chain scission and reactions of Ccentered radicals and molecular fragments, occur in PE as a consequence of radiation: radical recombination accounts for crosslinking, together with some disproportionation, formation of low molecular weight fragments, and recrystallization. Furthermore, formation of oxygenated structures in the presence of traces of oxygen is an antagonist of the C-centered radicals. Radiation induced scission preferentially takes place in the amorphous phase and noncrystalline surface of the crystals. It is followed by folding of molecular fragments, crystallinity growth and increased perfection in the crystal lamellae [4, 5]. Chain scission results in shorter polymer molecules, fewer entanglements, and consequently, increased molecular mobility.
The scope of our investigation comprises an estimation of the radiation and thermal impact on the molecular and supra molecular structure of the two types of PE used for neutron shielding cask components. A further point which is worth to explore is to what extent these changes are detectable by thermo-analytical (TA) methods, such as Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermo Mechanical Analysis (TMA), Dynamic Mechanical Analysis (DMA) and Thermogravimetry (TG). Additionally FT-IR and solubility measurements have been performed.
In our studies we focused on the UHMW-PE material GUR 4120 which was y irradiated at RT and compared to the untreated material.
Für eine 10 mm dicke Stahlplatte kann ein Bandpass so gesetzt werden, dass alle vorhandenen Wellenmoden mit derselben Schallgeschwindigkeit eintreffen. Anhand von Ortungsabweichungen und Ortungsunsicherheitswerten kann gezeigt werden, dass im Vergleich zu herkömmlichen Methoden der Quellenortung die Ortungsgenauigkeit durch eine Frequenzfilterung verbessert werden kann.
In dieser Arbeit werden geschweißte Platten aus dem Feinkornstahl P460NL1 untersucht. Korrosion und Ermüdungsrisswachstum werden als Schadensmechanismen in das Material eingebracht und auf ihre Nachweisbarkeit in Plattenversuchen geprüft. Die Schallemissionssignale wurden nach primären und sekundären Quellmechanismen getrennt und ihr Einfluss auf die Gesamtemission analysiert.
For long-range measurements in geotechnical and industrial applications, distributed optical fiber sensors have become a tool of increasing importance throughout the past decade.
Classic deformation monitoring (performed by strain gauges etc.) and temperature monitoring (Pt100 and alike) deliver data from fixed, single spots of a structure; quasidistributed measurements (fiber bragg gratings) provide a Chain of discrete measurement points along a limited sensing length. In contrast, an opticai fiber connected to a device for distributed strain and temperature sensing (DTSS) will provide a continuous profile of strain and temperature - spatially resolved down to less than 1 m - over a ränge of several tens of kilometers.
In DTSS measurements, the nonlinear opticai effect of stimulated Brillouin Scattering (SBS) is employed: two light waves with a stable, tunable frequency offset are injected into opposite ends of the sensing fiber, where they will form a beat pattem, at which parts of the light will be scattered. By matching the frequency offset of the light waves to the propagation of acoustic fluctuation in the opticai fiber, a power transfer from one light wave to the other can be measured; since the acoustic propagation directly shifts with train and temperature of the fiber, these two quantities can be measured by tuning the light waves’ frequency offset.
Strain sensors embedded in or attached to structural components have to measure the real deformation of the structure over the whole period of use. The user must know how reliably installed sensors provide strain measurement results. For this purpose, test facilities or coupon tests are used. In order to characterize the strain transfer quality from the host structure into surface-applied strain sensors, a unique testing facility has been developed. This facility can be used both for fiber optic and resistance strain sensors. Originally developed for fiber Bragg grating based sensors, the KALFOS facility (=calibration of fiber optic sensors) uses Digital Image Correlation (DIC) and Electronic Speckle Pattern Interferometer (ESPI) as unbiased referencing methods. It is possible to determine experimentally the strain transfer mechanism under combined thermal and mechanical loading conditions. This experimental characterization method will reveal weaknesses in commonly used strain sensors, and the investigation of the material systems used for fiber optic and other strain sensors (particularly the coating/substrate - adhesive combination). The KALFOS facility allows matching of specific measurement requirements with environmental conditions.
In diesem Beitrag werden numerische Verfahren zur Erkennung und Charakterisierung von Fehlstellen, Schichtdicken, Wanddicken und Inhomogenitäten mittels aktiver Thermografie vorgestellt. Eine uantitative Beurteilung der nicht immer zugänglichen Rückwand eines Bauteils (Minderdicken) ist durch Inversion thermografischer Messdaten möglich. Diese quantitativen Informationen können durch iterative Methoden vom Gauß-Newton-Typ (Inversion) gewonnen werden. Als reale Prüfobjekte werden ca. 2 cm dicke PVC-Platten mit örtlich variierender Rückwandgeometrie untersucht. Die Erwärmung erfolgt mit
Blitzlampen, welche die PVC-Platte kurzzeitig um mehrere K erwärmt. Ein wichtiger Teil der Inversion ist die Simulation des Experiments, welche mit Finite-Elemente-Methoden (FEM) in 2D realisiert wird. Da Inversion und active Thermografie automatisierbar sind, bietet die Kombination breite Anwendungsgebiete innerhalb der Industrie.
Am 9. Juli 2008 entgleiste ein Hochgeschwindigkeits-Triebzug der Baureihe 403, ICE3, bei der Ausfahrt aus dem Kölner Hauptbahnhof. Ursache dafür war der Schwingbruch einer Radsatzwelle. Im Auftrag der Staatsanwaltschaft Köln untersuchte die BAM die Schadensteile, insbesondere die gebrochene Treibradsatz-Hohlwelle.
Zunächst wurden das Drehgestell, der Antriebsstrang, die Räder, die Bremsen und die gebrochene Radsatzwelle visuell untersucht und deren Zustand dokumentiert.
Anschließend erfolgte die zerstörungsfreie Prüfung der beiden Bruchstücke der Hohlwelle mit teilmechanisierter Ultraschall-Handprüfung.
Vor der Zerlegung der Radsatzwelle wurden ausgewählte Maße kontrolliert und die Oberfläche eingehend untersucht. Nach der Probenahme und Präparation wurden die relevanten spezifizierten Eigenschaften des Wellenwerkstoffs überprüft.
Mittels Bruchflächenanalyse konnte die Startstelle des Schwingrisses lokalisiert, aufgrund der starken Sekundärschäden auf der Bruchfläche und an den Bruchkanten jedoch nicht direkt ausgewertet werden. Durch die Kombination von Mikro-Computertomographie und Ultraschall-Tauchtechnik wurden u. a. nahe der Schwingriss-Startstelle Inhomogenitäten erkannt, die durch metallographische Zielpräparation als nichtmetallische Einschlüsse identifiziert wurden. Die Größe dieser Einschlüsse ist gemäß gefordertem Reinheitsgrad unzulässig. Vergleichbare Einschlüsse in diesem hochbeanspruchten Bereich der Radsatzwelle haben vermutlich den Schwingriss initiiert.
Die Prüfung von anisotropen Schweißnähten auf Querfehler stellt auch heute noch eine Herausforderung für die Ultraschallprüfung dar. Das gilt insbesondere für das Auffinden kleiner rissartiger Fehlstellen in einer unbeschliffenen Wurzel. Ursachen dafür sind zum einen das ausgeprägte Beugungs-, Streuungs- und Reflexionsverhalten solcher Nähte und zum anderen die störenden Formanzeigen aus dem Wurzelbereich, die sicher von den Fehlstellen unterschieden werden müssen, um Fehlinterpretationen bei der Bewertung der Anzeigen zu vermeiden.
In der vorliegenden Arbeit werden an einer 85 mm dicken und 6 bis 10 mm breiten Engspaltschweißnaht mit stängelkristalliner Struktur rissartige Testfehler in Form erodierter Nuten untersucht. Die 2 und 4 mm tiefen Nuten sind mit 5 mm Länge kürzer als die Wurzelbreite. Die Wurzel ist nicht beschliffen und hat eine Überhöhung von ca. 2 mm. Ziel ist es, die Fehlstellen von den Form- und Gefügeanzeigen
zu unterscheiden und sicher zu detektieren. Eine Größenbestimmung ist
nicht vorgesehen.
Durch den Einsatz der Gruppenstrahlertechnik ist es möglich, optimale Einschallparameter zu finden, mit denen diese Aufgabe gelöst werden kann. Es werden zwei azimutal schwenkende lineare Gruppenstrahlerprüfköpfe mit Vorsatzkeil in SE-Technik verwendet, die so auf beiden Seiten der Schweißnaht angeordnet sind, dass sich ihre Schallfelder unabhängig von der Einschallrichtung in der Schweißnahtwurzel überlagern. Damit ist es möglich, optimale Einschallwinkel für das Prüfproblem zu finden und in einer Prüffahrt gleichzeitig in beiden Einschallrichtungen längs der Schweißnaht zu prüfen.
Die Kombination der Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) mit der Tauchtechnik stellt eine besondere Herausforderung dar. Zwei für SAFT notwendige Bedingungen – die große Schallbündeldivergenz und die Kenntnis über den Ort des Senders bzw. des Empfängers, der für die phasenrichtige Überlagerung der Echosignale genau bekannt sein muss – lassen sich einfach erfüllen, wenn kleine, fast punktförmige Sensoren direkt auf der Oberfläche des Prüfobjektes ankoppeln. Diese Anordnung ist in der Regel nicht vereinbar mit den praktischen Ansprüchen an die Signalqualität und die Flexibilität der Prüftechnik.
Werden jedoch Prüfköpfe mit üblichen Abmessungen und zudem noch mit Vorlaufstrecken verwendet, dann ist die Bestimmung der Sensororte und der Schalllaufwege durch die brechende Fläche nicht mehr trivial, wenn man die für SAFT geforderte Genauigkeit in Rechnung stellt.
Etwas anderes, aber ein im Prinzip einfacher Weg zur räumlichen Lokalisation von Echoquellen ist die Auswertung des 2D Sektorscans eines Matrixarrays und dessen dreidimensionale Darstellung. Durch gezielte Steuerung des Arrays gelingt auf einfache Weise die ortsrichtige Zuordnung.
Technical textiles with embedded distributed fiber optic sensors have been developed for the purposes of structural health monitoring in geotechnical and civil engineering. The distributed fiber optic sensors are based on Brillouin Scattering in silica optical fibers and OTDR in polymer optical fibers. Such “smart” technical textiles can be used for reinforcement of geotechnical and masonry structures and the embedded fiber optic sensors can provide information about the condition of the structures and detect the presence of any damages and destructions in real time.
Thus, structural health monitoring of critical geotechnical and civil infrastructures can be realized. The paper highlights the results achieved in this innovative field in the framework of several German and European projects.
Fiber optic strain sensors are increasingly used and sensor Systems are provided with specifications. Even if the performance is well specified, the strain characteristics of the sensor, strain transfer factor, mechanical stability under thermal influences, the performance of applied strain sensors can seriously differ from virgin sensor’s the performance. Therefore the contribution considers validation issues to come to reliable strain measurements and how to validate strain measurements of applied sensors. A new validation facility will be presented.