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Organisationseinheit der BAM
Structural performances of earthen building materials. A comparison between different typologies
(2011)
Traditional construction techniques utilizing earthen materials are often seen as inferior compared to modern ways of building. Structural earthen elements are perceived as vulnerable towards environmental influences (moisture, frost) and in particular towards the load scenarios during earthquakes. In comparison to the recent advances in research on stone and brick masonry, knowledge on the structural performance of earthen building construction is limited and scattered. Consequently the confidence in the performance of these earthen buildings constructed in the traditional techniques during earthquakes is fairly low. The research presented here aims to make a comparison of mechanical behavior between different earth masonry material typologies, consisting of earth block masonry, rammed earth and cob. The paper has been developed in the framework of a larger research program called NIKER. BAM and other seventeen research partners from the Mediterrean area are jointly involved to develop and validate innovative materials and technologies for the systemic improvement of the seismic behavior of Cultural Heritage assets
The paper has been developed in the framework of a larger EC‐research program called NIKER, in which BAM and other seventeen research partners from the Mediterrean area are jointly involved. It aims to develop and validate innovative materials and technologies for the systemic improvement of the seismic behavior of Cultural Heritage assets. The death tolls brought about by recent catastrophes in
developing countries where many inhabitants lived in earthen dwellings (Gujarat, India 2001, Bam, Iran 2003 and Concepción, Chile 2010 Earthquakes, Tamil Nadu 2004 Tsunami) have brought about research studies aimed at improving earth construction in terms of strength, seismic resistance and speed of construction.
In comparison to the recent advances in research on stone and brick masonry, knowledge on the material properties and failure mechanisms of earthen Building construction is limited and scattered.
The research presented here by aims making a comparison of mechanical behaviour between different earth masonry material typologies, consisting of earth block masonry, rammed earth and cob.
Both in developed and developing countries, modern building materials tend to be preferred to traditional earthen construction. Reasons include low durability, inadequate performance under seismic loading and, in developing countries, a wish to replace what is perceived as 'poor' with what is perceived as 'rich'. In an age when building permissions and construction standards are a must, particularly in seismic areas, even when an owner is willing to build in earth, construction approval needs to be granted: we rely on values and standards to build, but the necessary data on material properties and structural performance of earthen building techniques is scarce if compared to the abundance of data for other materials (clay brick masonry, concrete, steel) available to the engineer. At the same time, traditional builders' skills, knowledge and confidence in earthen building techniques are decreasing if not disappearing. A wallette testing campaign was thus carried out with the aim of filling this knowledge gap. Prior to the wallette campaign, material properties, including composition and physical-mechanical parameters, were determined. Compression and diagonal compression (shear) tests were then performed, and a basic analysis of the mechanical behaviour of structural elements built in cob is provided in relation to earth block (adobe) masonry and rammed earth elements. Cob, shown to have low compressive resistance, has a relatively ductile post-peak behaviour if compared to earth block masonry specimens which, as expected, show a marked brittle behaviour. In terms of shear strength, cob performs relatively well in view of its low compressive strength. The study is part of our work within the framework of the ongoing project NIKER funded by the European Commission dealing with improving the structural performance of Cultural Heritage assets in order to limit earthquake hazards.
DIN 50100 definiert die Bedingungen für den Schwingfestigkeitsversuch, der zur Ermittlung von Kennwerten dient, die das Verhalten metallischer Werkstoffe und Bauteile bei zyklischer Beanspruchung mit einer konstanten Lastamplitude beschreiben (Wöhlerversuch). Die Norm umfasst die Versuchsdurchführung, die Versuchsauswertung sowie die Dokumentation von lastgeregelten Wöhlerversuchen im Zeit- und Langzeitfestigkeitsbereich. Mit DIN 50100 soll erreicht werden, dass die Wöhlerlinien verschiedener Prüfstellen miteinander vergleichbar und die wesentlichen Randbedingungen der Versuchsdurchführung dokumentiert werden. Da die Ergebnisse von Schwingfestigkeitsversuchen streuen, ist die Treffsicherheit für die Schätzung der Kennwerte von der Anzahl der Versuche einer Versuchsreihe abhängig. In Abhängigkeit von einer geforderten Treffsicherheit wird durch die DIN 50100 der erforderliche Stichprobenumfang vorgegeben.
Bioresorbable carriers for subchondral anchoring of tissue-engineered cartilage in articular defects
(2000)
When pushed to the limits of their detection capability, NDE systems do not produce consistent hit/miss
indications. Their capability of detecting small defects is therefore expressed in terms of POD. An adequate
NDE system is required to ensure the structural integrity. In conventional signal response analysis, the POD is
expressed as a function of the defect size, and its adequacy for the inspection task is tested against the maximum
allowable defect size which will not undermine the structural integrity. Analyses of modern structures show that
other parameters, beside the defect size, can both significantly influence the POD and determine the severity of
the defect for the structure. Within the multi-parameter reliability analysis, the POD is expressed as a function of
those influencing parameters. When determining the adequacy of the NDE system, the capability of detecting a
defect has to be expressed and tested against the critical value of exactly that parameter that determines defects
severity for the structure. Failing to do so can lead to a rejection of the healthy, or acceptance of the bad part.
The principle is demonstrated on the example of the Transmit-Receive Longitudinal (TRL) ultrasonic inspection
of the iron cast component for semi-elliptical surface defects.
Today, building is a complicated commercial process characterised by legalised agreements between all participants. For commercial building projects, all materials and constructions have to conform to building standards and regulations. Material properties must be reproducible in standardised test procedures. This also applies for the control of the quality of production of earth building materials and constructions. Building conservation is a part of this process. Generally, national building standards have to reflect the current situation of building materials / construction systems of that country for which they have been developed.
An approach to achieve “zero leakage” is discussed with respect to the experience in Germany, where strict regulations for landfill lining and capping systems have been developed and issued because of large environmental problems related to landfills that accumulated in the 1970’s and 1980’s. Using a thick, high quality HDPE geomembrane (GMB), which is installed free of residual waves and wrinkles in intimate contact with a compacted clay liner (CCL) or geosynthetic clay liner (GCL) of very low permeability, by a qualified, experienced, well equipped and properly third-party controlled installer and which are protected by heavy protection layers designed with respect to long-term performance of the GMB, may result in a liner or capping system of practically no leakage. This is demonstrated by analyzing results of measurements obtained from permanently installed leak detection systems in combination with HDPE GMBs. The survey is based on 32 German landfills with 1,276,500 m² of installed HDPE GMB.
The goal of the present study is to assess the feasibility to develop a first reliable database of materials parameters for Earth Block Masonry (EBM). The database is crucial when defining the materials safety factors. In the first part an experimental campaign of compressive tests were carried out on two types of earth block and two types of earth mortar. The results showed that the mean variation of the compressive strength was remarkably less than expected. This low variation is related to a production with high quality standards of the materials employed. In the second part a partial safety factor for EBM under uniaxial compression was determined through the reliability method. The results proved the reliability of a common calculation method for EBM based on partial safety factors following the current standards.
Die Korrosionsbeständigkeit martensitischer nichtrostender Stähle (MNS) wird wesentlich von der chemischen Zusammensetzung und dem Wärmebehandlungszustand beeinflusst. Beides bestimmt die Verteilung der Legierungselemente im Gefüge und die daraus resultierenden Werkstoffeigenschaften. Das Legieren mit Stickstoff bewirkt im Allgemeinen eine Verbesserung der Lochkorrosionsbeständigkeit von nichtrostenden Stählen. Bei martensitischen nichtrostenden Stählen ist dieser Effekt nicht nur auf den Stickstoffgehalt selbst zurückzuführen, sondern auch auf den gleichzeitig verringerten Kohlenstoffgehalt, der ebenfalls das Ergebnis der Wärmebehandlung beeinflusst. In dieser Arbeit wird der Einfluss von Stickstoff auf die Korrosionsbeständigkeit in Bezug zum Härtungsprozess von MNS dargestellt. Dazu wird vergleichend der Effekt von Austenitisierungsdauer, -temperatur und Abkühlgeschwindigkeit auf Gefüge, Härte und Korrosionsbeständigkeit der MNS X50CrMoV15 und X30CrMoN15 1 untersucht. Die Abkühlgeschwindigkeit wurde mit dem Stirnabschreckversuch gezielt variiert, um den Einfluss von Abkühlgeschwindigkeiten von > 100 K/s bis 1 K/s zu charakterisieren. Die Veränderungen der Korrosionsbeständigkeit werden durch die elektrochemisch potentiodynamische Reaktivierung (EPR) und durch die Bestimmung kritischer Lochkorrosionspotentiale dokumentiert. Neben diesem experimentellen Ansatz werden auch die Ergebnisse von thermodynamischen Berechnungen mit der Software Thermocalc vorgestellt und abschließend auch zur Interpretation des Einflusses von Stickstoff auf die Korrosionsbeständigkeit martensitischer nichtrostender Stähle genutzt.
Der Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Kernforschungszentrums CERN ist einer der weltweit größten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger. Um den Teilchenstrahl auf seiner Kreisbahn zu halten, werden mit Hilfe supraleitender Spulen sehr starke Magnetfelder erzeugt. Die hierzu benötigten hohen Ströme werden über Verbunddrähte aus Niob-Titan und Kupfer geleitet.
Die Drähte werden u.a. durch Ultraschallschweißungen miteinander verbunden. Eine mangelhafte Verbindung kann zur Erwärmung der Kontaktstelle und in Folge davon zum Zusammenbruch der Supraleitung führen. Auf Anfrage des CERN wurden an der BAM Untersuchungen zur Prüfbarkeit solcher Verbindungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Es gelang, für einen Verbindungstypen einen Wirbelstromsensor für eine manuelle Prüfung zu entwickeln. Ein Prototyp des Sensors befindet sich beim CERN in der praktischen Erprobung. Das Sensorprinzip sowie Prüfergebnisse aus Labor und Praxis werden vorgestellt.
Das Korrosionsverhalten von kohlenstoffhaltigen martensitischen nichtrostenden Stählen variiert in Abhängigkeit der Wärmebehandlung (WB) und der damit eingestellten Mikrostruktur deutlich stärker als bei kohlenstoffarmen ferritischen und austenitischen nichtrostenden Stählen. Bei erhöhtem Kohlenstoffgehalt bestimmt die diffusionsgesteuerte Bildung und Auflösung von Chromkarbiden die Verteilung von Chrom und Kohlenstoff im Gefüge. Bisher lag der Fokus von Forschungsarbeiten zum Einfluss der WB auf dem Anlassen im allgemein bekannten Sensibilisierungsbereich dieser Werkstoffgruppe zwischen 200 °C und 700 °C und der dort auftretenden Chromverarmung. Mit der gezielten WB des X46Cr13 (1.4034) wird gezeigt, dass Temperatur und Dauer beim Austenitisieren sowie die anschließende Abkühlung beim Härten das Korrosionsverhalten schon vor dem Anlassen signifikant beeinflussen. Auf der Basis von thermodynamischen Berechnungen wurden definierte WB ausgewählt, um gezielt unterschiedliche Volumengehalte von Chromkarbiden im Gefüge und somit auch unterschiedliche Chrom bzw. Kohlenstoffgehalte im Mischkristall zu erzeugen. Anschließend wurden die resultierenden Gefügezustände hinsichtlich Chromkarbidanteil und Härte verglichen und das Korrosionsverhalten mit der elektrochemisch potentiodynamischen Reaktivierung (EPR) sowie durch einen Schnelltest mit der KorroPad-Prüfung untersucht. Dabei konnte ein direkter Zusammenhang zwischen WB, Mikrostrukturänderungen und Korrosionsverhalten festgestellt werden. Mit steigender Austenitisierungstemperatur wird der Anteil an Chromkarbiden reduziert und der Kohlenstoff- und Chromgehalt der Matrix erhöht, bis eine vollständige Auflösung der Chromkarbide gegeben und die chemische Nennzusammensetzung der Legierung im Mischkristall erreicht ist. In der direkten Folge wird die Ausbildung der für nichtrostende Stähle charakteristischen Passivschicht erleichtert und das Lochkorrosionsverhalten verbessert. Die Abkühlrate hat neben den Austenitisierungsparametern ebenfalls einen großen Einfluss auf das Korrosionsverhalten. So führt eine langsame Abkühlung an Luft zu einer Chromverarmung im Gefüge, die eine deutlich erhöhte Lochkorrosionsanfälligkeit zur Folge hat. In Abhängigkeit der WB von kohlenstoffhaltigen nichtrostenden Stählen können Mikrostruktur, Härte und Korrosionsbeständigkeit in einem weiten Bereich variieren.
Sintering and foaming of barium and calcium silicate glass powder compacts have been studied for different powder milling. Sintering was measured by means of heating microscopy backed up by XRD, DTA, Vacuum Hot Extraction (VHE) and electron microscopy. Foaming intensity strongly increased with decreasing glass partiefe size. Although powder compacts were uniaxially pressed and sintered in ambient air, foaming was affected by the milling atmosphere and most intensive for milfing in C02. Conformingly, VHE studies revealed that foaming of fully sintered samples was mainly driven by C02, even for powders milled in technical air, Ar and N2. Prolonged storage of air milled barium silicate glass powders in ambient air before pressing and sintering caused further increase of foaming intensity. These findings indicate that carbonaceous species are preferentially trapped to or close beneath the powder surface during milling and later storage. The temperature range of C02 degassing from fully sintered barium and calcium silicate g/ass powder compacts fits the temperature ranges of decomposition of BaC03 and CaC03 mix-milled with the respective barium and calcium silicate glass powders.
Issues that prevent Structural Health Monitoring (SHM) based on Guided Waves (GW) from being a part of today’s monitoring solutions in industry are not all obvious to the scientific community. To uncover and overcome these issues, scientists working on SHM and GW problems joined in an expert committee under the patronage of the German Society for Non-Destructive Testing. An initiated online survey among more than 700 experts and users reveals the hurdles hindering the practical application of GWbased SHM. Firstly, methods for proof of reliability of SHM approaches are missing.
Secondly, detailed understanding of phenomenological described wave-damage interactions is needed. Additionally, there are significant unsolved implementation issues and unsolved problems of signal processing including handling of environmental influences.
To enable substantial proof of reliability without unaffordable experimental effort also efficient simulation tools including realistic damage interaction are needed, enabling the joint use of experimental and simulated data to predict the capabilities of the Monitoring system. Considering these issues, the committee focusses on simulation, signal processing, as well as probability of detection and standardization. In the presented work, recent activities of the expert committee starting with survey results are summarized. An open access data basis of life-like measurements is presented to allow testing and comparison of signal processing and simulation algorithms. Finally, a strategy for efficient proof of reliability increasing the acceptance of SHM in industry and for successful Integration of SHM into real-world engineering structures is proposed.
The duplex stainless steel 1.4062 (X2CrNiN22-2) is used as alternative material to austenitic stainless steels in the construction industry. The corrosion resistance of welded seams is influenced by the base material, the weld filler material, the welding process and also by the final surface treatment. The scale layer next to the weld seam can be removed by grinding, pickling, electro-polished or blasting depending on the application and the requested corrosion resistance. Blasted surfaces are often used in industrial practice due to the easier and cheaper manufacturing process compared to pickled or electro-polished surfaces. Furthermore blasting with corundum-grain is more effective than blasting with glass-beads which also lower the process costs. In recent years, stainless steel surfaces showed an unusually high susceptibility to pitting corrosion after grinding with corundum. For this reason, it is now also questioned critically whether the corrosion resistance is influenced by the applied blasting agent. This question was specifically investigated by comparing grinded, pickled, corundum-grain- and glass-bead-blasted welding seams. Results of the SEM analyses of the blasting agents and the blasted surfaces will be presented and correlated with the different performed corrosion tests (potential measurement, KorroPad-test and pitting potential) on welding seams with different surface treatments.
Einfluss der Schweißnaht-Nachbehandlung auf die Korrosionsbeständigkeit vom Duplexstahl 1.4062
(2017)
Der Duplexstahl 1.4062 (X2CrNi22-2) hat sich im Bauwesen als Werkstoffalternative zu den nichtrostenden Austeniten etabliert. Die Korrosionsbeständigkeit von Schweißverbindungen wird, neben dem Grundwerkstoff, dem Schweißzusatzwerkstoff und dem Schweißverfahren, auch sehr stark von der Schweißnaht-Nachbehandlung beeinflusst. Je nach zukünftigem Anwendungsbereich, geforderter Optik und Korrosionsbeständigkeit wird die Schweißnaht geschliffen, gebeizt, elektropoliert oder gestrahlt, um die beim Schweißen entstehenden An-lauffarben zu entfernen. Gestrahlte Oberflächen sind in der industriellen Praxis häufig anzutreffen, da sie deutlich schneller und kostengünstiger herzustellen sind als geschliffene, gebeizte oder polierte Oberflächen. Das Strahlen mit Korund ist außerdem effektiver als das Strahlen mit Glasperlen. In den letzten Jahren wurden korrosionsanfällige Oberflächen bei nichtrostenden Stählen beobachtet, wenn diese mit Korund geschliffen wurden. Daher wird nun auch beim Strahlen kritisch hinterfragt, ob die eingesetzten Strahlmittel die Korrosionsbeständigkeit beeinflussen. Diese Fragestellung wird beantwortet, indem geschliffene, gebeizte, polierte und mit verschiedenen Strahlmitteln gestrahlte Schweißverbindungen vom Duplexstahl 1.4062 im Vergleich zu gleichartig behandeltem Walzmaterial untersucht werden. Die Ergebnisse der Korrosionsuntersuchungen werden vorgestellt und mit den rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen der gestrahlten Oberflächen korreliert.
Die Legierungselemente (Chrom und Kohlenstoff) und die Wärmebehandlung bestimmen Korrosionsbeständigkeit und Härte martensitischer nichtrostender Stähle. Verschiedene wissenschaftliche Arbeiten haben bereits gezeigt, dass die Korrosionsbeständigkeit sehr stark vom Anteil an Chromkarbiden im Gefüge bestimmt wird. Der kombinierte Einfluss von Kohlenstoffgehalt und der Abkühlgeschwindigkeit beim Härten wurde mit Fokus auf die Korrosionsbeständigkeit bisher nur unzureichend untersucht. Die Literatur liefert außerdem gegensätzliche Aussagen über den Einfluss der Abkühlgeschwindigkeit, was möglicherweise auf unterschiedliche Kohlenstoffgehalte zurückgeführt werden kann. In dieser Arbeit wird daher systematisch untersucht, ab welcher Abkühlgeschwindigkeit es bei den Werkstoffen X20Cr13 und X46Cr13 zu Karbidbildung und Chromverarmung kommt. Die Variation der Abkühlgeschwindigkeit erfolgte für die industriell relevante Härtetemperatur von 1050 °C mit dem Stirnabschreckversuch. In Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit wurden an den Stirnabschreckproben Gefüge, Härte und Korrosionsbeständigkeit (EPR, kritische Lochkorrosionspotentiale) untersucht und die Ergebnisse mit thermodynamischen Berechnungen (ThermoCalc) korreliert. Aus den Ergebnissen wird abgeleitet, unter welchen Bedingungen die Abkühlgeschwindigkeit die Korrosionsbeständigkeit beeinflusst.
Sensibilisierungsverhalten vom stickstofflegierten, austenitischen, nichtrostenden Stahl 1.4456
(2017)
Austenitische nichtrostende Stähle kommen seit vielen Jahren in den verschiedensten industriellen Zweigen zum Einsatz (Pharma-, Medizin- und Lebensmittelindustrie, Bauwesen, Energie- und Antriebstechnik). Druckaufgestickte nichtrostende Austenite mit ca. 19 Gew.-% Mangan und 0,8 Gew.-% Stickstoff, sind als nickelfreie Variante seit einigen Jahren großtechnisch auf dem Markt verfügbar. In diesen Stählen wird die austenitische Matrix ohne die Legierungszugabe von Nickel sichergestellt, während gleichzeitig die korrosive Beständigkeit und die mechanischen Eigenschaften verbessert werden. Wie bei allen nichtrostenden Stählen beeinflussen die chemische Zusammensetzung und die Wärmebehandlung entscheidend das Gefüge und die Eigenschaften. Durch Lösungsglühen, Abschrecken und gezieltes Kaltverfestigen können bei diesen Stählen hervorragende mechanische Kennwerte erreicht werden (Rm von 900 MPa bis 2.000 MPa, A5 > 50 %, Av > 350 J). In der Regel dient das Lösungsglühen der Beseitigung unerwünschter Ausscheidungsphasen (Cr2N, M23C6 und Sigma-Phase) und der homogenen Verteilung der Legierungselemente im Austenit, was auch die Voraussetzung für eine hohe Korrosionsbeständigkeit darstellt. Wird die homogene Verteilung der Legierungselemente (Cr, Mo und N) durch suboptimale Wärmebehandlungs-, Verarbeitungs- oder Einsatzbedingungen beeinträchtigt, kann die korrosive Beständigkeit nicht auf Dauer gewährleistet werden. Daher ist die genaue Kenntnis vom Sensibilisierungsverhalten dieser hochstickstofflegierten Stähle unerlässlich.
Am stickstofflegierten Werkstoff 1.4456 (X8CrMnMoN18-18-2) wird das Sensibilisierungsverhalten am lösungsgeglühten Zustand durch die gezielte Variation der Warmauslagerungsparameter untersucht. Dabei wird im Temperaturbereich von 500 °C bis 900 °C die Glühdauer systematisch variiert, um zu ermitteln, wann Ausscheidungen im Gefüge auftreten und ob diese die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen. Die verschiedenen Sensibilisierungszustände werden mit dem EPR Verfahren, der KorroPad-Prüfung und dem REM vergleichend untersucht. Zur besseren Interpretation der experimentellen Ergebnisse werden auch thermodynamische Berechnungen genutzt, welche die Existenzbereiche der verschiedenen Ausscheidungsphasen vorhersagen. Damit kann die Veränderung der Korrosionsbeständigkeit mit dem Auftreten der verschiedenen Phasen korreliert und die Anwendbarkeit der experimentellen Methoden für stickstofflegierte Stähle nachgewiesen werden.
The Micro Structure of Traditional Brazilian Lime Plasters - The Custom House of Florianopolis
(2005)
Overview of different strengthening techniques applied on walls used in historical structures
(2012)
Water-repellent renders were studied in order to evaluate their suitability for restoration applications. Water repellent admixtures, such as powdered siloxane-based products and metal soaps (zinc and calcium stearates), were mixed with a pozzolana-lime binder similar to historical binders with hydraulic properties. The chemical-physical and structural properties, the effectiveness and the durability of the water-repellent mortars in different environmental conditions were studied. The influence of the water repellent admixtures was evaluated by FT-IR analyses, by testing the mechanical properties and the behaviour in presence of water. The durability of the water-repellent mortars was evaluated after the exposure to artificial weathering (UV-light and water) and to immersion/drying cycles in saturated sodium sulphate solution. The nature of the water-repellent admixtures influenced both the hydration reactions and the chemical-physical properties of the mortars resulting in different resistance to the weathering and to salt crystallization.