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- 5.0 Abteilungsleitung und andere (1)
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Paper des Monats
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Eingeladener Vortrag
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Thermogravimetry (TG), thermogravimetry coupled with mass spectroscopy (TG-MS) and thermogravimetry coupled with Fourier transform infrared spectroscopy (TG-FTIR) were used to characterise the thermo-oxidative behaviour of two intumescent coating materials. The temperature dependence, the corresponding volatile products and the amount of residue of the different processes were determined. Using both TG-MS and TG-FTIR results in an unambiguous interpretation of the volatile products. Characteristics such as the influence of endothermic reactions, the release of non-flammable gases, the dehydrogenation enhancing the char formation and the stability of the cellular char were discussed in detail. It was demonstrated, that TG, TG-MS and TG-FTIR are powerful methods to investigate mechanisms in intumescent coatings and that they are suitable methods in respect to quality assurance and unambiguous identification of such materials.
The influence of different organobentonites on the decomposition and the combustion behaviour of an epoxy resin were examined. The epoxy resin is a cationically polymerised cycloaliphatic epoxy resin flexibilised with poly(tetrahydrofuran) (PTHF), with hydroxyl endgroups. The bentonite was modified with either an ammonium or a phosphonium salt. The thermal decomposition of the PTHF induced by the initiator, used for the cationic polymerisation, did neither take place for the nanocomposite based on the ammonium bentonite nor for that based on the phosphonium bentonite. This improved decomposition characteristic lead to a larger time to ignition for both kinds of nanocomposites compared to the not modified polymer, which is not the case for other polymer/clay nanocomposites described in the literature. The fire behaviour was investigated using limiting oxygen index (LOI), a horizontal burner test and a cone calorimeter. The forced flaming conditions in the cone calorimeter were varied using different external heat fluxes between 30 and 70 kW · m-2. The fire behaviour of the nanocomposites was improved in comparison to the polymer, and phosphonium bentonite was superior to ammonium bentonite. The main mechanism is a barrier formation resulting in a reduction of the fire growth rate, which was more pronounced in the case of high external heat fluxes.
Polymeric intumescent coatings are fire protective materials that increase their thermal resistance when exposed to high temperatures to prevent building structures from damage. The idea of the investigation was to develop a simple test method to determine the time dependent thermal conductivity of intumescent coatings. Therefore steel plates were coated with two different intumescent systems. During cone calorimeter tests the temperature at the back side of the coated plates was measured. These results were used to calculate the time dependent thermal resistance of the protective layer with the simulation program IOPT2D for different external heat fluxes and different layer thickness.
Polymeric nanocomposites are discussed as one of the most promising advanced materials whose nanoscale effects can be exploited for industry. Layered silicate polypropylene-graft-maleic anhydride nanocomposites are investigated as a model to clarify the potential of such materials in terms of fire retardancy. The nanostructure is characterized using transmission electron microscopy (TEM) and shear viscosity. The fire behavior is characterized using different external heat fluxes in cone calorimeter, limiting oxygen index and UL 94 classification. A comprehensive fire behavior characterization is presented which enables an assessment of the materials’ potential with respect to different fire scenarios and fire tests. The influence of morphology and the active mechanisms are discussed, such as barrier formation and changed melt viscosity. To our knowledge, it is the first attempt to illuminate the concept’s strengths, such as the reduction of flame spread, and weaknesses, such as the lack of influence on ignitability, in a clear, comprehensive and detailed manner.
The cone calorimeter has become one of the most important and widely used instruments for the research and development of fire retarded polymeric materials. The paper addresses three important ways in which the principal setup influences the results factors which sometimes do not receive due consideration when drawing conclusions. The paper discusses in detail the impact on cone calorimeter results of the choice of external heat flux, the influence on the peak of heat release rate of sample thickness and thermal feedback from the back of the sample, and the influence on irradiance of the horizontal and vertical distances from the cone heater.
The exploration of condensed phase mechanisms such as charring and intumescence has been pushed forward in the last decades, since it is believed that focusing on these concepts will bring materials closer to an efficient and ecologically friendly fire retardancy. They promise to concentrate efficient fire retardancy at the key position between pyrolysis zone and gas phase. Examples of residue/char forming and intumescent materials are used to illustrate the influence of mass and heat barrier effects on the fire behavior of materials and general results are presented. A comprehensive understanding of the mechanisms and structure-property relationships in fire retardancy is presented.
Barrier formation and increasing the melt viscosity are addressed as the two main general fire retardancy mechanisms of polymer nanocomposites. They result in specific impacts on fire properties that consequentially cause varying flame retardancy efficiency in different fire tests. The barrier formation retards mainly flame spread (peak of heat release rate) in developing fires, but does not reduce fire load (total heat evolved), ignitability or flammability (limiting oxygen index, UL 94). Furthermore, this flame retardancy effect increases with increasing irradiation and vanishes with decreasing irradiation. The increased melt viscosity prevents dripping, which is beneficial or disadvantageous depending on the fire test used. In some test, it become the dominant influence, transforming self-extinguishing samples into flammable materials or causing wicking. Advantages and the limits are sketched comprehensively for exploiting the main general fire retardancy mechanisms of polymer nanocomposites. It is concluded that barrier formation and changing the melt viscosity in nanocomposites are not sufficient for most applications, but must be accompanied by additional mechanisms in special systems or in combination with other flame retardants.
Flammschutz von polymeren Baustoffen: Bewertung von Konzepten auf der Basis von small- scale Cone Calorimeter Untersuchungen. In der Arbeit wurden zwei unterschiedliche Flammschutzkonzepte polymerer Baustoffe mit Hilfe des Cone Calorimeter untersucht und bewertet. Polymer-Schicht-Nanocomposites sind ein neues Konzept für flammgeschützte Werkstoffe, die aus einer Polymermatrix und der Zugabe eines nanoskaligen Schichtsilikat- Additivs von ca. 5 Gew.-% bestehen. Im Brandfall bilden die Schichtsilikate eine Barriere, die den Wärmetransport in das Material bzw. den Stofftransport der Pyrolysegase aus dem Material hemmt. Mit einem Modellsystem wurde gezeigt, dass dieser Barriereeffekt das Brandverhalten hinsichtlich der Flammenausbreitung verbessert, in anderen Brandszenarien aber wirkungslos bleibt. Die Ergebnisse der Cone Calorimeter Untersuchungen wurden mit denen der Entflammbarkeitstests UL 94 und LOI verglichen. Eine Korrelation in Richtung kleiner Probendimensionen (downscale) und in Richtung Phase der Brandentstehung wurde aufgezeigt. Die Anwendung intumeszierender Beschichtungen auf Bauteile verschiedener Art, wie z. B. tragende Stahlkonstruktionen, ist ein etabliertes Brandschutzkonzept. Das intumeszierende Polymermaterial schäumt unter Wärmeeinwirkung auf und bildet eine wärmeisolierende Schicht. Zur Bewertung der Wirkungsweise dieses Polymermaterials wurde ein auf Temperaturmessungen basierendes Verfahren mit dem Cone Calorimeter und für Simulationsrechnung entwickelt. Die Ergebnisse wurden mit denen aus Kleinprüfstanduntersuchungen verglichen. Eine Korrelation in Richtung großer Probendimensionen (upscale) und in Richtung der Phase des voll entwickelten Brandes konnte bis zu einer Temperaturgrenze gezeigt werden.
A method was developed to assess the heat insulation performance of intumescent coatings. The method consists of temperature measurements using the bench-scaled experimental set-up of a cone calorimeter and finite difference simulation to calculate the effective thermal conductivity dependent on time/temperature. This simulation procedure was also adapted to the small scale test furnace, in which the standard time-temperature curve is applied to a larger sample and thus which provides results relevant for approval. Investigations on temperature and calculated effective thermal conduction were performed on intumescent coatings in both experimental set-ups using various coating thicknesses. The results correspond to each other as well as showing the limits of transferability between both fire tests. It is shown that bench-scaled cone calorimeter tests are a valuable tool for assessing and predicting the performance of intumescent coatings in larger tests relevant for approval. The correlation fails for processes at surface temperatures above 750°C, which are not reached in the cone calorimeter, but are attained in the small scale furnace set-up.
Nanocomposites of bisphenol A polycarbonate with 2, 4, 6, and 15 wt% multiwall carbon nanotubes (MWNT) and their use in fire retardancy are investigated. Their thermal behavior and pyrolysis are characterized using thermogravimetry, differential scanning calorimeter, oscillatory shear rheology, and dynamic mechanical analysis. The flammability is addressed using LOI and UL 94; the fire behavior, with a cone calorimeter using different irradiation. With increasing MWNT content the storage modulus is increased (10-20%) and melt viscosity increases by several orders of magnitude, particularly for low shear rates. The melt flow, dripping, and deformation during fire are hindered, which influences UL 94 and cone calorimeter results. The peak heat release rate is reduced up to 40-50% due to an improved barrier for small amounts (2 wt%) of MWNT and for low irradiation, whereas the effect is reduced for increasing irradiation and nearly vanishes for increasing filling. Adjuvant but also deleterious mechanisms result in the complex dependency on the MWNT content. Significant flame retardancy effects are specific and limited to only some fire properties. This study allows the materials' potential for implementation in different fire scenarios and tests to be assessed and provides insight into active mechanisms.
Wireless sensor network for long-term structural health monitoring of buildings and infrastructures
(2009)
Damage commonly occurs in buildings when a component fails suddenly with a
partial or total collapse as a consequence. This type of event leads to serious damage to property
and if it is a bridge or a large hall, then people in particular are at risk. The often great age of
bridges and the increasing volume of traffic (particularly heavy traffic) which they are expected
to carry are in clear contradiction to each other. Thus the probability increases that the loadbearing
capacity of a bridge decreases rapidly and often unnoticed with sometimes dire
consequences.
In order to prevent such accidents, the Federal Institute for Materials Research and Testing is
currently developing a special radio-based, self-configuring measuring system in cooperation
with the Berlin-based ScatterWeb Company. This measuring system consists of a number of
identically designed sensor nodes which are self-sustaining, need no wiring, can act as both
transmitters and receivers and are equipped with a special sensor technology making long-term
monitoring of buildings or engineering facilities possible. The sensor unit uses strain gauges for
stress analysis and contains interfaces for additional sensors. The system in particular applies to
buildings and structures for transport and traffic and large-scale industrial facilities, where a
subsequent wiring installation is difficult or impossible.
Wireless Sensor Network for Long-Term Structural Health Monitoring of Buildings and Infrastructures
(2009)
Zur Untersuchung der Sicherheit von Behältern für den Transport und die Lagerung von Gefahrstoffen und -gütern werden Fallprüfungen durchgeführt. Die Aufpralldynamik und die strukturmechanischen Einwirkungen auf den Behälter werden mittels Beschleunigungsaufnehmern und Dehnungsmessstreifen erfasst. Dabei kommen derzeit Vielkanalmesssysteme zum Einsatz, die eine Verkabelung jeder einzelnen Messstelle und somit das Mitfallen eines Kabelbaums erfordern, wodurch Probleme bei der Versuchsvorbereitung und Durchführung entstehen. Die Verwendung eines Messsystems mit Datenbus und dezentraler Datenspeicherung bietet diesbezüglich einen vielversprechenden Lösungsansatz.
Mikrodrohne zur Charakterisierung und selbstoptimierenden Suche von gasförmigen Gefahrstoffquellen
(2010)
Bauwerke unter Beobachtung. Funkbasiertes Sensornetzwerk zur Schadensfrüherkennung an Bauwerken
(2010)
The project SIGRID investigates and assesses possibilities to enhance the safety and security of
dangerous goods transports through the use of the latest RFID-technology. This technology can be used to
greatly enhance the transparency of the supply chain and aid logistics companies in complying with regulations.
In the context of SIGRID, customized RFID-Sensor-Tags have been developed that monitor dangerous
goods during transport and help to prevent hazards by allowing timely countermeasures. In the case of a dangerous
goods accident, the available information about the type, amount and condition of the dangerous goods
can be used to accurately inform the relief forces. Unavailable or inaccurate information represents a significant
problem for the relief forces. This often leads to a delay in the rescue operation, because relief forces
must be aware of the substances involved to protect themselves effectively against them. SIGRID aims to
close this information gap. To verify the practicability of the underlying concepts, a demonstrator will be
build and tests of realistic scenarios will be conducted.
Motivation:
- Beschleunigungsaufnehmer (BA) sind in ihrer Funktion und in ihren Messeigenschaften stark temperaturabhängig
- kritisch ist z. B. der Dämpfungsmechanismus der seismischen Masse piezoelektrischer BA
- Anwendung: z. B. Fallversuche mit spezifischer Temperaturvorgabe (- 40 °C, + 100 °C)
- Entwicklung eines geeigneten Prüfverfahrens zur temperaturabhängigen Untersuchung von BA
BAM Federal Institute for Materials Research and Testing, in cooperation with the AirRobot GmbH & Co. KG company, has developed a flying remote-controlled measuring system. The system is capable of operating in a variety of scenarios of gas emissions, e.g. exhaust gas from chimneys, flue gas in a fire, gas emissions in the case of an accident of chemical or hazardous goods or in the case of a terrorist act involving toxic gases. Thus it can measure the gas concentration in the immediate vicinity of the object which causes the emission. A further stage of extension is to enhance the system for plume tracking and identification of sources of hazardous gases.
This paper presents a sampling strategy for mobile gas sensors. Sampling points are selected using a modified artificial potential field (APF) approach, which balances multiple criteria to direct sensor measurements towards locations of high mean concentration, high concentration variance and areas for which the uncertainty about the gas distribution model is still large. By selecting in each step the most often suggested close-by measurement location, the proposed approach introduces a locality constraint that allows planning suitable paths for mobile gas sensors. Initial results in simulation and in real-world experiments with a gas-sensitive micro-drone demonstrate the suitability of the proposed sampling strategy for gas distribution mapping and its use for gas source localization.
Damage to buildings occurs if a construction component fails. The result is a partial or total collapse which can be dangerous for people for example if it's a bridge or a large hall. The collapse of the terminal building at the Airport Charles de Gaulle in Paris and the damage at the historic City Archives of Cologne are typical examples of such accidents. Another problem is the contradiction of the increasing volume of traffic (particularly heavy traffic) and the great age of bridges. The probability increases that the load-bearing capacity of a bridge decreases. For example the collapses of the Mississippi Bridge and of the Inntal Motorway Bridge can be seen as results. Therefore it is necessary to control endangered structures during their life span.
In order to prevent these kinds of accidents, the Federal Institute for Materials Research and Testing developed a radio-based, self-configuring measuring system in cooperation with the ScatterWeb Company, Berlin (Germany). This measuring system consists of identically designed sensor modules which are self-sustaining, wireless, act as transmitters and receivers and are equipped with a special sensor technology for long-term monitoring of buildings or engineering facilities. The sensor unit uses strain gauges for stress analysis and contains interfaces for additional sensors. The system in particular applies to buildings and structures for transport and traffic and large-scale industrial facilities, where a subsequent wiring installation is difficult or impossible.
A multi-sensor system for 3D localization was developed and named BodyGuard. It combines body movement sensing and a guard system for the tracking and recording of the status of persons. BodyGuard was designed to monitor and transmit the movement of a person radio-based and to transform that data into a spatial coordinate. This paper describes how the BodyGuard system works, what components the system consists of, how the individual sensor data is converted into 3D motion data, with which algorithms the individual sensors are processed, how individual errors are compensated and how the sensor data are fused into a 3D Model.
Problemstellung:
- größter Turmbahnhof Europas
- Bau auf nachgiebigem Sandboden
- weitere Baumaßnahmen in unmittelbarer Nähe
- Setzungen und Hebungen der Brückenfundamente
- resultierende Beanspruchungen der Konstruktion
- Erfassung der Beanspruchungen und Verformungen während Bau und Betrieb
- Möglichkeit der Nachstellung der Gabelstützen
Eine Reihe von Prüfproblemen in der chemischen Industrie, in Kraftwerksanlagen und in Transportsystemen ist aufgrund schwieriger Zugangsmöglichkeiten nur begrenzt technisch bzw. wirtschaftlich effizient durchführbar. Das hier vorgestellte Projekt beinhaltet die Entwicklung eines Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung über weite Entfernungen (bis zu 100 m), das zum Einsatz in automatisierten Messsystemen bzw. zur Integration in Langzeitüberwachungssysteme geeignet ist. Grundlage des Verfahrens ist die gezielte Anregung und Auswertung von Lamb-Wellenmoden, wodurch eine effektive Unterscheidung von Fehler- und Formanzeigen sowie eine Klassifizierung unterschiedlicher Fehlertypen möglich werden.
Der Vorteil der Nutzung geführter Wellen für die zerstörungsfreie Prüfung liegt in ihrer vergleichsweise guten Ausbreitungsfähigkeit über weite Entfernungen. Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten der Untersuchung großer bzw. schwer zugänglicher Bereiche einer Struktur bieten innovative Ansätze für die Entwicklung robuster Structural-Health-Monitoring-Systeme (SHM). Erst durch die Verfügbarkeit leistungsfähiger Rechentechnik wird ein breiter Einsatz derartiger Verfahren möglich. Die Technik kann zur Materialcharakterisierung an ebenen bzw. zylindrischen, dünnwandigen Flächen aus Metall oder auch CFK genutzt werden. Adressierte Anwendungsfelder sind z.B. die Untersuchung von Flugzeugtragflächen oder Pipelines. Des Weiteren wird der Einsatz solcher Verfahren zur Überwachung sicherheitsrelevanter Bauteile z.B. aus Laminaten angestrebt, wie sie verstärkt in der Luft- und Raumfahrt Anwendung finden. Im Rahmen des Projekts wurde auf Grundlage vorhandener Technik (Wellenanregung mittels Ultraschall-Gruppenstrahlprüfköpfen) ein umfassendes Verständnis für die Technologie und anwendungsrelevante Parameter (Probenmaterial und -dimensionen, Welleneigenschaften, Anregungs-, Transmissions-, Reflektionscharakteristika) gewonnen und Algorithmen zur Erkennung von Schädigungsbildern (z.B. Riss, Loch, Verdünnung) entwickelt.
Neben der Algorithmusentwicklung zur Detektion und Analyse von Schadstellen, lag ein Projektschwerpunkt in der Entwicklung einer geeigneten Gerätetechnik. Als sensorisches Elemente wurde Ultraschall-Gruppenstrahlertechnik eingesetzt. Besondere Anforderungen werden an die Technik zur Anregung der Wellenmoden unter Verwendung geeigneter Piezoaktoren gestellt. In diesem Bereich existiert bislang keine kommerziell erhältliche Gerätelösung, weshalb eine Neuentwicklug der Anregetechnik realisiert wurde. Speziell für die hohe Anzahl an Aktorkanälen, die benötigt wird, um unterschiedliche Moden und Wellenformen anzuregen, wurde eine äußerst leistungsfähige Anregeeinheit entwickelt.
Dehnungsmessstreifen (DMS) gehören zu den Standardsensoren beim Messen mechanischer Größen.
Sie finden Ihre Anwendung auf unterschiedlichen Gebieten, als sensorische Komponente in
Messaufnehmern (z.B. Wägezelle, Kraftaufnehmer) oder für Dehnungsmessungen im Bereich der
Strukturüberwachung unter anderem an Brücken oder Bauwerken. Sie werden in verschiedenen Größen
geliefert und mit entsprechenden Klebstoffen auf der Objektoberfläche des Messobjekts an der jeweiligen
Messstelle angebracht und an das Messsystem angeschlossen. Dieser Aufbau wird bei den
verschiedenen Anwendungen unterschiedlichen Temperaturen und Umwelteinflüssen ausgesetzt. Dabei
wird das System DMS/Klebstoff in seinen Eigenschaften verändert und das Ergebnis der
Dehnungsmessung beeinflusst. Beispielsweise kann es zu einer Verfälschung der Messergebnisse
kommen, wenn der Klebstoff die Dehnung des Messobjekts nicht vollständig auf den DMS überträgt, oder
es kann eine Nullpunktverschiebung der Dehnungsmessung auftreten.
An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung werden Fallversuche von Lager- und
Transportbehältern durchgeführt. Für diese werden Dehnungsmessstreifen auf den Behälter angebracht
um die Dehnung bzw. Verformung zu messen. Bei den Versuchen werden verschiedene Parameter
berücksichtigt: Neben unterschiedlichen Fallhöhen (u.a. 9 m und 1 m) wird auch der Temperatureinfluss
auf den Fallversuch z.B. bei -40 °C oder +100 °C untersucht. Zur Applizierung von DMS auf
Objektoberflächen gibt es für verschiedene Anwendungsbedingungen (DMS-Typ, Objektoberflächenbeschaffenheit,
Einsatztemperatur) von den DMS-Herstellern jeweils empfohlene Klebstoffe.
Insbesondere für Anwendungsfälle mit hochdynamischer Belastung (Fallversuche, Crash-Tests) und
großem Temperaturbereich ist es erforderlich, dass die Dehnungsmessstreifen zuverlässige Werte
ausgeben. Dies ist nur gegeben, wenn der Klebstoff eine gute Verbindung zwischen Messobjekt und
Dehnungsmessstreifen herstellt.