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- 9.0 Abteilungsleitung und andere (1)
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Um den Klimawandel wirksam zu bekämpfen, ist es entscheidend, fossile Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen wie Wind-, Solar- und Wasserkraft sowie alternative Energieträger, beispielsweise grünen Wasserstoff, zu ersetzen. Offshore-Windenergie spielt hierbei eine zentrale Rolle, da sie dank der Kombination aus globaler Verfügbarkeit, relativ geringen Betriebskosten und fortgeschrittenem technischen Entwicklungsstand besonders geeignet ist, zur regenerativen Stromerzeugung beizutragen. Sie ist zudem ein Schlüsselelement für die Umsetzung des Europäischen Green Deals, der das Ziel verfolgt, bis 2050 Klimaneutralität in der EU zu erreichen. Expertenschätzungen zufolge ist eine Steigerung der aktuellen Kapazität von 25 GW im Jahr 2020 auf etwa 450 GW notwendig, um diese ambitionierten Ziele zu erfüllen.
Bei der Entwicklung zukünftiger Offshore-Windparks, insbesondere in tieferen Gewässern, gewinnen Jacket-Gründungsstrukturen an Bedeutung. Diese Strukturen, die eine höhere Steifigkeit bei geringerem Materialeinsatz im Vergleich zu den bisher vorherrschenden Monopile-Gründungen bieten, basieren auf komplexen, räumlich aufgelösten Konstruktionen, die ähnlich den Öl- und Gasplattformen entwickelt werden. Die Herstellung der Jacketknoten, die bislang überwiegend manuell geschweißt wurden, birgt erhebliches Optimierungspotential. Durch Automatisierung und Digitalisierung der Fertigungsprozesse könnten nicht nur die Effizienz gesteigert, sondern auch die Qualität der Endprodukte durch präzise Überwachung und Kontrolle der Produktionsparameter verbessert werden. Diese technologischen Fortschritte sind für die Skalierung der Offshore-Windenergie und die Erreichung der Klimaziele von entscheidender Bedeutung.
Diese Hinweisbroschüre erläutert allgemeine Planungsvoraussetzungen und Dimensionierungsregelungen, Baugrundsätze und Zulassungsbedingungen zur Anwendung innovativer Belagsdehnfugensysteme (Fahrbahnübergangskonstruktionen) in hochbeanspruchten Verkehrsflächen des Bundesfernstraßenbereiches. Alle planungsrelevanten, baustoffrelevanten, versuchstechnische, qualitätssichernden und baupraktischen Aspekte werden zur Unterstützung der Straßenbauverwaltungen, der Lieferfirmen und Ausführungsbetriebe erläutert. Die Veröffentlichung stellt eine technische Analyse aus Erfahrungssammlungen und Auswertung praktischer Erkenntnisse dar.
minimum explosion concentration (MEC) and limiting oxygen concentration (LOC) in our recent works. This work further studies the reasonability and reliability of the alternative method experimentally and theoretically. Six different dust samples were tested via a 20-L spherical explosion chamber. The experimental results showed that the data of MEC and LOC determined by using the alternative and the standardized methods are in good agreement. The minimum flame propagation velocity (Sf) and the corresponding maximum combustion duration time (tc) were found at its MEC and LOC, suggesting that the theoretical analysis can well explain all the experimental data. It is the first time to study the theoretical basis of the explosion criterion, thus helping to improve our understandings of dust explosion characteristics, and to amend the explosion criterion in future test standards.
Beton ist weltweit einer der wichtigsten Konstruktionswerkstoffe und zeichnet sich durch eine enorme Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Anforderungen aus. Damit verbunden ist eine hohe und kontinuierlich zunehmende Komplexität hinsichtlich der Ausgangsstoffe, Rezepturen und des Herstellungsprozesses. Folglich setzt eine Ausschöpfung des technischen und umweltbezogenen Potenzials der Betonbauweise höchste Expertise bei den Einzelakteuren der Bauindustrie voraus.
Der Beitrag berichtet von einer aufwändigen Messkampagne vor Ort, mit der die Emissionen direkt an einer Rohzementmühle, die Transmissionen im Baugrund und die Immissionen in benachbarten Bebauungen genauer untersucht wurden. Im Ergebnis der ausgewerteten Messungen sowie strukturdynamischer Berechnungen zeigte sich, dass der Baugrund zwar aus statischer Sicht sehr gut tragfähig, aber dynamisch als eher ungünstig zu beurteilen ist. Weiterhin wurde festgestellt, dass in dynamischer Hinsicht ein vorgenommener Bodenaustausch tendenziell eine Verschlechterung der Aufstellbedingungen darstellte. Für das betroffene Bürogebäude konnte nachgewiesen werden, dass durch den Betrieb der Zementmühle die Anregung der Deckeneigenfrequenzen zu deutlich spürbaren Resonanzschwingungen führte. Aufgrund der tieffrequenten Anregung durch den Mühlenbetrieb sind Maßnahmen zur Minderung der Schwingungsemissionen generell und insbesondere nach erfolgter Aufstellung der Mühle schwer bzw. gar nicht zu realisieren. Im Beitrag wird daher darauf eingegangen, auf welche Aspekte bei der Planung zur Aufstellung derart großer Mühlen zwingend zu achten ist.
The evaluation of technical components and materials in terms of condition and quality with the aid of non-destructive testing methods plays an outstanding role both in industrial serial production and in the individual assessment of components. The ultrasonic echo method is used for a wide variety of testing tasks, such as measuring the thickness of a component. At the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin, test methods are developed and their performance is demonstrated. For this purpose, references such as materials, test procedures or data sets are generated, which are used to evaluate these developed test methods. An important component of these references are data sets that are created according to the BAM Data Policy and made available to the scientific community and users of test methods in practice on the basis of the FAIR principles (Findability, Accessibility, Interoperability, and Reuse).
Viscosity modifying agents: Key components of advanced cement-based materials with adapted rheology
(2022)
Viscosity modifying agents (VMAs) are essential ingredients for the production of flowable cement-based materials. This paper presents an overview of commonly used VMAs and attempts to shed some light on the underlying physics at the origin of their mechanisms of action. The main molecular parameters of VMA controlling the rheological properties of the cement pore solution are highlighted. As the mechanisms of action of VMAs in cement-based materials are closely related to their affinity with the surface of cement particles, the adsorption of the main VMA types is discussed. The effect of VMAs on flow properties and stability of cement-based materials is presented for VMAs added without any superplasticizer, and then in systems incorporating both VMAs and superplasticizers. Finally, the effect of VMAs in enhancing concrete properties to secure adequate performance of different construction applications, and perspectives for future developments of novel cement-based materials made with VMAs are showcased.
Synopsis: The paper presents the results of a study on the influence of agitation on the structural build-up of fresh cement pastes using a penetration test. It first presents results about the influence of the penetrating shape’s geometry on the influence on the cement paste specimen. Then, results are shown for the load-deflection curves depending upon time and agitation before testing. Based on the observation of the force required to penetrate the sample, conclusions on the structural build-up can be made. The observations were made over the course of time with samples that were left at rest and partly agitated before testing at different time steps. The setup allows to identify the contribution of the chemical reaction to the structural build-up process. The presence of superplasticizer obviously reduces the load that cement paste can withstand, while the loss of thixotropy is found notably lower than that of neat cement pates
Synopsis: Lately, there has been rising attention to superplasticizers (SP) based on polyphosphate esters. However, the influence of the molecular structure of the polyphosphate polymers on time-dependent properties such as structural build-up has not been examined yet intensively. To investigate this effect, three comb polyphosphate superplasticizers with different charge densities were synthesised by free radical polymerisation. Our findings indicate that SP with the lowest and medium charge densities extend the induction period more strongly than the SP with the highest charge density. The reduction of the structural build-up rate is linearly dependent on the dosage and concentration of the functional group of polyphosphate SP in the cementitious system. This study proposes a mathematical equation expressing the relationship between the structural build-up rate during the induction period and the molecular structure of the polyphosphate SP.
Influence of the hydroxypropylation of starch on its performance as viscosity modifying agent
(2022)
Synopsis: Starch is a commonly used viscosity modifying agent (VMA). The performance of starch as VMA depends on its origin (e.g. potato, corn, cassava, etc.) and corresponding molecular properties, such as molecular weight, ratio between amylose and amylopectin etc. Depending upon the application, the efficiency of starch can be enhanced by hydroxypropylation. The maximum degree of substitution (DoS) cannot be greater than 3.0, which is the number of hydroxy groups per glucose monomer in the polymer. In the current research three potato starches exhibiting the DoS of 0.4, 0.6 and 0.8 were utilised. The influence of the modified starch on the rheological properties and hydration of cement paste, as well as the viscosity of the pore solution were investigated. Our findings show that the starch with the highest DoS increases the dynamic yield stress the most, while the plastic viscosity is less dependent on the DoS. Additionally, starch with the highest DoS retards hydration to lower degree than other starches.
Organic admixtures are an indispensable component of modern concrete. Thus, their purposeful application is not only technically and economically viable but in addition an inevitable tool to make concrete more environmentally friendly. In this context, the use of polysaccharides has increasingly gained interest in the built environment as sustainable resource for performance enhancement. However, due to its origin, biopolymers possess a vast variety of molecular structures which can result in incompatibilities with other polymers present in concrete, such as superplasticizers. The present study highlights effects of the joint application of different types of starches and polycarboxylates with respect to their influence on cement hydration and structural build-up of cement pastes.
The current paper develops a novel accelerated corrosion test method based on Faraday’s law to investigate the performance of different inhibitors in reinforced concrete elements under electrical voltage. Using the proposed method two commercially available and three lab-made inhibitors were tested. Lab-made inhibitors based on potassium fluorosilicate and amine carboxylate showed the best performance over others. Furthermore, it is found that under an electrical potential environment beyond 3.6 V, the higher the concrete strength, the more efficient is the corrosion inhibition. Based on experimental results, a novel model describing the corrosion evolution in reinforced concrete was proposed.
The structural build-up of fresh cement paste is often considered as a purely thixotropic phenomenon in literature even though cementitious materials undergo a non-reversible hydration process that can have an influence on the structuration process. In the current paper a method is proposed to validate the impact of the non-reversible structural build-up. It is shown that fresh cement paste samples lose their structural gain almost completely due to thixotropy while the structural build-up due to hydration can be observed but occurs in a significantly lower order of magnitude over the course of the first hours of hydration. In addition, it is shown, that the chemical component of the structural build-up accelerates with the onset of the acceleration period of hydration, while its contribution in the entire structural build-up remains constant.
The retardation mechanism of cement hydration as imparted by the addition of polyphosphate comb superplasticizer to model cement containing C3S, C3A and calcium sulfate hemihydrate is studied using XRD, ss NMR and calorimetry. Our findings show the retardation effect caused by the direct addition of polyphosphate comb superplasticizer differs significantly to that of conventional polycarboxylate superplasticizers. Conversely to polycarboxylates, polyphosphates, at a low dosage, inhibits the silicate reaction without affecting the aluminate reaction and formation of ettringite. Yet, at high doses, both reactions are hampered, and the induction period extended, followed by accelerated aluminate and silicate reactions.
Ein zentrales Fundament moderner Gesellschaften ist eine intakte Abwasserinfrastruktur. Schäden infolge biogener Schwefelsäurekorrosion von konventionellen Betonen haben jedoch zu einem erheblichen Sanierungsbedarf geführt. Alkaliaktivierte Mörtel besitzen aufgrund eines hohen Säurewiderstands das Potential, einen Beitrag zur langfristigen Lösung dieses Problems zu leisten. Dazu müssen jedoch zunächst die Faktoren, die den Haftverbund zwischen diesen Mörteln und dem Betonsubstrat bestimmen, besser verstanden werden, um die Eigenschaften der Beschichtungssysteme gezielt anpassen und verbessern zu können. Die vorliegende Arbeit liefert hierzu einen Beitrag und zeigt dadurch Wege zu einer technisch machbaren und nachhaltigen Sanierung von Abwasserbauwerken auf.
Multiscale modeling of heterogeneous structures based on a localized model order reduction approach
(2022)
Many of today’s problems in engineering demand reliable and accurate prediction of failure mechanisms of mechanical structures. Thus, it is necessary to take into account the heterogeneous structure on the smaller scale, to capture the underlying physical phenomena. However, this poses a great challenge to the numerical solution since the computational cost is significantly increased by resolving the smaller scale in the model. Moreover, in applications where scale separation as the basis of classical homogenization schemes does not hold, the influence of the smaller scale on the larger scale has to be modelled directly. This work aims to develop an efficient concurrent methodology to model heterogeneous structures combining the variational multiscale method (VMM) and model order reduction techniques. First, the influence of the smaller scale on the larger scale can be taken into account following the additive split of the displacement field as in the VMM. Here, also a decomposition of the global domain into subdomains, each containing a fine grid discretization of the smaller scale, is introduced. Second, local reduced approximation spaces for the smaller scale solution are constructed by exploring possible solutions for each subdomain based on the concept of oversampling and the solution of the associated transfer operator problem. Herein, we propose to choose the training data based on the solution of a reduced global problem to incorporate the actual physical behaviour of the structure of interest and to extend it by random samples to ensure sufficient approximation capabilities in general. The local reduced spaces are designed such that local contributions of each subdomain can be coupled in a conforming way. Thus, the resulting global system is sparse and reduced in size compared to the direct numerical simulation, leading to a faster solution of the problem.
The authors gratefully acknowledge financial support by the German Research Foundation (DFG), project number 394350870, and by the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (ERC Grant agreement No. 818473).
Im Rahmen des Forschungsprojektes IGF 20470N wurden Untersuchungen zum Alterungsverhalten von reaktiven Brandschutzsystemen (RBS) auf Stahlbauteilen durchgeführt. Mithilfe der Ergebnisse einer umfangreichen Literaturrecherche sowie experimentellen und numerischen Untersuchungen sollte ein Vorschlag für ein Prüfkonzept zum Nachweis einer Nutzungsdauer von RBS von mehr als 10 Jahren auf Basis von Kurzzeitversuchen abgeleitet werden. Dabei setzt die Bewertung des Alterungsverhaltens von RBS voraus, dass die Mechanismen der Alterung hinreichend bekannt sind.
Dafür wurden zunächst systematisch Daten von Kurz- und Langzeitversuchen von nationalen Zulassungsprüfungen der letzten Jahrzehnte ausgewertet. Anschließend wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen an einer wasserbasierten sowie einer epoxidharzbasierten Richtrezeptur durchgeführt. Da aus der Literatur bekannt ist, dass die Einflüsse der Bewitterung zu einer Veränderung der Konzentration der Bestandteile innerhalb der Beschichtung führen können, wurden Untersuchungen mit Mangelrezepturen durchgeführt, wobei systematisch einzelne Bestandteile reduziert wurden. Neben optischen Untersuchungen wurden thermoanalytische Verfahren (DSC-TG-, ATR-FTIR-, Elementar-, Farbanalyse) angewandt sowie Brandversuche an beschichteten Stahlplatten durchgeführt. Des Weiteren wurden die Richtrezepturen den beschleunigten Kurzzeitversuchen gemäß EAD 350402-00-1106 (2017) unterzogen, welche die Zulassung von Produkten auf europäischer Ebene regelt. Für die wasserbasierte Richtrezeptur wurden die Bewitterung für den feuchten Innenraum (Typ Z1) mehrfach wiederholt (1x, 3x, 6x). Für die epoxidharzbasierte Richtrezeptur entsprach die Bewitterung dem Zyklus für die Außenanwendung (Typ X). In Brandversuchen sowie thermoanalytischen und optischen Untersuchungen wurde das Alterungsverhalten sowie die thermische Schutzwirkung analysiert.
Anschließend wurden numerische Simulationen von Stahlbauteilen mit gealterten RBS durchgeführt und anhand der experimentellen Untersuchungen validiert. Mithilfe der numerischen Modelle kann eine Bewertung der thermischen Schutzwirkung von Stahlbauteilen mit gealterten RBS vorgenommen werden.
Mithilfe der gesammelten Erkenntnisse wurde ein Vorschlag für ein Prüfkonzept für den Nachweis einer Nutzungsdauer von mehr als 10 Jahren abgeleitet. Das Prüfkonzept besteht dabei aus einem Katalog von Möglichkeiten, die aktuellen Zulassungsprüfungen auf europäischer Ebene für eine Nutzungsdauer von 10 Jahren auf einen längeren Zeitraum zu erweitern.
Ein Aspekt des Gefahrguttransportes, der an Bedeutung in den letzten Jahren zugenommen hat, ist die Versorgung von Wasserstofftankstellen und anderen H2-Großverbrauchern über die Schiene aber insbesondere über die Straße.
Mit Blick auf die primäre Form der Speicherung wird der Begriff der Sicherheit über den Aspekt der Häufigkeit eines definierten Ereignisses erläutert und auf die Besonderheiten der Druckgefäße aus Verbundwerkstoffen hingewiesen, wie auch den regulatorischen Hintergrund der Lebensdauerüberprüfung nach 15 Jahren nach den Vorgaben der zuständigen Behörde. In Deutschland sind diese Vorgaben in der BAM-Gefahrgutregel 021 geregelt, die in der GGR 022 durch eine Regelung zur Wiederkehrenden Prüfung dieser Umschließungen ergänzt wird.
Beide BAM-Gefahrgutregeln basieren auf einem probabilistischen Ansatz und einer Konsequenzabschätzung über das Druck-Volumen-Produkt der Druckgefäße. Die neu im Recht verankerte EN 17339 ist die erste Norm, die speziell fest montierte Compositespeicher für den Wasserstofftransport regelt. Sie ermöglicht eine erhebliche Gewichtreduktion und führt eine Obergrenze für das Druckvolumen ein.
Es wird kurz erläutert, dass gerade mit Blick auf Wasserstofftransporte über eine Arbeitsgruppe der Vereinten Nationen eine Begrenzung des Konsequenzpotentials in das internationale Recht eingeführt werden soll und welche Kriterien bei der systematischen Ermittlung des akzeptierten Wertes von 1.5 Mio bar Liter Einfluss haben.
Mit Blick auf die Energiewende sieht es die BAM als besonders wichtig an, die Transportkosten zu senken, indem der Prüfaufwand reduziert und gleichzeitig die Erkenntnistiefe aus der betrieblichen Überwachung verbessert wird. Hierzu muss die Datenbasis für die probabilistische Bewertung der Lebensdauer von zerstörenden Prüfungen auf zerstörungsfreie Prüfungen umgestellt werden und idealerweise die 100% Prüfung zumindest in der ersten Hälfte des sicheren Lebens auf Stichproben reduziert werden.
Dies und andere Aufgaben, die wichtig für eine sichere und attraktive Wasserstoffwirtschaft sind werden von dem Kompetenzzentrum H2Safety@BAM bearbeitet, dass in seinen Grundzügen kurz vorgestellt wird.