Eigenverlag BAM
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Analytische bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen (IBESS-A3)
(2016)
Ziel des DFG-AiF-Forschungsclusters IBESS war die Entwicklung einer Methodik zur bruchmechanischen Ermittlung von Wöhlerkurven in Schweißverbindungen. Dem vorliegenden Teilprojekt A3 kamen dabei zwei Aufgaben zu: die Entwicklung einer analytischen bruchmechanischen Methodik und die Koordinierung des insgesamt acht Partner umfassenden Clusters. Dieser Bericht fasst die Ergebnisse der erstgenannten Aufgabe zusammen. Die bruchmechanische Methode ist durch folgende Aspekte charakterisiert. (a) Sie beschreibt sowohl Kurz- als auch Langrisswachstum. Ersteres umfasst mechanisch und physikalisch kurze Risse. Mechanisch kurze Risse weisen Abmessungen in der Größenordnung der plastischen Zone auf, weshalb sie zwar bruchmechanisch, nicht jedoch auf der Basis des linear-elastischen K-Konzepts charakterisiert werden können. Im Projekt wurde entsprechend eine Methode zur Bestimmung eines „plastizitätskorrigierten“ zyklischen K-Faktors entwickelt, die auf dem zyklischen J-Integral beruht. Physikalisch kurz bedeutet, dass die Rissschließeffekte im Ausgangsstadium der Rissentwicklung zunächst noch nicht vorhanden sind, dann jedoch graduell aufgebaut werden, bis sie mit Erreichen des Langrissstadiums eine risstiefenunabhängig konstante Größe erreichen. Beschrieben wird dieser Effekt durch die Anwendung der sogenannten zyklischen R-Kurve, der Funktion des Schwellenwerts gegen Rissausbreitung von der Risstiefe. Mittels Rissarrestbetrachtungen des kurzen Risses werden (b) die Ausgangsrissgröße für die weitere Bruchmechanikanalyse und (c) die für N = 107 definierte Dauerfestigkeit der Bauteile bestimmt. Die Analyse erfolgt (d) statistisch, Schwankungen der lokalen Nahtgeometrie entlang des Nahtübergangs über ein Modell äquidistanter Abschnitte einbezogen werden. (e) Eigenspannungen werden sowohl im unbehandelten Schweißzustand als auch nach zyklischer Belastung berücksichtigt. Das Modell wird an insgesamt 33 Wöhlerkurven validiert, die an drei Schweißverbindungsformen (Stumpfstoß, Kreuzstoß, Längssteife) mit je zwei unterschiedlichen Ausführungen, zwei Werkstoffen (S355NL und S960QL), sowie im spannungsarmgeglühten und ungeglühten Zustand experimentell ermittelt wurden.
Im Chemikalienrecht ergeben sich laufend Änderungen durch die regelmäßige Überar-beitung des UN-GHS. Konsequenzen hat dies auch für andere Vorschriften, die auf Einstufungen von gefährlichen Stoffen Bezug nehmen. Aber auch andere Vorschriften und Regelwerke unterliegen Änderungen durch Anpassungen an den Stand der Tech-nik. In diesem Beitrag werden für die chemische Sicherheitstechnik wichtige aktuelle Änderungen im Chemikalienrecht und nationalen Arbeitsschutzvorschriften vorgestellt.
Die 6. überarbeitete Fassung des GHS von 2015 enthält eine neue Gefahrenkategorie zur Einstufung von pyrophoren Gasen und eine neue Gefahrenklasse zur Einstufung von desensibilisierten explosiven Stoffen. Außerdem wurden Anforderungen an das Si-cherheitsdatenblatt bezüglich der physikalisch-chemischen Eigenschaften neu gefasst und um Informationen für die Ersteller von Sicherheitsdatenblättern ergänzt. Die 7. überarbeitete Fassung des GHS, die zurzeit in Arbeit ist und Anfang 2017 erschei-nen wird, wird voraussichtlich neue Kriterien und eine geänderte Einteilung für ent-zündbare Gase beinhalten sowie einen neuen Anhang zur Staubexplosionsgefahren.
Bei den nationalen Arbeitsschutzvorschriften haben sich Änderungen anlässlich der Verschiebung der Vorschriften zum betrieblichen Explosionsschutz von der Betriebssi-cherheitsverordnung in die Gefahrstoffverordnung ergeben. Im Nachgang werden auch die technischen Regeln zum Explosionsschutz überabeitet. Die technischen Re-geln für Tätigkeiten mit Gasen sind um Regelungen zu Acetylen ergänzt worden. Wei-tere Ergänzungen zu Füllanlagen für ortsfeste Druckanlagen für Gase und zu Flüssig-gas liegen gegenwärtig den zuständigen Ausschüssen zur Verabschiedung vor.
Die Schädigung von Gefahrgutbehältern während ihres Transports durch Korrosion und Ermüdungsrisswachstum sind Ursache von Unfällen, die Menschenleben gefährden, die Umwelt schädigen und hohe Sachschäden verursachen. Um solchen Unfällen vorzubeugen, werden präventive Intervallprüfungen durchgeführt. Diese sind jedoch kostenintensiv, unter anderem durch die Standzeit der Transportmittel. Eine Alternative bietet die Idee einer kontinuierlichen Zustandsüberwachung mittels Schallemissionsprüfung (SEP). So sollen Materialfehler sofort nach dem Entstehen entdeckt und repariert werden können. Die Schallemissionsprüfung ist eine online Methode der Familie der zerstörungsfreien Prüfung. Schallemission (SE) wird durch Veränderungen im Material erzeugt und durch elastische Wellen als Körperschall transportiert. Erzeugt das Schallemissionsereignis genug Energie, damit sich eine elastische Welle bis zum Rand eines Bauteils ausbreiten kann, entsteht dort eine Oberflächenverschiebung im Pikometer-Bereich, die mithilfe von piezoelektrischen Sensoren detektiert werden kann. Der Sensor gibt ein elektrisches Signal aus. Aus diesem transienten SE-Signal lassen sich SE-Parameter wie die Maximalamplitude oder die Frequenz extrahieren. Durch Methoden der Signalanalyse können Signalgruppen in der Zeit- und Frequenzebene untersucht werden. Durch Wellenmodenanalysen lassen sich beispielsweise Aussagen über die Art der Quelle machen. Diese Methoden werden angewendet, um aus dem SE-Signal Rückschlüsse auf die Quelle der Schallemission zu ziehen. Werden definierte Schadensmechanismen erkannt, können Hinweise auf den Schadenszustand des Bauteils gegeben werden. Durch Schallemission, die durch den Rissfortschritt erzeugt wird, kann beispielsweise ein Zusammenhang zur Rissfortschrittsrate und zum Spannungsintensitätsfaktor geschlossen werden. Eine neue Entwicklung im Bereich der Schallemissionsprüfung ist die Mustererkennung von SESignalen. Aus den Signalen werden spezifische Merkmale extrahiert, die sie ihren Schadensmechanismen zuordnen sollen. Für die Schadensmechanismen Korrosion und Ermüdungsrisswachstum findet in dieser Arbeit eine vergleichende Analyse von SE-Signalen statt. Die Schadensmechanismen werden anwendungsnah auf großen Platten in der Wärmeeinflusszone einer Schweißnaht generiert und ihre SE-Signale definiert aufgenommen. Dafür werden Resonanzsensoren verwendet, die auf der einen Seite durch ihre Frequenzabhängigkeit sehr empfindlich die kleinste Oberflächenbewegungen reagieren und somit auch für die Anwendung in einer Zustandsüberwachung geeignet sind, jedoch andererseits frequenzbasierte Methoden der Signalanalyse erschweren. Es werden reines Ermüdungsrisswachstum, Ermüdungsrisswachstum unter dem Einfluss von Korrosion sowie reine Oberflächenkorrosion generiert. Die Signalgruppen der Schadensmechanismen werden anhand ihrer Parameter verglichen; anhand von Wellenmodenanalysen können erste Unterschiede, trotz des starken Sensoreinflusses im Frequenzbereich, festgestellt werden. Der Schadenszustand der Proben wird durch bruchmechanische Kenngrößen in Zusammenhang mit SE-Parametern der Signalgruppen gebracht. Ferner findet eine Mustererkennung der SE-Signale statt. Dafür werden zwei Methoden des überwachten Lernens verwendet: eine automatisierte Merkmalsauswahl mithilfe eines kommerziellen Mustererkennungssystems, bei dem hauptsächlich frequenzabhängige Merkmale generiert werden sowie eine parameterbasierte Mustererkennung. Bei der parameterbasierten Mustererkennung wird die Einteilung in Signalklassen aufgrund der Häufigkeitsverteilung der SE-Parameter aus den Signalen der untersuchen Schadensmechanismen vorgenommen. Dabei ergeben beide Methoden, insbesondere für die Schädigung durch Korrosion, eine gute Zuordnung der SE-Signale in die richtige Schädigungsklasse. Abschließend findet unter Berücksichtigung der Nachweisbarkeit von SE-Ereignissen und der Klassifizierbarkeit von SE-Signalen eine Einschätzung zu Chancen und Risiken der permanenten Zustandsüberwachung mittels Schallemissionsprüfung statt. Dazu werden unter anderem eigene Messungen an Tankfahrzeugen hinzugezogen sowie Ergebnisse aus zyklischer und statischer Belastung verglichen. Es wird eine Abschätzung zur Wahl der Überwachungsmethode an Gefahrgutbehältern gegeben.
Einfluss der Porosität von Beton auf den Ablauf einer schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion
(2016)
This thesis deals with the question of how the porosity of concrete influences the process of a damaging alkali-silica-reaction (“ASR”). In particular, it is examined whether the use of slip form pavers and the reduced porosity resulting from this use have an effect on the process of a damaging ASR.
Since the 1980s slip form pavers have been used, which modifies the structure of concrete. However, these modifications have not yet been taken into consideration in the relevant technical guidelines. The use of slip form pavers instead of conventional concrete pavers results in a denser structure. Due to the denser structure the ductility and the porosity of the concrete decrease. Thus it is more difficult for the tensile stress to be reduced. Moreover, the space for the ASR gel to expand is reduced. These consequences promote the ASR. By contrast, the permeability of the concrete is lower. Hence, the penetration of external alkalis is reduced and the diffusion of the alkalis to the potentially reactive aggregate slowed down. Against this background the question arises whether the use of slip form pavers and the reduced porosity of the concrete increase the risk of a damaging ASR.
An innovative non-destructive testing methodology is applied to answer this question. Based on variations of the porosity it is examined which damage parameters influence the process and intensity of a damaging ASR. The damaging parameters taken into consideration are the mechanical properties of the concrete, the expansion space and the transport processes within the concrete. In order to determine the influence of the relevant damaging parameters two categories of tests are conducted: one category is based on a high internal potential for damages due to ASR, the other one on a high external potential. In both cases alkali-reactive slow/late aggregates are tested. The different porosities of the concrete mainly result from a variation of the w/c-ratio. In case of a high internal potential for ASR-damages the mechanical properties and the expansion space play the most important role. Furthermore; the influence of an air-entraining agent on the process of a damaging ASR is taken into account. The high internal potential for ASR-damages is provoked by the use of cement with a high amount of alkalises for the production of the concrete samples. These samples are stored in the 40 °C fog chamber storage and the 60 °C concrete prisms test. On the one hand the expansion and the change in mass as well as the eigenfrequency are measured discontinuously in the conventional way. On the other hand the innovative testing methodology applied to these ASR-provoked stored concrete samples serves to continuously measure the expansion and the hardening as well as crack formation processes. This methodology comprises a determination of the ultrasonic velocity and of acoustic emissions as well as 3-dimensional micro X-ray computed tomography (μ-3D-CT). The high external potential for ASR-damages is provoked by the cyclic climate storage, designed by FIB. The analysis of these concretes focuses on transportation processes.
In the last several decades, the rural exodus has led to an increasing number of inhabitants in the urban areas. The increased building and infrastructural construction caused the transformation of the landscape and to an increased land sealing in these areas. Consequently, the increased land sealing influences the air temperatures in the cities, since houses, streets and squares heat up continuously. As a result, the city and metropolitan areas became significantly warmer than their surroundings - the effect is known as Urban Heat Island (UHI). These changes have a negative impact for the quality of life. To deal with the negative effects of UHI, a high level of technical and financial effort is necessary. The costs caused by the UHI effects are in the range of several billion US dollars worldwide per year. The recent studies on UHI showed that the established methods like parks and green spaces or bright coatings for roof areas will soon not be able to effectively cope with the UHI effect in urban areas. Therefore there is a need for additional methods to mitigate UHI effect in the cities. The streets, sidewalks and squares represent approximately 30% to 40% of the inner cities areas. If these areas are designed functionally, they can have a significant impact on the UHI. This contribution focuses on development of a concrete paving stone with self-cooling properties. For the cooling effect the evaporative cooling is used. The paving stone is able to store large quantities of water and deliver during appropriate environmental conditions. This paper deals with the results of the long-term experiments on the test-fields under different climatic conditions. To interpret the test-field-results, laboratory tests were carried out as well. The paper presents and discuss the obtained results, and points out the difficulties occurred.
Lead (Pb) isotope amount ratios are commonly used in applications ranging from archaeology and forensic sciences to terrestrial and extra-terrestrial geochemistry. Despite their utility and frequency of use, only three certified isotope amount ratio reference materials are currently available for Pb: NIST SRMs 981, 982 and 983. Because SRM 981 has a natural Pb isotopic composition, it is mainly used for correcting instrumental mass discrimination or fractionation. This means that, at present, there are no other certified isotope reference materials with natural Pb isotopic composition that could be used for validating or verifying an analytical procedure involving the measurement of Pb isotope amount ratios.
To fill this gap, two new reference materials, both certified for their Pb isotopic composition, have been produced together with a complete uncertainty assessment. These new reference materials offer SI traceability and an independent means of validating or verifying analytical procedures used to produce Pb isotope amount ratio measurements.
ERM-EB400 is a bronze material containing a nominal Pb mass fraction of 45 mg/kg. ERM-AE142 is a high purity solution of Pb with a nominal mass fraction of 100 mg/kg. Both materials have been specifically produced to assist analysts in verifying or validating their analytical procedures. Note that while one of these reference materials requires the chemical separation of Pb from its matrix (ERM-EB400), the other does not (ERM-AE142). Details on the certification of these isotope reference materials are provided in this report.
This thesis addresses numerical simulations of self-compacting concrete (SCC) castings and suggests a novel modelling approach that treats reinforcement zones in a formwork as porous media.
As a relatively new field in concrete technology, numerical simulations of fresh concrete flow can be a promising aid to optimise casting processes and to avoid on-site casting incidents by predicting the flow behaviour of concrete during the casting process. The simulations of fresh concrete flow generally involve complex mathematical modelling and time-consuming computations. In case of a casting prediction, the simulation time is additionally significantly increased because each reinforcement bar occurring in succession has to be considered one by one. This is particularly problematic when simulating SCC casting, since this type of concrete is typically used for heavily reinforced structural members. However, the wide use of numerical tools for casting prediction in practice is possible only if the tools are user-friendly and simulations are time-saving.
In order to shorten simulation time and to come closer to a practical tool for casting prediction, instead to model steel bars one by one, this thesis suggests to model zones with arrays of steel bars as porous media. Consequently, one models the flow of SCC through a reinforcement zone as a free-surface flow of a non-Newtonian fluid, propagating through the medium. By defining characteristic parameters of the porous medium, the influence on the flow and the changed (apparent) behaviour of concrete in the porous matrix can be predicted. This enables modelling of any reinforcement network as a porous zone and thus significantly simplifies and fastens simulations of reinforced components’ castings.
Within the thesis, a computational model for SCC flow through reinforced sections was developed. This model couples a fluid dynamics model for fresh concrete and the macroscopic approach for the influence of the porous medium (formed by the rebars) on the flow. The model is implemented into a Computational Fluid Dynamics software and validated on numerical and experimental studies, among which is a large-scale laboratory casting of a highly reinforced beam. The apparent rheology of concrete within the arrays of steel bars is studied and a methodology to determine unknown input parameters for the porous medium is suggested. Normative tables defining characteristic porous medium parameters as a function of the topology of the rebar zone for different reinforcement cases are generated. Finally, the major contribution of this work is the resulting numerical package, consisting of the numerical solver and the parameter library. The thesis concludes on the ability of the porous medium analogy technique to reliably predict the concrete casting behaviour, while being significantly easier to use and far less time consuming than existing tools.
The project addresses chemical and topographical metrology at surfaces. The new methodologies of measurements at surfaces will be developed as good practice guides and new work item proposals for industrial ISO standards. The objectives of the Joint research project (JRP) are to provide measurement standards and methods with traceability wherever it is practicable to do so for quantitative surface chemical analysis for industrial applications.
South Africa and recently Nigeria are the only net exporter of cement in Africa, yet cements are imported into the country mainly on the basis of price competitiveness. This poses potential for scatter in the properties of the cements in the South African market as pricing seems to be the only determining factor that affects Portland cements imported. A survey of cements of grade 42.5N in the South African cement market was carried out to identify major players in the industry. The identified cements, which included four locally produced and one imported cement were then analysed for both chemical composition and physical properties in line with the Eurocode EN 196. Tests carried out include loss on ignition, chloride content, sulphate content, specific surface (Blaine), standard consistence, initial setting time, final setting time, soundness and flexural and compressive strength at 2, 7 and 28 days. The testing program was initiated as part of on-going Africa-wide cement testing competency program in partnership with BAM and PTB in Germany. The performance of the identified cements from the different local manufacturers and the imported cement were analysed and are presented in this paper. These results reveal some similarities and differences in the properties. Particularly of interest is the marked difference in the 28 days compressive strength of the cements. This paper shows that there is need for further tests across the cement industry as some of the cements failed to meet certain requirement as set by EN 196. The paper also recommends the use of proficiency testing schemes in the cement industry of the country to ensure the cement laboratories are providing results of high quality and at the same time act as a check to make sure these laboratories are not failing to meet standard requirements.