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- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (71)
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- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (61)
Paper des Monats
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Der Fachbeirat beschloss im vergangenen Jahr Zulassungsrichtlinien für Kunststoffdichtungsbahnen, Schutzschichten, Kunststoff-Dränelemente und Geotextilien zum Filtern und Trennen und eine Richtlinie über Anforderungen an Verlegefachbetriebe, die von seinen Arbeitsgruppen vorbereitet worden waren, und nunmehr die Grundlage für die Zulassungstätigkeit bilden. In diesem Beitrag wird im Anschluss an die Ausführungen auf der letzten Fachtagung kurz über wesentliche Anforderungen und Zulassungsvoraussetzungen berichtet. Noch nicht verabschiedet sind die Richtlinien für Dichtungskontrollsysteme und Bewehrungsgitter aus Kunststoff. Auf den Diskussionsstand bei den Anforderungen an die Bewehrungsgitter wird etwas ausführlicher eingegangen, da sich neben den materialtechnischen auch bemessungstechnische Probleme ergeben.
Die Nutzung des Wertstoffpotentials von Abfällen und Reststoffen ist ein Grundpfeiler im Schutz von natürlichen Ressourcen. Dabei ist der Aufbau und Erhalt von Stoffkreisläufen im Baubereich - aufgrund der großen Menge an Baurestmassen - von besonderer Ressourcenrelevanz. Während in Zukunft im Sinne der Nachhaltigkeit schon bei der Errichtung von Gebäuden auch auf Möglichkeiten zur Stoffstromtrennung beim Rückbau geachtet werden sollte, sind die heute rückzubauenden Bauwerke nicht unter diesem Gesichtspunkt errichtet worden.
The formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) upon irradiation of semiconductors and dielectrics by linearly polarized high-intensity Ti:sapphire fs-laser pulses (τ ~100 fs, λ ~800 nm) is studied experimentally and theoretically. In the experiments, two different types of LIPSS exhibiting very different spatial periods are observed (socalled LSFL low spatial frequency LIPSS, and HSFL - high spatial frequency LIPSS), both having a different dependence on the incident laser fluence and pulse number per spot. The experimental results are analyzed by means of a new theoretical approach, which combines the generally accepted LIPSS theory of J. E. Sipe and co-workers [Phys. Rev. B 27, 1141-1154 (1983)] with a Drude model, in order to account for transient changes of the optical properties of the irradiated materials. The joint Sipe-Drude model is capable of explaining numerous aspects of fs-LIPSS formation, i.e., the orientation of the LIPSS, their fluence dependence as well as their spatial periods. The latter aspect is specifically demonstrated for silicon crystals, which show experimental LSFL periods Λ somewhat smaller than λ. This behaviour is caused by the excitation of surface plasmon polaritons, SPP, (once the initially semiconducting material turns to a metallic state upon formation of a dense free-electron-plasma in the material) and the subsequent interference between its electrical fields with that of the incident laser beam, resulting in a spatially modulated energy deposition at the surface.
Upon multi-pulse irradiation, a feedback mechanism, caused by the redshift of the resonance in a grating-assisted SPP excitation, is further reducing the LSFL spatial periods. The SPP-based mechanism of LSFL successfully explains the remarkably large range of LSFL periods between ~0.6 λ and λ.
In the frame of the European harmonization, new European technical standards (Eurocodes) have been developed in recent years. Classical methods, like tables and simplified analytical procedures, as well as general engineering techniques are allowed by the Eurocodes for the fire protection design. The modeling and calculation of fire scenarios with CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical methods is one of the general engineering methods. It is nowadays still difficult to check and evaluate the CFD results for their use as technical documents for fire safety design.
Analytical engineering techniques, zone models and CFD-models have been used and compared in the present work for the prediction of the fire development in a building.
To solve the conservation equation for the CFD-model, the CFD-program FDS, with the mixture fraction model, and the CFD-program FLUENT, with the one step reaction model as well as with the volumetric source term model, have been used.
The combustion of polyurethane is modeled in FDS by specifying the heat release rate and the stoichiometry. For the combustion in volumetric source term model, the heat release rate and the smoke release were specified with respect to the stoichiometry. The input parameter for the one step reaction model is the pyrolysis mass flow.
In the one step reaction model, the transport equations for polyurethane, H₂O, N₂, O₂, CO₂, CO and C (soot) are solved and the heat of combustion is determined from the standard formation enthalpy of all the components. In volumetric source term model, the transport equation is solved for air and smoke. FDS solves the transport equation for the mixture fraction.
To model the fire development, and where no literature data was available, the required material characteristics like specific heat capacity, absorption coefficient and heat of combustion were measured.
In all the investigated CFD-models the heat- and species transport equation has been solved and the absorption coefficient of soot has been considered.
Furthermore, the fire development has also been investigated using zone models with the programs CFAST and MRFC.
Results from analytical engineering techniques (plume calculations), which were design criteria in the past, have been used as plausibility checks for the present work. The calculation results from the investigations were compared to measurements in the same building performed by the National Institute for Standards and Technology (NIST).
Die Oberflächenrauheit eines Bauteils ist eine wichtige Kenngröße für zahlreiche seiner Eigenschaften. Der im Bauwesen übliche Rauheitsparameter ist die Rautiefe Rt bzw. MTD, die durch volumetrische Verfahren (Sandflächenverfahren) ermittelt wird und in zahlreichen Normen Verwendung findet. Laserbasierte Verfahren müssen deshalb eine Umrechnung der aus Oberflächenprofilen gewonnenen Informationen in Rt bzw. MTD ermöglichen. Hierzu wird i.A. ein empirischer Zusammenhang zwischen Parametern zur Beschreibung des Profils und der Rautiefe der entsprechenden Oberfläche verwendet. Der Aufsatz stellt verschiedene Rauheitsdefinitionen vor und vergleicht sie miteinander. Es wird ferner gezeigt, dass die nach verschiedenen Prüfvorschriften ermittelten Rautiefen voneinander abweichen. Das Vorgehen bei der Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Profilparametern und Rautiefen nach einem volumetrischen Verfahren wird demonstriert und der Stand der laufenden Entwicklung eines Prüfgeräts auf Basis eines Linienlasers vorgestellt.
The non-uniform heat input during the welding process leads to problematic permanent deformations of welded parts. The control of these welding distortions is, with the absence of the knowledge of the fundamental mechanisms responsible for these deformations, an extremely time and cost consuming iterative “trial-and-error” optimization process. The visualization of the involved physical phenomena, like temperature and distortions, .is an indispensable tool to clearly identify these mechanisms in order to adapt the welding parameters and clamping conditions target-oriented. Both experimental and virtual methods exist to obtain these physical data, however the possibilities to visualize them with experimental methods are laborious, expensive and limited in their application. Welding Simulation using finite element analysis (FEA) offers many benefits and has a great potential to reduce the experimental effort. Nevertheless, the industrial application of welding Simulation is not yet established widely because of reservations regarding the computation costs and the resulting accuracy for instance. In this paper, the results of a case study for a welding Simulation with an industrial background are presented. A welded assembly from the automotive industry has been investigated with numerical and experimental methods. A comparison between both methods demonstrates the Potentials of welding Simulation in terms of visualization. Furthermore, the numerical results reveal the possibilities of current resources. regarding calculation time and result accuracy of an industrial applied welding Simulation.
Mechanische Belastung wie z. B. der Rollkontakt zwischen den Rollen und Lagerringen eines Wälzlagers oder der Rad-Schiene-Kontakt bei der Eisenbahn führen bei ferritischen Stählen zu einer Aufhärtung der Oberfläche. Die mit der Aufhärtung verbundene Versprödung begünstigt die Entstehung von Ermüdungsrissen. Zur Risstiefenbestimmung mit dem Wirbelstromprüfverfahren werden in der Regel Kalibrierkörper mit künstlichen Testfehlern aus dem Grundwerkstoff des Prüfteils verwendet. Die betriebsbedingte Aufhärtung der Prüfteiloberfläche bleibt bei der Kalibrierung unberücksichtigt. Die lokale Aufhärtung der Oberfläche führt zu einem ortsabhängigen Offset des Wirbelstromsignals in Richtung der Rissanzeigen und somit zu einer Überbewertung der Risstiefe. Bei einzelnen Rissen lässt sich der Effekt kompensieren, in dem das Wirbelstromgerät neben jedem Riss abgeglichen bzw. die Differenz zwischen dem Offset und der Rissanzeige berechnet wird. In der Realität liegen die Ermüdungsrisse jedoch oft so dicht nebeneinander, dass auf Grund der Überlagerung benachbarter Rissanzeigen weder ein Abgleich zwischen den Rissen noch eine Bestimmung des Offsets möglich ist. Finite-Elemente-Berechnungen ermöglichen es, die in der Realität stets kombiniert auftretenden Wirbelstromsignale der Ermüdungsrisse und der Oberflächenaufhärtung getrennt zu simulieren, um Erkenntnisse für eine Verbesserung der Risstiefenbestimmung zu erlangen.
Die zerstörungsfreie Oberflächenprüfung an verlegten Eisenbahnschienen mit Wirbelstrom hat in den letzten Jahren durch ständige Weiterentwicklung und Verifizierung enorm an Bedeutung gewonnen. Es wurde u.a. angestrebt zuverlässige Planungsgrößen für den Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz Risswachstum unterbunden werden kann. Die Ursache für das Wachstum von Rissen in der Schiene liegt in der Materialermüdung des Werkstoffes infolge der Betriebsbelastungen im Rad-Schiene-Kontakt. Nach einer gewissen Beanspruchungsdauer kommt es an den Kontaktflächen der Fahrkante zu einer Kaltverfestigung des Schienenstahls. Durch fortschreitende Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs der gehärteten Schicht wird der Werkstoff spröde und es bilden sich feine Risse aus. Die Risse wachsen anfangs unter einem flachen Winkel in das Schieneninnere hinein, neigen dann aber ab einem gewissen Stadium dazu in das Innere des Schienenkopfes abzukippen, was im Extremfall zu einem Schienenbruch führen kann. Diese Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks, entstehen bevorzugt in der Fahrkante von bogenäußeren Schienen. Die Anwendung der Wirbelstromprüfung an der Schiene wurde bisher zur Ermittlung der Schädigungstiefe dieser Rollkontaktermüdungsrisse eingesetzt. Das Wirbelstromverfahren besitzt die Eigenschaft, sehr empfindlich auf alle Veränderungen der Materialeigenschaften an der Oberfläche zu reagieren. Daher wurde festgestellt, dass sich neben der Detektion von Rissen auch Fehler wie Eindrückungen oder Schlupfwellen, bis hin zu Materialveränderungen durch Schweißen oder Aufhärtungen in der Schienenoberfläche bestimmen lassen. Die Wirbelstromprüfung besitzt daher das Potenzial, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen. Ziel ist es, die rissgefährdeten Zonen schon im Zustand der Kaltverfestigung zu identifizieren. Dadurch können sich neue Aspekte für die präventive Schieneninstandhaltung ergeben.
Mit der Wirbelstromprüfung ist die Bestimmung der Tiefe offener Risse in Metallen prinzipiell möglich und wird auch in unterschiedlichen Anwendungen durchgeführt. Hierbei haben die jeweiligen praktischen Prüfbedingungen jedoch erheblichen Einfluss auf die Qualität der Prüfaussage. Es werden einige grundlegende Effekte erläutert, die bei der Risstiefenbestimmung mit Wirbelstrom zu beachten sind. Ein spezieller Labormessplatz wird unter dem Aspekt möglicher Fehlbewertungen vorgestellt und Schlussfolgerungen für die praktische Anwendung werden gezogen. Anhand praktischer Beispiele aus der Schienenprüfung mit Wirbelstrom werden die Auswirkungen verschiedener Fehlereffekte bei der Risstiefenbestimmung gezeigt.
Die Rissbildung durch Rollkontaktermüdung, der Materialverschleiß oder die Bildung von Einzelfehlern – aufgrund solcher Schädigungsarten wird die Lebensdauer der Schiene signifikant verkürzt. Mit entsprechenden Methoden der ZfP können diese Schäden an Schienen erkannt und bewertet werden. Ein sehr geeignetes Verfahren zur Feststellung von Schädigungen und Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche ist die Wirbelstromprüfung. Die zerstörungsfreie Prüfung der Schienenoberfläche durch das Wirbelstromverfahren wurde ursprünglich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsrissen entwickelt. Anhand von Ergebnissen aus zahlreichen Prüfeinsätzen in den letzten Jahren wurde außerdem festgestellt, dass unter anderen auch Fehler wie Squats, Belgrospis, Eindrückungen oder Riffel in den Wirbelstromsignalen erkannt werden können. Aufgrund dieser Erfahrungen ist es möglich geworden, den Oberflächenfehlern in der Schiene ein charakteristisches Wirbelstromsignal zuzuordnen. Somit eröffnet sich die Möglichkeit die Wirbelstromprüfung an Schienen nicht ausschließlich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsris-sen zu verwenden, sondern auch zur Feststellung von Einzelfehlern oder Materialveränderungen in der Oberfläche. Zusätzlich besteht das Potential durch Ultraschall erfasste Anzeigen, wie z.B. Schweißnähte, Squats etc. mit der Wirbelstromprüfung zu bestätigen und die Aussagesicherheit und Qualität dieser Prüfmethoden noch zu erhöhen.
With an availability of the modern high power fibre lasers the application range of laser and laser hybrid welding can be significantly increased. For the implementation of this new technology in the economically extremely interesting application of pipeline construction it is necessary to fulfil a series of systematic research studies. As it has been shown in the past the fibre laser hybrid wielding of pipeline Steel X65 up to 32 mm thickness is possible with appropriate quality. For the use of laser-hybrid welding in pipe laying insensibility towards tolerances and the possibility of girth welding are very important factors in addition to the weld seam quality. The aim of a Research project carried out in the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) was the development of a welding procedure using high power fibre laser in combination with GMAWProcess which could be applied for welding of pipelines. For tests segments of linepipes with an outer diameter of 914 mm and a wall thickness of 16 mm have been welded using specially designed equipment for girth welding of pipes. First promising results for the use of laser-hybrid welding of thick materials could be demonstrated. The gap-bridgeability and misalignement was studied.
Hydrogen might cause severe degradation of supermartensitic stainless steels, if they are activated during exposure to sour environments. Consistent and comprehensive data for hydrogen transport in these materials are thus required to support, in particular, modelling of hydrogen assisted cracking as a part of life time assessment of welded steel components. In addition to previously published diffusion coefficients and subsurface concentrations of a supermartensitic stainless steel further data dependent on heat treatment are provided by this contribution. Furthermore, a higher alloyed material has been investigated in the state as received and also in the quenched condition, in order to approach the influences of chemical composition on hydrogen transport in supermartensitic stainless steels. With respect to welding it turned out that the diffusion coefficient and the subsurface concentration are markedly dependent on heat treatment of the materials.
In contrast to real fires in classical fire resistance tests building elements are considered as stand alone elements without interaction with the surrounding building. In order to run a fire test in a more realistic fashion the development of special experimental techniques is required. As a contribution to overcome the situation the application of the substructuring method, a special hybrid method known from earthquake engineering, has been adopted to fire engineering. The paper gives a presentation of the concept including a short description of utilized system components.
Substrukturtechnik: Eine hybride Prüfmethode - Überblick mit Anwendung im Brandingenieurwesen
(1999)
Im Gegensatz zu realen Bränden werden Bauelemente bei klassischen Brandversuchen als Einzelbauteile ohne Wechselwirkung mit dem umgebenden Gebäude betrachtet. Um einen Brandversuch realistischer durchführen zu können, ist die Entwicklung spezieller experimenteller Methoden erforderlich. Als Beitrag zur Verbesserung der Situation wurde die Anwendung der Substrukturtechnik, einer speziellen hybriden Prüfmethode, die aus dem Erdbebeningenieurwesen bekannt ist, auf das Brandingenieurwesen übertragen.
Seit 25 Jahren betreibt die Bundesanstalt für Materialprüfung intensive Forschung auf dem Gebiet der Eisenbahndynamik unter Einbeziehung aller Systemkomponenten. Das umfasst theoretisch/numerische Arbeiten, Feldmessungen und Laborversuche zu den folgenden Fragen:
- die Erschütterungs- und Körperschallweiterleitung durch den natürlichen Boden,
- das Schwingungsverhalten der verschiedenen Fahrwege auf dem Untergrund,
- die dynamischen Kräfte aus der Wechselwirkung zwischen dem Fahrzeug und dem Fahrweg sowie
- die Gleislageentwicklung unter dieser Belastung bei verschiedenen Fahrwegen.
Es werden Ergebnisse zu den dynamischen Kräften bei Geschwindigkeiten
von 40 bis 300 km/h und zum Vergleich der Festen Fahrbahn mit dem Schottergleis vorgestellt, woraus Möglichkeiten für die
Eine auf den Werkstoff und seine Umwelteinflüsse bezogene Festigkeitsforschung muß auf Vorgänge im elastischen und im überelastischen Beanspruchungsbereich in gleicher Weise bezogen sein. Merkformeln für mechanische Untersuchungen, Parameterwahl und mögliche Zusammenhänge erleichtern die jeweilige Problemstellung, die Kombination entsprechender Untersuchungsverfahren und die Auswahl oder die Entwicklung geeigneter Prüf-, Registrier- und Auswertgeräte.
Beispiele aus der mechanischen Werkstoffprüfung lassen Vorstellungen ableiten über die Vielfalt und die unterschiedlichen Leistungen solcher Untersuchungseinrichtungen. Vor allem interessieren dabei die Beziehungen zwischen der Formänderung und dem Formänderungswiderstand von Proben aus Stoffen und Gemengen und von Konstruktionen bei ein- und mehrachsiger, elastischer und überelastischer, bei zügiger, ruhender, schwingender und stoßförmiger Beanspruchung bis zum Versagen durch unzulässig große Gestaltänderungen, durch Erschöpfen des Formänderungsvermögens, durch Zerrütten der Werkstoffestigkeit oder durch spröden Bruch. Daraus folgt, daß umfangreiche Stoff- und Materialdaten als Grundlage für die zuverlässige und erfolgreiche Prüfung von Werkstoffen und daraus meist im Verbund hergestellten Konstruktionen verfügbar sein sollten. Dafür wiederum ist erforderlich die Beschreibung der Werkstoffe selbst, der für ihr Festigkeitsverhalten typischen Beanspruchungen von zusätzlich einwirkenden Variablen und von Parametern einschließlich der Besonderheiten langer Einwirkungsdauer. Mit dem Denken in solchen Zusammenhängen können grundsätzliche Folgerungen für die Beurteilung und für die Entwicklung von Prüfmaschinen und Geräten gewonnen werden.