Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Sehr geehrte Damen und Herren,
liebe Leserinnen und Leser,
bereits im ersten Band der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung hatte ich angeführt, dass bei der Untersuchung von kulturellen Artefakten naturwissenschaftliche Untersuchungsmethoden zunehmend an Bedeutung gewinnen, sie eigentlich unverzichtbar geworden sind.
Ein besonders einprägsames Beispiel dieser fächerübergreifenden Zusammenarbeit zwischen Geisteswissenschaften, Naturwissenschaften und Restaurierungswissenschaften war die Ausstellung Johannes Vermeer. Vom Innehalten, die in diesem Jahr in der Gemäldegalerie Alter Meister in den staatlichen Kunstsammlungen Dresden gezeigt wurde. Eigens für diese Ausstellung wurde das Gemälde Brieflesendes Mädchen am offenen Fenster einer grundlegenden Restaurierung unterzogen. Diese Restaurierung diente jedoch nicht nur der Reparatur des Bildes. Um sich dem ursprünglichen Zustand des Gemäldes zwischen 1657 und 1659 anzunähern, wurden später hinzugefügte Malschichten großflächig abgenommen. Möglich wurde dies durch unterschiedliche, bildgebende materialwissenschaftliche Untersuchungen im Vorfeld, welche die wissenschaftlichen Grundlagen für die Diskussion über den weiteren Umgang mit der Lesenden schufen.
Materialanalytische Verfahren wurden und werden ständig weiterentwickelt und optimiert. Sei es, um aus einer Vielzahl von Einzelmessungen ein Gesamtbild zu erstellen, oder die Größe einer Probenentnahme so zu reduzieren, dass von einer „minimal-invasiven“ oder „quasi nicht-invasiven“ Untersuchung ausgegangen werden kann. Nun feiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, zusammen mit ihren Vorgängerinstitutionen, den königlichen Versuchsanstalten, in diesem Jahr ihren einhundertfünfzigsten Geburtstag. Sie blickt damit auf eine lange Tradition materialwissenschaftlicher Analysen zurück, an deren Beginn beispielsweise die metallographischen Untersuchungen von Adolf Martens stehen. Derartige Untersuchungen bilden auch heute noch einen wesentlichen Bestandteil archäometallurgischer Forschung. Die Historie bzw. die Weiterentwicklung der Methodik lässt sich hier besonders gut nachzeichnen. Jedoch blicken auch Verfahren zur Charakterisierung weiterer Werkstoffe, wie Glas, Keramik, oder organischer Materialien auf eine lange Geschichte zurück.
Die in diesem Band der N.i.Ke.-Schriftenreihe präsentierten Beiträge dokumentieren einerseits aktuelle Forschungsarbeiten, die erst in diesem Jahr in entsprechenden Fachjournalen publiziert wurden, andererseits liegen einige der Arbeiten bereits 50 Jahre zurück. Sie bekunden damit nicht nur die materialtechnologische und historische Bandbreite der Projekte, sondern offenbaren die Vielfältigkeit kulturhistorischer oder restauratorischer Fragestellungen, zu deren Beantwortung natur- und materialwissenschaftliche Forschung wesentliche Beiträge liefern können.
Ich bedanke mich bei allen Kolleginnen und Kollegen, die zur Erstellung dieser dritten Ausgabe der N.i.Ke. Schriftenreihe des Netzwerks zur interdisziplinären Kulturerhaltung beigetragen haben. Ihre Aufsätze ermöglichen den Blick in die Vielfältigkeit materialwissenschaftlicher Untersuchungen im Bereich Kunst- und Kulturgut. Ich wünsche Ihnen viel Spaß auf dieser kleinen Zeitreise.
Support structures of offshore wind turbines are subject to cyclic stresses generated by different time-variant random loadings such as wind, waves, and currents in combinationwith the excitation by the rotor. In the design phase, the cyclic demand on wind turbine support structure is calculated and forecasted with semi or fully probabilistic engineering models. In some cases, additional cyclic stresses may be induced by construction deviations, unbalanced rotor masses and structural dynamic phenomena such as, for example, the Sommerfeld effect. Both, the significant uncertainties in the design and a validation of absence of unforeseen adverse dynamic phenomena necessitate the employment of measurement Systems on the support structures. The quality of the measurements of the cyclic demand on the support structures depends on (a) the precision of the measurement System consisting of sensors, amplifier and data normalization and (b) algorithms for analyzing and converting data to structural health information. This paper presents the probabilistic modelling and analysis of uncertainties in strain measurements performed for the purposes of reconstructing stress resultants in wind turbine towers.
It is shown how the uncertainties in the strain measurements affect the uncertainty in the individual components of the reconstructed forces and moments. The analysis identifies the components of the vector of stress resultants that can be reconstructed with sufficient precision.
Additive manufacturing (AM) of alkali-activated materials is a promising method for producing ceramic precursors, construction elements and other parts. A recently introduced AM process is laser-induced slip casting of lithium aluminate/microsilica slurries, which yields parts with excellent mechanical strengths. To clarify the underlying mechanisms, μ-Raman spectroscopy was applied to parts produced by the process, and the dissolution and hydration of lithium aluminate was studied inter alia using conventional and in-situ X-ray diffraction. The results show that significant dissolution of lithium aluminate occurs, particularly at increased temperatures during laser interaction, which leads to an increase of pH and precipitation of an akopovaite-like Li-Al-CO3 layered double hydroxide. The increase of the pH is likely to induce dissolution of the microsilica and possibly formation of a hydrous lithium aluminosilicate gel. These observations explain the strength evolution of the studied parts and can also aid the development and improvement of related AM methods.
Properties of alkali-activated mortars with salt aggregate for sealing structures in evaporite rock
(2021)
Concrete structures for sealing of tunnels in the host rock are an essential part of systems for nuclear waste storage. However, concretes based on blended cements or magnesium oxychloride cements, which are commonly considered for this application, can deteriorate severely due to a significant heat of hydration and associated deformation and cracking. Alkali-activated materials (AAMs) offer a potential solution to this problem because of their low heat release during hardening. To explore their suitability for the construction of sealing structures in evaporite rock, various AAMs with salt aggregate were studied regarding fresh properties, heat release, mechanical properties and microstructure. The heat of reaction of the AAMs was up to 55% lower than that of a blended cement designed for sealing structures, indicating significant benefits for the intended application. Other relevant properties such as mechanical strength and permeability depended strongly on the mix-design of the AAMs and curing conditions.
One of the main challenges regarding our civil infrastructure is the efficient operation over their complete design lifetime while complying with standards and safety regulations. Thus, costs for maintenance or replacements must be optimized while still ensuring specified safety levels. This requires an accurate estimate of the current state as well as a prognosis for the remaining useful life. Currently, this is often done by regular manual or visual inspections within constant intervals. However, the critical sections are often not directly accessible or impossible to be instrumented at all. Model‐based approaches can be used where a digital twin of the structure is set up. For these approaches, a key challenge is the calibration and validation of the numerical model based on uncertain measurement data. The aim of this contribution is to increase the efficiency of model updating by using the advantage of model reduction (Proper Generalized Decomposition, PGD) and applying the derived method for efficient model identification of a random stiffness field of a real bridge.”