Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Pigments and dyes
(2015)
The present volume is the main achievement of the Research Networking Programme ‘Comparative Oriental Manuscript Studies’, funded by the European Science Foundation in the years 2009–2014. It is the first attempt to introduce a wide audience to the entirety of the manuscript cultures of the Mediterranean East.
The chapters reflect the state of the art in such fields as codicology, palaeography, textual criticism and text editing, cataloguing, and manuscript conservation as applied to a wide array of language traditions including Arabic, Armenian, Avestan, Caucasian Albanian, Christian Palestinian Aramaic, Coptic, Ethiopic, Georgian, Greek, Hebrew, Persian, Slavonic, Syriac, and Turkish.
Seventy-seven scholars from twenty-one countries joined their efforts to produce the handbook. The resulting reference work can be recommended both to scholars and students of classical and oriental studies and to all those involved in manuscript research, digital humanities, and preservation of cultural heritage.
The volume includes maps, illustrations, indexes, and an extensive bibliography.
Recommendations on a Revision of the EC Definition of Nanomaterial Based on Analytical Possibilities
(2015)
In October 2011 the European Commission (EC) published a "Recommendation on the definition of nanomaterial" (2011/696/EU), to promote consistency in the interpretation of the term "nanomaterial" for legislative and policy purposes in the EU. The EC NM Definition includes a commitment to its review in the light of experience and of scientific and technological developments. This review is ongoing in 2015 and as a contribution to the review the Joint Research Centre of the European Commission (JRC) has already developed a series of three scientific-technical reports with the title: “Towards a review of the EC Recommendation for a definition of the term nanomaterial” which provides to the EC policy services science-based options on how the definition could be revised or supported with additional guidance.
The overarching nature and wide scope of the EC NM Definition, as it does not exclude a priori any particulate material regardless the state, form and size, creates many analytical challenges in its imple-mentation for all stakeholders, including enterprises and regulators.
The NanoDefine project has as core objective to support the implementation of the EC NM Definition. In this report key aspects of the EC NM Definition are addressed, with the goal to improve the implement-ability of the EC NM Definition. These aspects are presented and discussed based on the results of two years of research performed within the framework of the project. As a result this report assesses how well the requirements of the EC NM Definition can be fulfilled with currently available analytical possi-bilities. It presents recommendations and options on a revision of the EC NM Definition to improve the implementability of the definition based on currently available analytical possibilities, according to the state of the art of mid-2015.
Of the technical issues considered in this report, the following seem to deserve the most attention in terms of clarification of the definition and/or provision of additional implementation guidance:
The term ‘external dimension’.
A clear definition of 'External dimension' should be included in the text of the EC NM definition and more precise guidance on what is considered as an external dimension and how to properly character-ise it should be provided.
The ‘number based particle size distribution‘.
The EC NM Definition uses a threshold related to the number based size distribution of particles. Yet most of the easily available techniques provide a mass-, volume- or scattered light intensity-based size distribution which needs to be converted into a number based distribution to be used for regulatory pur-poses. A specific guidance on the conditions under which these methods can be used to identify a na-nomaterial by employing appropriate quantity or metrics conversion should be provided.
The ‘polydispersity‘ and ‘upper size limit‘
Polydispersity is a challenge for the measurement of particle size distribution for the EC NM definition, specifically for materials with high polydispersity index and broad size distribution especially when the volume or mass of the fraction containing particles below 100 nm is very small. Therefore a dedicated guidance should be provided that allows applying an upper size limit in measurements and particle statistics.
This report is the result of a comprehensive study on the available CMs which come potentially in question for the reliable analysis of the number based size distribution of a nanomaterial according to the EC recommendation for a definition of nanomaterial. Based on the performance criteria already established in NanoDefine the potential CMs are evaluated according to studies available in the literature as well as following the expertise of the NanoDefine consortium partners. The specific advantages and disadvantages of each method with respect to its applicability to the scope of NanoDefine are particularly highlighted. An CM evaluation table is produced so that the mostly suited CMs with respect to the EC definition can be grouped and recommended to the corresponding NanoDefine work packages for further specific development (improvement and adaption), or for direct validation and standardisation, respectively. The actual evaluation report including the recommended CMs will be revised and, if necessary, eventually updated at the mid time of the project. The update will be jointly discussed in the NanoDefine consortium on the basis of the results of testing the methods on the NanoDefine real world materials.
Online monitoring and process control requires fast and noninvasive analytical methods, which are able to monitor the concentration of reactants in multicomponent mixtures with parts-per-million resolution. Online NMR spectros-copy can meet these demands when flow probes are directly coupled to reactors, since this method features a high linearity between absolute signal area and sample concentration, which makes it an absolute analytical com-parison method being independent on the matrix. Due to improved magnet design and field shimming strategies portable and robust instruments have been introduced to the market by several manufacturers during the last few years. First studies with this technology showed promising results to monitor chemical reaction in the laboratory.
Introducing fluorine into molecules has a wide range of effects on their physicochemical properties, often desirable but in most cases unpredictable. The fluorine atom imparts the C–F bond with low polarizability and high polarity, and significantly affects the behavior of neighboring functional groups, in a covalent or noncovalent manner. Here, we report that fluorine, present in the form of a single fluoroalkyl amino acid side chain in the P1 position of the well-characterized serine-protease inhibitor BPTI, can fully restore inhibitor activity to a mutant that contains the corresponding hydrocarbon side chain at the same site. High resolution crystal structures were obtained for four BPTI variants in complex with bovine b-trypsin, revealing changes in the stoichiometry and dynamics of water molecules in the S1 subsite. These results demonstrate that the introduction of fluorine into a protein environment can result in “chemical complementation” that has a significantly favorable impact on protein–protein interactions.
Absorption effects in total reflection X-ray fluorescence (TXRF) analysis are important to consider, especially if external calibration is to be applied. With a color X-ray camera (CXC), that enables spatially and energy resolved XRF analysis, the absorption of the primary beam was directly visualized for mL-droplets and an array of pL-droplets printed on a Si-wafer with drop-on-demand technology. As expected, deposits that are hit by the primary beam first shade subsequent droplets, leading to a diminished XRF signal. This shading effect was quantified with enhanced precision making use of sub-pixel analysis that improves the spatial resolution of the camera. The measured absorption was compared to simulated results using three different model calculations. It was found they match very well (average deviation < 10%). Thus errors in quantification due to absorption effects can be accounted for in a more accurate manner.
Dietary supplements high in isolated isoflavones are commercially available for human consumption primarily to alleviate menopausal symptoms in women. The isoflavone composition, quantity and importantly their estrogenic potency are poorly standardised and can vary considerably between different products. The aim of this study was to analyse the isoflavone composition of 11 dietary supplements based on soy or red clover using the HPLC/MS/MS technique. Furthermore, we investigated the transactivational potential of the supplements on the estrogen receptors (ER), ERα and ERβ, performing luciferase reporter gene assays. As expected, we found that the isoflavone composition varies between different products. The measured total isoflavone contents in various supplements were mostly comparable to those claimed by the manufacturers in their product information. However expressing the isoflavone content as isoflavone aglycone equivalents, soy-based supplements had a clearly lower quantity compared to the manufacturer information. All supplements transactivated more or less ERα and ERβ with a preference for ERβ. The transactivational efficiency exceeded partly the maximal 17β-estradiol induced ER activation. While the different soy-based supplements revealed similar transactivation potential to both ERs, red clover-based supplements differed considerably. We conclude that different commercial dietary supplements based on soy or red clover vary in their isoflavone composition and quantity. They are estrogenically active, although especially the red clover-based supplements show considerable differences in their estrogenic potential to ERα and ERβ. Thus, different isoflavone-rich products cannot be necessarily compared regarding possible biological effects.
We present the results of several machine learning (ML)- inspired data fusion algorithms applied to multi-sensory nondestructive testing (NDT) data. Our dataset consists of Impact-Echo (IE), Ultrasonic Pulse Echo (US) and Ground Penetrating Radar (GPR) data collected on large-scale concrete specimens with built–in simulated honeycombing defects. The main objective is to improve the detectability of honeycombs by fusing the information from the three different sensors. We describe normalization, feature detection and optimal feature selection. We have used unsupervised and supervised ML, i.e., classification and clustering, for data fusion. We demonstrate the advantage of data fusion in reducing the false positives up to 10% compared to the best single sensor, thus, improving the detectability of the defects. The methods were evaluated on a concrete specimen. The effectiveness of the proposed approach was demonstrated on a separate full-scale concrete specimen. The results indicate the transportability of the conclusions from one specimen to the other.
Für die Prüfung von Leichtbaustrukturen ist in den letzten Jahren ein vermehrter Einsatz der Luftultraschallprüfung zu verzeichnen. Insbesondere eignet sich Luftultraschall für die Prüfung von Faserkunststoffverbunden und hybrider Werkstoffverbunde, die ihre Anwendung in der Automobilindustrie und Luftfahrt finden. Für den Bau von marktüblichen Luftultraschall-Wandlern werden Piezokomposite mit Anpassschichten versehen. Ihre Herstellung ist allerdings sehr anspruchsvoll und die erreichbaren Signal-Rausch-Abstände sind für viele Prüfprobleme als noch nicht ausreichend einzustufen. Zwecks gesteigerter Effizienz beim Schallübertrag in die Luft wurden Luftultraschall-Sender und -Empfänger aus zellulärem Polypropylen entwickelt. Dieses piezoelektrische Material ist aufgrund seiner geringer Dichte und seiner sehr geringen Schallgeschwindigkeit an die niedrige akustische Impedanz der Luft deutlich besser angepasst, als die üblicherweise verwendeten Anpassschichten. Letztere können bei Polypropylen-Wandlern daher gänzlich vermieden werden.
In diesem Beitrag wird Luftultraschall-Prüfung an zwei verschiedenen CFK-Testkörpern vorgestellt: an einer Platte mit T-Stringern aus dem Seitenleitwerk eines Flugzeugs und an einer Platte mit künstlich eingebrachten Fehlern. Es wurde mit unterschiedlichen planaren und fokussierenden Wandlern geprüft. Marktübliche Wandler mit Anpassschichten wurden mit den selbstentwickelten Wandlern aus zellulärem Polypropylen verglichen. Der Signal-Rausch-Abstand und die laterale Auflösung wurden sowohl im Prüfaufbau mit senkrechter Einschallung als auch mit Schrägeinschallung gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schrägeinschallung zwar den Signal-Rauschabstand erhöht, aber die laterale Auflösung verschlechtern kann.
Moisture and salt loads of concrete can significantly change its microstructure and consequently lead to chemical and mechanical degradation. However, the non-destructive investigation of moisture and salt present in concrete is still difficult. In order to address and compare the sensitivity of different methods concrete samples with different pore systems realized by varying the w/z ratios have been fabricated. The focus of this study was put on the analysis of ultrasonic long and trans waves measured on the surface and in transmission mode. The results show clear dependencies of all applied methods. With the radar and microwave methods predominantly changes in the concrete moisture could be detected, whereas the different pore systems were not observed to alter the signals. In contrast for the ultrasound method also the ongoing hydration as well as the nature of the pore system strongly influenced the signals. As a consequence in a subsequent drying experiment it was also tried to delineate the effects of moisture and hydration. All specimens have been re-saturated under pressure and the drying experiment was repeated using the same multi-sensor approach.
Measuring the moisture content of floor screeds is usually done with minor destructive testing methods like Darr drying or the Calcium Carbid (CM) method. These require small samples, deliver only punctual information and still have proven not to be very reliable. Hence, a study has been made using the standard destructive tests as well as a suite of non-destructive testing methods working out their use for moisture determination. In this study five partners from research institutes and industry worked together and intensively researched different technologies. The main focus was put on the varying sensitivity of the measuring techniques in different moisture ranges. Especially for low moisture contents ( or ‘critical’ moisture contents when the screed is dry enough to be covered with the final floor finish), several commercial devices including the most commonly used CM-method failed to determine the correct moisture content for cementitious samples. Hence the need for more accurate, if possible non-destructive methods is high, taking also into account that the chemistry (and physical properties) of screeds may vary strongly depending on their origin and purpose.
Non-destructive testing methods are mostly applied and established for the detection of embedded mounting parts or structural defects in building elements. The assessment of the concrete microstructure or microstructural changes like chemical alterations or the formation of microcracks, e.g. due to material aging, freeze-thaw cycles, alkali-silica reaction and ettringite, is not in the focus of ndt research though. Concrete moisture and enhanced salt contents, which usually trigger all chemical microstructural changes, are other material properties, lacking reliable ways of measuring. But, the assessment of such material properties, on the long term also in a depth resolved manner, is definitely important, when the sustainability of our concrete infrastructure buildings shall be evaluated.
New consideration like the potential use of ndt, in particular the combination of different methods and alternate ways of data analysis are subject of research currently undertaken at BAM. These approaches involve for example working towards (i) a deeper understanding of how to measure moisture distributions reliably and follow transport phenomena, (ii) the use of stray phenomena in radar and ultrasound to locate material inhomogeneities or (iii) the application of LIBS for the delineation of diffusion and migration processes but also (iv) the use of new tools for data analysis like data fusion. First results are presented and new ideas discussed.
Bottom ash from municipal solid waste incineration (MSWI) consists of eiemental metals in considerable amounts. The fine fraction < 4 mm additionally contains chemically bound metals (oxides, carbonates, Silicates). Separation prospects with techniques as in ore processing (flotation, density separation, bioleaching, hydrothermal solution) are discussed. During alteration after wet extraction mineral material with hydraulic properties form coatings on almost all particles of the bottom ash and complicate separation procedures. ln addition bottom ash from MSWI is a heterogeneaus material. For sufficient enrichment different concerted treatment steps seemed to be essential associated with an uncertainty of economic viability. The utilisation of metal compounds present in bottom ash as secondary raw material depends on the energy- and resource-efficiency of the enrichment processes. Therefore energy and material flow considerations are presented.
Defect detection in concrete pile using impulse response measurements with sine sweep excitations
(2015)
For pile integrity inspection, a low cost and portable shaker was used to create the sine sweep signal for pile excitation. The impulse response function, calculated by the deconvolution of pile response from the sine sweep excitation, was proposed to identify the echoes in the piles due to the pile’s impedance changes. The proposed methodology has been evaluated and validated both numerically and experimentally. Based on the results from the simulations and experiments, it was found that the impulse response measurement with sine sweep excitation could be an effective tool to detect the echoes of the pile toe and the defects in the pile.
Sealing and strengthening of the subsoil by injection is a major issue in the field of geotechnical engineering. One commonly applied method is jet grouting, which allows creating columns of grouted soil by eroding and mixing the in-situ soil with a thin cement suspension. A general difficulty linked with this method is to predict the resulting column diameter and its material strength. In this paper we illustrate the application of a newly developed non-destructive quality assurance testing tool used to determine the diameter of jet grout columns. This approach incorporates standard crosshole and downhole seismic measurements. To demonstrate its effectiveness, we tested the new approach within two-dimensional finite-difference numerical simulations. Additional field tests showed that this tool is also applicable in real site conditions. For this purpose, three jet grout columns were produced with different process parameters in a depth between 3.0 and 10 m. The evaluated diameters were within 1.0 and 1.5 m, slightly deviating from the previously predicted range by the jet grouting contractor. Moreover, we were able to detect the base of the columns at 10 m depth with no significant difficulties. On the other hand, unsaturated, partly unconsolidated sands between ground water level and surface considerably affected the seismic data, hence complicating the detection of the top of the columns.
Ultrasonic measurement evaluation methods have been proven to be effective for detection of subtle changes, caused by temperature, load or moisture. However, for its application outdoors it is necessary to analyse unavoidable influences, such as weather. Therefore an ultrasonic monitoring system with 40 ultrasonic sensors (20 transmitters, 20 receivers; 25 kHz central frequenzy) has been implemented on a concrete specimen (4×5×0.8m3), that is exposed to weather conditions. Data from 400 sensor combinations was collected over a period of six months with an interval of two hours. The data was evaluated by both qualitative (correlation techniques) and quantitative (ultrasonic velocity changes via Coda Wave Interferometry and time of flight method) evaluation methods and compared to the temperature changes caused by weather.
Ultrasonic measurement evaluation methods have been proven to be effective for detection of subtle changes, caused by temperature, load or moisture. To detect and localize temperature changes, a concrete block of 4 × 5 × 0.8 m3, including a heating cartridge and multiple temperature sensors, has been set up to change the temperature and monitor the temperature distribution in a certain area inside the specimen. An ultrasonic monitoring system with 40 ultrasonic sensors (20 transmitters, 20 receivers, 25 kHz central frequency) has been implemented on the specimen. Data from 400 sensor combinations was collected over the whole period of the experiment in an interval of 30 minutes. Quantitative methods (CodaWave Interferometry and Time of Flight method) were used to evaluate the changes in ultrasonic travel-time caused by the heating period, when the cartridge was active, and the cooling period after turning off the cartridge. Furthermore the travel-time changes from all 400 sensor combinations were used to locate the heating cartridge.
The paper addresses beech wood as well as vulcanized fiber and discusses the results obtained when using acoustic emission and thermography as non-destructive testing techniques along tensile and load increase fatigue tests to characterize the wooden material’s behavior under increasing fatigue loads to get enhanced information regarding the fatigue behavior of both materials. Reference is mainly made to the materials’ anisotropic and microstructural behavior and what implications this has with respect to the materials’ strength. The influence of moisture is discussed, as well as parameters that may deserve monitoring in the sense of structural health monitoring to be applied in timber structures in general.
For the closure of radioactive waste disposal facilities engineered barriers- so called “drift seals” are used. The purpose of these barriers is to constrain the possible infiltration of brine and to prevent the migration of radionuclides into the biosphere. In a rock salt mine a large scale in-situ experiment of a sealing construction made of salt concrete was set up to prove the technical feasibility and operability of such barriers. In order to investigate the integrity of this structure, non-destructive ultrasonic measurements were carried out.
Therefore two different methods were applied at the front side of the test-barrier:
1 Reflection measurements from boreholes
2 Ultrasonic imaging by means of scanning ultrasonic echo methods This extended abstract is a short version of an article to be published in a special edition of ASCE Journal that will briefly describe the sealing construction, the application of the non-destructive ultrasonic measurement methods and their adaptation to the onsite conditions -as well as parts of the obtained results. From this a concept for the systematic investigation of possible contribution of ultrasonic methods for quality assurance of sealing structures may be deduced.
LIBS is on the step from a laboratory application to on-site analysis. A validated mobile LIBS-system for on-site application on building materials is under development at BAM in cooperation with industrial partners (system developers and companies), who will use this technique for investigation on building structures like bridges and parking decks. The system is designed to measure the content of harmful species like chlorine, sulfur or alkalis, to give the engineer a tool for the estimation of the condition of concrete structures and for quality assurance during concrete repair work on-site. In these work results of on-site measurements on a chloride contaminated bridge are shown. Further work will focus on providing guidelines to establish LIBS as a standard procedure for chemical investigations of building materials.
Cracks perpendicular to the surface may be initial indicators for a deterioration process of concrete structures. Moisture penetrates inside the structure and transports adverse chemicals. The paper presents an investigation about the reliability of available commercial non-destructive evaluation techniques to reliably estimate the depth of surface-breaking cracks in reinforced concrete structures. Aim of the study was the investigation of surface-braking cracks under laboratory conditions. Commercial acoustic devices as impact echo equipment, single ultrasonic transducers and arrays were applied even if they have not been developed for this purpose. The commercial software and descriptions for application was followed strictly to compare the function, precision and repeatability of the measurements. Both, perpendicular notches and cracks have been considered. The study was completed with a discussion about reference specimens. The study was the basis for formulation of gaps in research. The Electric Power Research Institute (EPRI) has initiated and funded a Project.
Die Blitzthermografie weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Verfahren der aktiven Thermografie auf und hat daher eine relativ große Verbreitung in Forschung und Industrie gefunden. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch die begrenzte Energie, die pro Blitz genutzt werden kann. Es stellt sich die Frage, ob sich durch mehrere kurz hintereinander ausgeführte Blitze eine Verbesserung des Energieeintrags erreichen lässt. Zur experimentellen Untersuchung dieser Frage wurde ein Versuchsstand mit vier Blitzlampen so umgerüstet, dass die Blitzlampen zeitgleich oder nacheinander mit einer regelbaren Verzögerung ausgelöst werden können („Multiblitz“). Als Probekörper dienten Platten aus CFK, an deren Rückseite Flachbodenbohrungen (FBB) eingebracht worden waren. Betrachtet wurde jedoch nur der absolute Temperaturhub am ungestörten Material. Die Experimente zeigen relativ geringe Effekte im Prozentbereich, wie sie auch gemäß einer quantitativen Abschätzung zu erwarten sind. Interessanterweise vergrößerte sich der Einfluss der Multiblitzanregung auf die Energieeinkopplung deutlich bei einem etwas vergrößerten Abstand zwischen Blitzlampen und untersuchter Oberfläche. Die Ursache für diesen Effekt ist derzeit unklar, vermutet werden eine Temperaturabhängigkeit und/oder eine Abstandsabhängigkeit des Wärmübergangskoeffizienten im Konvektionsterm.
Im Rahmen des INS-Projekts „Durchführung von Ringversuchen zur Normung und Standardisierung der aktiven Thermografie mit Blitzlichtanregung“ wurden Ringversuche durchgeführt, die die Zuverlässigkeit, Vergleichbarkeit und Effektivität der Blitzthermografie für unterschiedliche Prüfprobleme nachweisen sollten. Weiterhin sollten diese Untersuchungen als Methodenvalidierungsstudie die Richtigkeit und Präzision der Blitzthermografie nachweisen und Vergleichsinformationen unterschiedlicher Geräteausstattungen liefern. Im Normausschuss NA 062-08-27 AA „Visuelle und thermografische Prüfung“ des DIN werden die Ergebnisse die Erarbeitung eines Normentwurfs zur Blitzthermografie unterstützen. In diesem Beitrag werden die Ringversuche beschrieben und ausgewählte Ergebnisse präsentiert.
Ultrasonic echo testing is widely used in non-destructive testing in civil engineering to investigate concrete structures, to measure thickness, and to locate and characterise built-in components or inhomogeneities. Currently, synthetic aperture focusing techniques are mostly used for imaging. These algorithms are highly developed but have some limitations. For example, it is not possible to image the lower boundary of built-in components like tendon ducts or vertical reflectors. We adopted reverse time migration for non-destructive testing in civil engineering in order to improve the imaging of complicated structures in concrete. By using the entire wavefield, including waves reflected more than once, there are fewer limitations compared to synthetic aperture focusing technique algorithms. As a drawback, the required computation is significantly higher than that for the techniques currently used. Simulations for polyamide and concrete structures showed the potential for non-destructive testing. The simulations were followed by experiments at a polyamide specimen. Here, having acquired almost noise-free measurement data to test the algorithm, we were able to determine the shape and size of boreholes with sufficient accuracy. After these successful tests, we performed experiments at a reinforced concrete foundation slab. We obtained information from the data by reverse time migration, which was not accessible by traditional imaging. The imaging of the location and structure of the lower boundary of the concrete foundation slab was improved. Furthermore, vertical reflectors inside the slab were imaged clearly, and more flaws were found. It has been shown that reverse time migration is a step forward in ultrasonic testing in civil engineering.
A Large Aperture UltraSonic (LAUS) system has been designed and built for testing thick concrete structures. The scalable system consists of twelve ultrasonic units, each hosting 32 individual shear wave transducers with mechanical dry point contact (DPC) to the concrete surface. The twelve units are attached to the concrete surface using a vacuum case which holds them in place during operation. Each LAUS unit can be placed individually depending on the surface condition and optimal ultrasonic condition, e.g. rebar position. Air pressure is supplied to each unit through an air hose. The following extended abstract is a short version of an article to be published in the special edition of ASCE JIS that will describe the outline of the system, the principle of functioning, the data processing and adapted reconstruction calculation based on SAFT as well as the system performance during first applications.
Elastic wave propagation of ultrasound in bituminous road surfaces - simulations and measurements
(2015)
Maintenance costs of road infrastructure are increasing steadily. The main cause of this is the nearly exponential increase of traffic during the last decades. Adverse environmental impacts on infrastructure get more and more important as well. Therefore, it is important to determine how limited financial resources can be directed with an optimum pay-out. Often a decision has to be made whether existing structures have to be rebuilt or repaired based on the condition of the structures. The present study takes first steps towards the usage of low-frequency ultrasound as a tool to evaluate the road condition. The overall aim is to derive a prediction model for future road conditions. In order to better understand and interpret recorded wave fields simulations of elastic wave propagation in layered and scattering road models have been performed. The study combined investigations in the laboratory with field measurements. In a series of extensive laboratory tests with different asphalt mixtures characteristic wave properties have been derived. Travel time (resp. velocity) as important material parameter has been investigated for different wave types, different centre frequencies and at various temperatures. An investigation of the directivity of wave radiation in the heterogeneous asphalt bodies led to an estimate of the related disturbing influences. Based on the laboratory results field measurements were performed on a real road and the records were processed to identify layers, propagation speeds and attenuation. The results were verified by a series of simulations.
Aktive Thermografieverfahren werden immer häufiger zur zerstörungsfreien Prüfung von Faserverbundwerkstoffen eingesetzt, da diese völlig berührungslos arbeiten und sowohl zur Prüfung großflächiger Strukturen als auch von großen Stückzahlen kleinerer Komponenten in der Fertigung eingesetzt werden können. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit Untersuchungen an typischen Defekten und Inhomogenitäten, die bereits während der Fertigung von CFK Bauteilen entstehen oder unbeabsichtigt mit eingebaut werden. Systematische Untersuchungen wurden mit Blitzthermografie in Reflexions- und Transmissionskonfiguration und mit Computertomographie (CT) durchgeführt. Die CT wurde dabei als Referenzverfahren genutzt, da dieses Verfahren auch kleinere Defekte mit relativ hoher Ortsauflösung und unabhängig von der Tiefe darstellen kann.
Geophysical methods have been used in civil engineering for decades. The main field of application is - to no surprise – in geotechnical projects from site characterization to foundation quality assurance. For more than 25 years, ground penetrating radar (GPR) and seismic methods have found applications in structural engineering. Recently introduced geophysical methods have been adopted to ultrasonic investigations in various fields. They help to improve the quality of structural imaging and to detect small changes in concrete. An overview of the history and current use of geophysics in civil engineering is given. Selected examples of new concepts include advances in wave based imaging, quality assurance for foundations, detecting small changes in concrete as well as moisture and corrosion detection are discussed.
Challenging new constructions and ageing infrastructure are increasing the demand for permanent monitoring of loads and condition. Various methods and sensors are used for this purpose. But the technologies available today have difficulties in detecting slowly progressing locally confined damages. Extensive investigations or instrumentations are required so far for this purpose. In this study we present new sensors and data processing methods for ultrasonic transmission, which can be used for non-destructive long term monitoring of concrete. They can be mounted during construction or thereafter. Larger volumes can be monitored by a limited number of sensors for changes of material properties. The principles of ultrasonic transmission and influencing factors are presented. This latter include load, damages as well as environmental parameters as temperature or moisture. Various methods for data processing, e. g. coda wave interferometry are introduced. They allow the detection of very small changes in the medium. The embedded sensors are shown including mounting and operation. Application examples so far include small scale laboratory freeze-thaw experiments, localizing loads in larger concrete models, monitoring load effects on real structures as well as detecting acoustic events. Some sensors are operating already for several years. The sensors can be used as transmitter or receivers or switched between both roles. While most of the previous experiments have been active (at least one sensor serving as transmitter), new studies show that the sensors are useful as well for passive measurements, e. g. in acoustic emission or time reversal experiments. Besides application in civil engineering our setups can also be used for model studies in geosciences.
Sicherheitsrelevante und zyklisch hoch belastete Bauteile erfordern zur Vermeidung von kostenintensiven Ausfällen besonders stabile Prozessparameter. Bereits sehr kleine Randzonenfehler können unter zyklischer Bauteilbelastung zu Risswachstum und letztendlich zum Bauteilversagen führen. Die frühzeitige Erkennung von Randzonenfehler in Hochleistungsbauteilen wie z.B. Zahnräder, Ritzelwellen und Kurbelwellen erfordert daher eine leistungsfähige zerstörungsfreie Oberflächenrissprüfung, die es ermöglicht in den hochbeanspruchten Funktionsflächen auch Härterisse, Schleifrisse oder Zundereinschlüsse zu detektieren.
Hierzu sind in den letzten Jahren einige neue, innovative Oberflächenprüfverfahren wie die laserangeregte Thermografie und die Streuflussprüfung mit hochauflösenden GMR-Sensoren oder magnetooptischen Verfahren entwickelt worden. Zusätzlich zur hohen Empfindlichkeit zeichnen sich diese innovativen Verfahren durch einen schnellen und teils auch berührungslosen Einsatz aus. Da die noch relativ neu-en Verfahren naturgemäß noch nicht normativ verankert sind, wurden auch bereits erste Validierungen durchgeführt. Um die Leistungsfähigkeit der Verfahren eingehend zu untersuchen, erfolgten Testreihen an verschiedenen Testkörpern in Bezug auf Ortsauflösung, Empfindlichkeit, Automatisierung und Bewertung der Messsig-nale.
Neben den neuen Verfahren und ihren ersten Schritten hin zur Validierung kamen als Referenz auch die „klassischen“ Verfahren der Magnetpulver- und Wirbelstromprüfung zum Einsatz, deren Leistungsfähigkeit durch angepasste Sondenentwicklung auch für sehr kleine Oberflächendefekte nochmals unter Beweis gestellt wurde. Zusätzlich wurde an einigen Testkörpern eine hochauflösende CT durchgeführt. Die Ergebnisse dieses Vergleiches werden vorgestellt und Möglichkeiten sowie Grenzen der einzelnen Verfahren herausgearbeitet.
Magneto-resistive (MR) sensor arrays are suited for high resolution eddy current testing (ET) of aerospace components due to two significant advantages compared to conventional coil systems. First, to obtain high spatial resolution they can be manufactured down to the µm-regime without losing their outstanding field sensitivity. Secondly, MR technology has a relatively frequency-independent sensitivity in the range of common ET-frequencies thus providing a benefit for low frequency applications.
This paper presents measurements using MR array probes consisting of 32 TMR-elements (tunnel magneto resistance), an ASIC, and subsequent readout components. A source for generating the eddy currents inside the material under test is also implemented onboard of the PCB. These probes were developed in the IMAGIC-project* for detection and imaging of surface breaking defects.
The performance of the new sensor system has been investigated for several mock-ups, Aluminum and Titanium plate specimens having small adjacent boreholes with diameter of 0.44 mm and micro notches in the µm-range, respectively. To compare our results we used conventional eddy current probes. The MR sensor elements have a length of around 60 µm leading to a nearly 'point like' measurement. Neighbouring boreholes (depth 0.25 mm) with a separation of 0.6 mm between their centres could be resolved with a good SNR, and more important, the boreholes could be confidently distinguished using the TMR-probes. In case of conventional probes a reliable separation was not possible. In this paper we present the MR-ET-probes of the IMAGIC consortium and a comparison with conventional techniques.
*The IMAGIC-project ('Integrated Magnetic imagery based on spIntronics Components', 2011 – 2014, project reference: 288381) was funded by the European Commission, Seventh Framework Programme. Further partners involved in the consortium beside BAM and CEA were INESC-ID and INESC-MN (Portugal), Sensitec GmbH (Germany), Tecnatom S.A. (Spain), and Airbus Group (France).
Widerstandspunktschweißen ist insbesondere im Automobilbau eine der wichtigsten Fügetechniken. Bislang erfolgt die Qualitätssicherung überwiegend durch stichprobenartige zerstörende Prüfung. Eine zerstörungsfreie Prüftechnik würde neben der Reduzierung der Prüfkosten auch eine Optimierung des Punktschweißverfahrens bedeuten, da prinzipiell jeder Schweißpunkt geprüft werden könnte und somit auch eine Reduzierung der Anzahl der Schweißpunkte möglich ist.
Es wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem die Punktschweißverbindung zwischen zwei Stahlblechen optisch auf einer Blechseite mittels Laser oder Blitzlicht erwärmt wird. Die aufgeschmolzene Zone, die sogenannte Schweißlinse, stellt dabei neben der mechanischen Verbindung auch eine Wärmebrücke zwischen den beiden verschweißten Blechen dar, die bei diesem Verfahren ausgenutzt wird. Durch den verbesserten thermischen Kontakt zwischen den verschweißten Blechen an der Schweißlinse kontrastiert diese deutlich mit dem umgebenden Blechmaterial, bei dem der Wärmeübertrag zwischen den Blechen vergleichsweise gering ist. Dieser Kontrast im thermischen Verhalten kann mittels zeitabhängiger Thermografie gemessen werden.
Durch das hier vorgestellte Verfahren kann mittels aktiver Thermografie sowohl in Transmissions- als auch in Reflexionsanordnung die Größe des thermischen Kontaktes zwischen den beiden Blechen ermittelt werden, welche ein Maß für die Größe der Schweißlinse und damit für die qualitative Güte der Schweißung darstellt. Ein Vorteil des entwickelten Verfahrens ist seine Anwendbarkeit auf Bleche ohne Oberflächenbehandlung.
BAM und TATA Steel untersuchen gemeinsam, ob sich die Prüfung von ferritischen Feinblechen mit einer Stärke von etwa 0,2 mm während der Fertigung durch den Einsatz von GMR-Sensorik verbessern lässt. Hierzu wurde eine Vorstudie an Feinblechen mit eingebrachten Mikronuten durchgeführt. Diese Nuten variieren in ihrer Tiefe zwischen 5 μm und 60 μm und wurden verdeckt mit ZfP-angepassten GMR-Sensorarrays geprüft. Die Ergebnisse der Vorstudie zeigten, dass bei verdeckter Prüfung schon kleinste Defekte mit einer Tiefe von 10 μm - gleichbedeutend mit einer Restwanddicke von 90 % – mit einem SNR > 6 dB detektiert werden konnten, wobei der Abstand der Prüfsonde zur Oberfläche bis zu 500 μm betrug. Zudem wurden in der Vorstudie Untersuchungen zur Prüfgeschwindigkeit und Praxistauglichkeit durchgeführt.
Basierend auf den hier gewonnenen Ergebnissen wird ein erster Demonstrator für eine zuverlässige Prüfung eines Teilbereiches von 50 mm des Feinbleches innerhalb einer Produktionslinie aufgebaut. Zum Einsatz kommen Prüfsonden mit jeweils 24 GMR-Sensorelementen. Hierbei wird das Ziel einer umfassenden Prüfung des Feinblechs über die gesamte Breite von 1200 mm angestrebt. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die hohe Anzahl von mehr als 1000 Sensorelementen dar. Das hierfür entwickelte Prüfkonzept umfasst neben einer angepassten Erzeugung des Magnetfeldes die Entwicklung einer geeigneten schnellen und sicheren Elektronik für die neuen Mehrkanalprüfköpfe. Neben der Vorstellung des Prüfkonzeptes und seiner Eigenschaften vergleichen wir die erzielten Prüfergebnisse an verschiedenen Vergleichsfehlern mit denen der Vorstudie.
Als Alternative zur Neutronentomographie wird das Potenzial der Computertomographie (CT) mit inkohärenter Röntgen-Streustrahlung (Compton-Streuung) untersucht. Die gleichzeitige Abbildung von Materialien sehr unterschiedlicher Dichten (Ordnungszahlen) ist eine wiederkehrende Herausforderung für die Radiologie und die Computertomographie mit Röntgenstrahlung. Die Messungen ergeben asymmetrische Projektionsprofile für Sinogramme der Streuintensität. Am Beispiel verschiedener Polymere (Polyethylen, Polyamid, PVC), Glas und Holz wird in den Tomogrammen ein hochaufgelöster 'Comptonkontrast' vergleichbarer Dynamik erreicht, während der simultan gemessene 'Absorptionskontrast' ausschließlich die starken Absorber (Glas und PVC) zeigt. Der Vergleich mit ähnlich auflösender Neutronentomographie zeigt ähnliche Kontraste und eröffnet mithin die Möglichkeit, diese künftig durch Compton-Tomographie im Labormaßstab zu ersetzen.
High resolution examination of safety-relevant parts in immersion tank testing with focussing probes is forming a main topic of modern non-destructive testing. For the usage of complex reconstruction methods and algorithms, an individual and detailed knowledge about the transmission behaviour of the used probes is essential, as this has a significant influence on the results of data reconstruction.
Especially the knowledge about position and diameter of the focal point is needed to achieve the highest possible sensitivity. Through the individual position of the beam axis within the examined volume, a four dimensional metro logical determination of the acoustical pressure (x, y, z, t) is necessary. With the measured data it is possible to draw interferences about the sound field and acoustical pressure distribution. The presented work realized a method of automatic determination of the beam axis, the position of focal point and the focal diameter to support individual testing setups and transducer characterization.
Für eine hochauflösende Untersuchung von sicherheitsrelevanten Bauteilen innerhalb der Tauchtechnik haben fokussierende Prüfköpfe eine hohe Verbreitung erlangt. Für den Einsatz moderner und komplexer Rekonstruktionsverfahren bildet jedoch die Kenntnis über Schallfeldgeometrie, insbesondere die Lage und Ausdehnung der Fokusbereichs und die Empfindlichkeit des verwendeten Prüfkopfs in Abhängigkeit zum Schallweg, eine entscheidende Rolle für die Datenrekonstruktion und die abschließende Bauteildiagnose.
Für die automatisierte Bestimmung der wichtigsten Kenngrößen (bspw. Lage und Länge des Fokuspunkts bzw. Fokusschlauchs, sowie des Schallbündel-durchmessers) wurde die Schalldruckverteilung mechanisiert, vierdimensional (x,y,z,t) vermessen und unter Einsatz der digitalen Signal- und Bildverarbeitung, ein vollautomatisches Analysewerkzeug erarbeitet. Weiterhin konnte anhand des Messdatensatzes und unter Einsatz von dreidimensionalen Rekonstruktions- und Visualisierungstechniken das Schallfeld bzw. die Schalldruckverteilung dreidimensional abgebildet werden und für etwaige Nachuntersuchungen von Simulationsergebnissen oder allein zur Visualisierung eingesetzt werden.
Für den stetigen Einsatz und die erhöhten Anforderungen bei der mechanisierten Prüfung sowie in der Handprüfung ist notwendig, einen möglichst genauen Eindruck bzgl. Funktionsweise und Zuverlässigkeit der eingesetzten Prüfmittel zu besitzen. Prüfköpfe weisen, wie jedes andere technische Erzeugnis gewisse Toleranzen hinsichtlich Fertigungs- und Alterungsprozessen auf, welche sich speziell bei Winkelprüfköpfen durch eine Verschiebung des Nominalwinkels äußern können. Die Definition der Parameter von Prüfköpfen und entsprechende Methoden zu deren Überprüfung sind in der DIN EN 12668-2 geregelt.
Von der BAM werden für diese Aufgaben Richtcharakteristikmessplätze eingesetzt. Um auf die gestiegenen Anforderungen hochauflösender Prüfungen zu reagieren wurde der Richtcharakteristikmessplatz modernisiert. Dabei wurde für die teil-automatisierte Untersuchung der akustischen Parameter (z.B. Einschallwinkel) unter Verwendung digitaler Messdatenverarbeitung - ein neuer Messplatz für die Überprüfung sowie Untersuchung von Prüfkopftoleranzen und Alterungsprozessen realisiert. Der Messplatz verfügt über eine hochauflösende Messdatenerfassung sowie einer automatisierten Protokollierung der erhobenen Messdaten.
Für die Durchführung einer Dichtheitsprüfung und für die Bewertung des Ergebnisses ist es wichtig, den sich unter Betriebsbedingungen im Prüfobjekt einstellenden Überdruck zu kennen. Entspricht der Prüfüberdruck nicht dem Betriebsüberdruck, so ist es oft erforderlich, die unter Prüfbedingungen gemessenen Leckageraten auf den realen Betriebsüberdruck umzurechnen. Im Bereich der Gefahrgutverpackungen ist jedoch der spätere maximale Betriebsüberdruck nicht genau bekannt. Er hängt für jede einzelne Verpackungsbauart von dem eingefüllten Füllmedium mit seinen spezifischen Stoffeigenschaften, dem Füllgrad sowie den Beförderungsbedingungen, insbesondere der mittleren Transporttemperatur, ab. Es werden Berechnungsansätze vorgestellt, mit denen sich der Überdruck in Gefahrgutverpackungen unter Beförderungsbedingungen rechnerisch ermitteln lässt. Die theoretisch berechneten Überdrücke werden mit Überdruck-Messwerten verglichen, die mit verschiedenen Füllmedien in unterschiedlichen Verpackungsbauarten ermittelt wurden.
Durch den Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen und Multi-Material-Konstruktionen zur Gewichtsreduzierung erlangen Klebeverbindungen immer stärkere Bedeutung. Die Prüfung dieser Fügeverbindungen stellt neue Anforderungen an die zerstörungsfreie Prüfung. Hinzu kommt, dass die Zugänglichkeit häufig eingeschränkt und die Verwendung flüssiger Koppelmittel aufgrund konstruktiver oder fertigungstechnischer Gegebenheiten ausgeschlossen ist. Unter Berücksichtigung dieser Beschränkungen wurde ein Prüfverfahren entwickelt, das eine luftgekoppelte Anregung geführter Ultraschallwellen mit einer laserbasierten Detektion kombiniert. Nachdem das Prüfverfahren zunächst mit einer einfachen Signalauswertung im Zeitbereich getestet wurde, konnte in nachfolgenden Untersuchungen die örtliche Auflösung durch die Implementierung von Filteralgorithmen im Frequenz-Wellenzahl-Bereich und zusätzlich durch direktionale Filter erhöht werden. Das resultierende bildgebende Prüfverfahren wurde an realitätsnahen Klebeproben mit künstlichen Fehlern getestet. Die Zuverlässigkeit und Ortsauflösung des Verfahrens wurde im Vergleich mit herkömmlichen Prüfverfahren validiert. Mithilfe des Verfahrens können Poren, Einschlüsse und Bereiche mit ungenügender Verklebung detektiert werden.
Online-Strukturüberwachungssysteme sind eine Möglichkeit, den Anforderungen hinsichtlich Leichtbau und Zuverlässigkeit gleichzeitig gerecht zu werden. Die Integration solcher Systeme liefert aktuelle Informationen über die Integrität der sicherheitsrelevanten Struktur, wodurch sich Aussagen über notwendige Instandhaltungsarbeiten und möglicherweise über die zu erwartende Restlebensdauer ableiten lassen. Der zielgerichtete Einsatz der Überwachungssysteme ermöglicht es somit, die benötigten Sicherheitsfaktoren bei der Auslegung der Bauteile zu reduzieren und Wartungsintervalle zu verlängern. Dadurch können Kosten gesenkt werden, ohne die Zuverlässigkeit zu verringern. Im Rahmen einer Studie zur Machbarkeit eines Online-Überwachungssystems für Eisenbahn-Radsatzwellen wurde der Einsatz geführter Ultraschallwellen, die von Sensoren an einer Stirnseite der Wellen angeregt werden, demonstriert. Aufgrund der Bauteilgeometrie und der dispersiven, multimodalen Wellenausbreitung stellt die Interpretation der Echosignale eine wesentliche Herausforderung dar. Basierend auf dem a-priori-Wissen über die Wellenausbreitung wurden in der Studie klassifizierende Auswertealgorithmen entwickelt und erfolgreich an maßstabsgetreuen Labormodellen getestet.
Hochduktiler Beton eröffnet neue Möglichkeiten bei der Instandsetzung von Bauwerken, der Herstellung dünnwandiger Bauelemente oder dem Einsatz von Dämpfungselementen in stoßartig beanspruchten Bauwerken (z.B. in Erdbebengebieten).
Die Steigerung der Duktilität kann durch die Zugabe von Kurzfasern erreicht werden. Im Falle einer Rissbildung in der Zementsteinmatrix überbrücken die Fasern den Riss, nehmen die Spannung vollständig auf und stoppen lokal das Risswachstum. Bei weiterer Steigerung der Last reißt die Matrix an anderer Stelle. Auf diese Weise wird die Rissbildung fein verteilt und es werden große Dehnungen erreicht, bevor das Bauteil versagt. Zur Optimierung der Festbetoneigenschaften müssen die Matrixfestigkeit und die Faserart sowie deren Gehalt aufeinander abgestimmt werden. Dabei sind auch die Verarbeitungseigenschaften des Frischbetons zu berücksichtigen.
Anhand der Schallemissionen kann die Rissbildung in der Matrix und die Interaktion mit den Fasern analysiert werden. So konnte in ersten Zugversuchen gezeigt werden, dass sich Schallereignisse dem Versagen der Zementsteinmatrix bzw. dem Auszug der Fasern aus der Matrix zuordnen lassen. Damit steht zur Beurteilung des mechanischen Verhaltens von hochduktilem Beton neben der Spannungs-Dehnungs-Linie ein weiteres Verfahren zur Verfügung.
The Institute for Reference Materials and Measurements (IRMM) of the Joint Research Centre (JRC), a Directorate General of the European Commission, operates the International Measurement Evaluation Program (IMEP). IMEP organises inter-laboratory comparisons in support of European Union policies. This paper presents the results of two proficiency tests (PTs): IMEP-116 and IMEP-39, organised for the determination of total Cd, Pb, As, Hg and inorganic As (iAs) in mushrooms. Participation in IMEP-116 was restricted to National Reference Laboratories (NRLs) officially appointed by national authorities in European Union member states. IMEP-39 was open to all other laboratories wishing to participate. Thirty-seven participants from 25 countries reported results in IMEP-116, and 62 laboratories from 36 countries reported for the IMEP-39 study. Both PTs were organised in support to Regulation (EC) No. 1881/2006, which sets the maximum levels for certain contaminants in food. The test item used in both PTs was a blend of mushrooms of the variety shiitake (Lentinula edodes). Five laboratories, with demonstrated measurement capability in the field, provided results to establish the assigned values (Xref). The standard uncertainties associated to the assigned values (uref) were calculated by combining the uncertainty of the characterisation (uchar) with a contribution for homogeneity (ubb) and for stability (ust), whilst uchar was calculated following ISO 13528. Laboratory results were rated with z- and zeta (ζ)-scores in accordance with ISO 13528. The standard deviation for proficiency assessment, σp, ranged from 10% to 20% depending on the analyte. The percentage of satisfactory z-scores ranged from 81% (iAs) to 97% (total Cd) in IMEP-116 and from 64% (iAs) to 84% (total Hg) in IMEP-39.
In- and quasielastic neutron scattering is employed to investigate both the vibrational density of states and the molecular dynamics of two homologous discotic liquid crystals (DLC) with different length of the alkyl side chain based on a triphenylene derivate. For both compounds characteristic low frequency excess contributions to the vibrational density of states are found. Therefore it is concluded that these liquid crystals show a glass-like behaviour. Elastic scans further show that in these materials a rich molecular dynamics takes place.