Wissenschaftliche Artikel der BAM
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To increase the competitiveness of jacket substructures compared to monopiles a changeover from an individual towards a serial jacket production based on automated manufactured tubular joints combined with standardized pipes has to be achieved. Therefore, this paper addresses fatigue tests of automatically welded tubular X-joints focusing on the location of the technical fatigue crack. The detected location of the technical crack is compared to numerical investigations predicting the most fatigue prone notch considering the structural stress approach as well as the notch stress approach. Besides, the welding process of the automated manufactured tubular X-joints is presented.
Unter den von Humboldt in Amerika erworbenen Schriftstücken der Kolonialzeit findet sich eine Tributliste aus dem Jahr 1569, die der Otomí Bevölkerung aus dem Ort Mizquahuala im Staat Hidalgo/ Mexiko zugeordnet wird. Sie ist in Form eines Kalenders ausgeführt, Wochentage und verschiedene Produkte lassen sich unterscheiden. Eduard Seler beschreibt dieses Manuskript zusammen mit einer weiteren Tributliste, die in Inhalt und Zeichnung anders gestaltet ist, jedoch ebenfalls aus dieser Region stammt.
Mit den für die Analyse von Manuskripten bewährten Untersuchungsmethoden werden Papier und Farbmittel identifiziert. Hierzu zählen Raman-, FTIR-, Röntgenfluoreszenz- und VIS- Spektroskopie. Charakteristisch für die Herstellung von schriftlichen Dokumenten in der Kolonialzeit von Amerika ist die Verwendung von indigenem Material wie Papier aus Baumrinde und Pflanzenfarben zusammen mit den aus Europa bekannten Materialien. Geklärt wird, welche Auswahl von Farbstoffen zur Herstellung der Dokumente genutzt wurde, die diese als Gruppe klassifizieren könnte.
Die den beiden Fragmenten zugeordneten Farbmaterialien sowie formale und inhaltliche Aspekte lassen vermuten, dass zwei weitere Schriftstücke der Berliner Sammlung `Manuscripta Americana´, deren Herkunft nicht bekannt ist, mit ihnen in Beziehung gebracht werden können. Stilistisch gleiche Fragmente befinden sich zudem in Mexiko, Paris und den USA.
Im Vergleich dieser Fragmente untereinander wird diskutiert, inwieweit die über die Materialanalyse identifizierten spezifischen Farbstoffe einen Hinweis auf eine gemeinsame lokale Herkunft zulassen.
Phased-Array-Technik und Bildgebung mit Ultraschallwellen sind nach langer Entwicklungszeit inzwischen auf dem Weg zu allgemeiner Verbreitung. Daher bietet sich an, die verschiedenen Techniken und deren Begriffe wie z.B. Phased-Array, SAFT, TFM, FMC und Sparse-Array zusammenfassend in Beziehung zu setzen.
All diesen Techniken liegt dieselbe Idee zu Grunde, nämlich durch gezielte Überlagerung von Ultraschallsignalen den gewünschten Effekt zu erreichen. Die verschiedenen Techniken werden kurz charakterisiert und neben den Unterschieden wird beschreiben, auf welche Weise bei all diesen Techniken das Phänomen der konstruktiven Interferenz jeweils genutzt wird.
Acoustic-structure interaction in the Scaled Boundary Finite Element Method for primsatic geometries
(2019)
Due to the short wavelength compared to the dimensions of the structure, the simulation of ultrasonic waves is still a challenging task. A numerical method well suited for this purpose is the semi-analytical Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). When applying this method, only the boundary of a computational domain is discretized using finite elements, while the interior is described by an analytical ansatz. Hence, the number of degrees of freedom is reduced significantly compared to the classical Finite Element Method (FEM).
In recent years, a particular formulation of the SBFEM for the simulation of ultrasonic guided waves was developed. The method constitutes an efficient algorithm for prismatic structures of arbitrary length, such as plates, pipes, or beams. Wave propagation phenomena in such structures can be modeled for isotropic and anisotropic inhomogeneous waveguides. Even though the method is an efficient tool for the simulation of guided waves in solid media, a reliable model for the simulation of acoustic wave propagation in fluids as well as acoustic-structure interaction in terms of SBFEM is still missing. In principle, the fluid can be described by a displacement-based formulation and thus be implemented in existing SBFEM algorithms for solid bodies. However, due to the discretization with classical finite elements, spurious modes occur, which cannot be separated from the physical modes straightforwardly. The spurious modes can be suppressed using a penalty parameter. Although very accurate results were achieved for some problems, this procedure has been proven unreliable for certain cases.
For this reason, we propose a different approach in this contribution. We employ a pressure model to simulate the acoustic behavior of fluids. The implementation of the pressure model results in a higher effort due to the necessity of incorporating coupling terms, but it presents a stable alternative without spurious modes. The accuracy of the method is demonstrated in comparison with analytical solutions and results obtained using the FEM.
Zuverlässigkeitsbetrachtungen bei der Ultraschallprüfung von Radsatzwellen im Ausbildungsbetrieb
(2019)
Im Rahmen der UT1-M1 Ausbildung im Ausbildungszentrum Wittenberge der DGZfP wurden statistische Untersuchungen am Beispiel der Radsatzwellenprüfung mit Testradsatzwellen durchgeführt. Diese Untersuchungen hatten zum Ziel, die wesentlichen Einflussparameter bei der Prüfung auf das Prüfergebnis zu evaluieren. Dabei wurde unter anderem die intrinsische Fähigkeit des Prüfverfahrens zum Auffinden verschiedener Reflektorgeometrien ermittelt. Die Ergebnisse der Handprüfung wurden mit Ergebnissen mechanisierter Prüfungen verglichen. Im Rahmen der Zuverlässigkeitsbetrachtung wurden die Probability of Detection (POD) und die Nachweisgrenzen ermittelt.
Ziel dieser Arbeit war es auch, menschliche und organisatorische Einflussfaktoren auf die Ultraschall-Handprüfung von Radsatzwellen zu identifizieren, um Empfehlungen zur Optimierung der Ausbildung auszuarbeiten. Dazu wurden prüfungsbezogene Risiken in der Praxis mittels Fehlzustandsart- und –auswirkungsanalyse (FMEA) analysiert sowie von den Prüfern empfundene Probleme während der Ausbildung und in der Praxis mittels Fragebogen identifiziert. Die Ergebnisse der FMEA haben gezeigt, dass während des gesamten Prozesses Fehler auftreten können, für die Gegenmaßnahmen getroffen und implementiert werden sollten. Aus den Hinweisen und Erkenntnissen wurden einige Empfehlungen zur Optimierung der Ausbildung erarbeitet.
Aktuelle Entwicklungen der Wirbelstrom- und Ultraschallprüfung an verlegten Eisenbahnschienen
(2019)
Die kombinierte Schienenprüfung mit Wirbelstrom und Ultraschall ermöglicht eine ganzheitliche Detektion von Inhomogenitäten im Kopf und Steg der Schiene und gewährleistet das Auffinden sowohl von Volumen-als auch Oberflächeneffekten wie z. B. Head Checks. Für die verbesserte Detektion von Rollkontaktermüdung (rolling contact fatique, RCF) und den daraus resultierenden Schienenfehlern (Head-Checks, Squats, Riffel, …) wurde für die Wirbelstromprüfung der Prüfbereich auf die gesamte Rollkontaktfläche erweitert. Der Fokus liegt im Neudesign der Wirbelstrom-Prüfvorrichtung und der damit verbundenen normgerechten Auslegung der Konstruktion für die fahrzeugspezifischen Gegebenheiten. Ferner wurde die Anwendersoftware des kombinierten Prüfsystems vereinheitlicht. Um die wirtschaftliche Effektivität unsere Prüftechnik zu steigern, wird die Multiplex-Gerätetechnologie in die automatisierte Schienenprüfung eingeführt. Damit wird der freizuhaltende Einbauraum innerhalb der Fahrzeuge sowie Kabelwege deutlich reduziert. Durch den Übergang zu der Multiplextechnologie wurde weiterhin die Stromaufnahme um mehr als 50% reduziert.
Bei der mechanisierten Prüfung von verlegten Eisenbahnschienen mit Schienenprüfzügen werden große Prüfdatenmengen mit einer komplexen Prüfkopfanordnung in kurzer Zeit bei hohen Prüfgeschwindigkeiten aufgenommen. Der Typ und der Zustand des Gleises kann während der Prüfung in schnellem Wechsel streckenabhängig variieren, z.B. unterschiedliche Schienentypen oder Abnutzung sowie beim Durchfahren von Weichenstraßen. Der logistische Aufwand diese Prüfung insgesamt durchzuführen ist dabei sehr hoch und eine Wiederholung der Prüfung in einem kurzen Zeitintervall nicht möglich.
Es werden während der Prüfdatenaufnahme bereits Datenreduktionsverfahren, Rekonstruktionsverfahren und Online-Parametervariationen eingesetzt, um die Ergebnisdaten zum einen in Ihrer Menge zu begrenzen zum anderen auf die lokalen Geometrie- und Zustandsänderungen des Prüfobjektes Schiene zu reagieren.
Im Regelwerk EN 16729-1 „Zerstörungsfreie Prüfung an Schienen im Gleis -Teil 1: Anforderungen an Ultraschallprüfungen und Bewertungsgrundlagen“ werden Bezugsreflektoren definiert, um die Leistung automatisierter Ultraschallsysteme für die Schienenprüfung zu verifizieren.
Um die Einflüsse der komplexen Randbedingungen der mechanisierten Schienenprüfung auf das Prüfergebnis evaluieren zu können, wurde ein Softwarewerkzeug erarbeitet, mit dem eine Prüffahrt auf einer Schiene simuliert werden kann. Basierend auf der Datenaufnahme mit dem Glassy-Rail-Diagramm können alle relevanten Prüfparameter und Artefakte in Schienen sowie Störeinflüsse bei der Simulation berücksichtigt werden.
Raman band widths of anhydrite II reveal the burning history of high-fired medieval gypsum mortars
(2019)
The use of high-fired gypsum as binder for masonry and joint mortars or stuccowork in Central Europe in the Early and High Middle Ages was a regional specific as it depended on local gypsum deposits. The calcination technology possible at the time resulted in an assemblage of calcium sulphate phases dehydrated to different degrees and partly thermally damaged accessory minerals of the raw gypsum. Because of the absence of medieval textbooks, the observation of high-temperature, low-pressure mineral transformations and the correlation of phases coexisting in not hydrated binder relicts in the gypsum matrix to the mineralogy of the raw material and the burning conditions constitute the only source to the historical technological know-how.
The CaSO4–H2O system consists of five crystalline phases, which can be discriminated by structural analysis methods, such as Raman spectroscopy, due to obvious differences in their spectroscopic data: gypsum (CaSO4 ⋅ 2 H2O), bassanite (hemihydrate, CaSO4 ⋅ ½ H2O), anhydrite III (CaSO4), anhydrite II (CaSO4), and anhydrite I (CaSO4). Only recently, it was possible to demonstrate that small spectroscopic variations exist also within the relatively large stability range of anhydrite II from approx. 180°C to 1180°C: all Raman bands narrow with increasing burning temperature applied in the synthesis from gypsum powder. The determination of band widths of down to 3 cm-1 and differences between them of a few tenths of a wavenumber is not a trivial task. Thus, this contribution discusses peak fitting and strategies for correction of instrument-dependent band broadening.
Raman maps of polished thin sections of gypsum mortars provide access to the burning histories of individual remnant thermal anhydrite grains and enable the discrimination of natural anhydrite originating from the gypsum deposit. This novel analytical method was applied to samples from medieval South Tyrolean stucco decorations and sculptures. Beyond that, Raman microspectroscopy was employed for following pyrometamorphic reactions in natural impurities of the raw material. In the presented examples mineral thermometry indicates process temperatures above 800°C: the breakdown of magnesium-rich chlorite led to the formation of forsterite Mg2SiO4, while the thermal decomposition of dolomite CaMg(CO3)2 yielded – after hydration and carbonation – magnesite MgCO3, CaCO3 polymorphs and magnesian calcite. Lower burning temperatures, which leave the accessory minerals in their pristine form, can be traced by measuring the spectra of anhydrite crystalites in grains of firing products and evaluating Raman band widths. Throughout the applications of this analytical method so far, calcination temperatures ranging from approx. 600°C to 900°C were determined.
The moisture content of screed samples is monitored by means of embedded sensors. Relative humidity sensors and multi-ring-electrodes are used to measure the spatial moisture distribution during desorption. Based on the humidity data and the pore volume distribution, the moisture and the water layer thickness within the pore space are predicted.
Slit shape as well as cylindrical pores are evaluated. Finally, the measured real part of the electrical impedance and the calculated water layer thickness are correlated. Based on the available data, a significant trend change of the impedance is documented at a water layer thickness of approximately 3 nm. This water layer thickness corresponds to a relative humidity of 88.3%.
The identification of the dynamic behavior of structures, like bridges and towers, is relevant to address multiple issues. In many cases the dynamic parameters should be acquired only once or at a frequency that doesn’t justify the installation of distinct vibration sensors for a long-term monitoring. To identify modal frequencies of a structure, a drone based mobile sensing platform has been implemented. This sensing platform measures the relative displacement be-tween the structure and the drone, which also shows a strong dynamic behavior under wind tur-bulences. By regarding the dynamic model of the drone and additional measurements at the dis-tance sensor the absolute movement of the structure can be estimated based on the measured relative distance. This time domain data is a suitable input for various operational modal analysis algorithms. The system has been used to identify the dynamic properties of test and real structure, like a 1.5 MW wind turbine tower.
Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit den optischen, thermophysikalischen und mechanischen Materialeigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen und deren Alterung. Dazu wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
The initial focus of this research was on the development of a general workflow for the documentation and monitoring of historical stained glass windows using structured light scanning. Therefore windows from different churches, time periods and with different corrosion and damage phenomena were scanned before and after conservation measures. To evaluate the execution of the restoration measures the data was compared using 3D inspection software to examine the differences in geometry between the two scans. Various problems had to be solved, for example, how to deal with heavily reflective surfaces and the extreme contrast between light and dark surfaces, as seen in the borders between ‘Schwarzlot’ painting and plain glass. The application of materials for matting the surfaces, such as Cyclododecane spray, was impossible due to the high accuracy of the surface measurement required for 3D inspection. Regarding the contrast differences of the surfaces, the creation of exposure fusions and the use of polarization filters to reduce reflections were tested. In addition to the general problems encountered when recording translucent surfaces, the historical glasses caused additional problems in calculating surface comparisons. For example, the windows have to be moved and turned around several times, both during the conservation process and while scanning, causing deformations of the geometry due to the flexible lead rods allowing a certain degree of movement.
In the present study, the impact of static traffic loading on the slight deflection effects in the concrete structure of an existing bridge has been investigated using distributed fiber optic sensors. In the face of increasing traffic density and severe traffic loading, the results of the load tests on the Amsterdam bridge 705 make an important contribution to the understanding of its structural behavior. The concept of the static loading was based on the use of two 36-ton trucks stopped on the bridge at multiple pre-determined locations. The load applied in this way led to location-dependent small deflection effects recorded as longitudinal strain of the sensing fiber embedded at the underside of the bridge. The measurements were performed with a commercially-available solution based on Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectometry with the measurement accuracy in the range of 0.5 µm/m.
Die zeitaufgelöste THz-Spektroskopie (THz-TDS) operiert mit elektromagnetischen Impulsen, die ein Amplitudenspektrum im unteren THz-Bereich aufweisen. Die THz-TDS ist in der Lage, dielektrische Volumina zerstörungs- und kontaktfreie zu durchstrahlen. Um eine 3D-THz Bildung zu ermöglichen, wurde für die THz-TDS ein rechnergestütztes Mess- und Rekonstruktionsverfahren (THz-TDSAFT) entwickelt, mit dem es gelingt, unter Verwendung der im Zeitbereich registrierten THz-TDS-Daten das Volumeninnere in Form eines dreidimensionalen Tomogramms zu rekonstruieren. Die THz-TD-SAFT basiert auf die für die Ultraschalltechnik entwickelte Synthetische Apertur Fokussierung (SAFT) bzw. des heuristisch begründeten Algorithmus des Synthetischen Apertur Radars (SAR). Anhand von Beispielen wird die Möglichkeiten der THz-TD-SAFT demonstriert und nachgewiesen, dass mit dem Rekonstruktionsansatz die künstlich eingebauten Fehlstellen bezüglich der Position und Größe geometrisch richtig im Tomogramm abgebildet werden können.
Polymerbeschichtungen auf Beton bieten einerseits mechanischen Schutz vor Beschädigungen und verhindern das Eindringen von Wasser, gelösten Salzen und CO2 und können andererseits der Oberfläche ein gewünschtes Aussehen geben. Daher werden sie in der Bauindustrie insbesondere bei Brücken und Parkhäusern häufig verwendet. Für die beabsichtigte Wirkung der Beschichtung ist deren Schichtdicke ein entscheidender Faktor und muss daher nach Aufbringung der Schicht und im Betrieb regelmäßig überprüft werden. Üblich sind hier zerstörende Verfahren mit nachträglich erforderlicher Ausbesserung. Im Rahmen eines Vorgängerprojektes wurde an der BAM in Kooperation mit der IBOS GmbH ein zerstörungsfreies Verfahren entwickelt, welches auf aktiver Thermografie basiert. Ein Prototyp mit Halogenlampe und Infrarot-Kamera wurde erprobt.
Das hier beschriebene Folgeprojekt hat das Ziel, dieses Verfahren zu standardisieren, damit es sich in der Industrie als zerstörungsfreies Alternativverfahren zur Schichtdickenbestimmung durchsetzt. Im ersten Schritt wird gezeigt, bei welchen Oberflächenschutzsystemen das Verfahren bereits zuverlässige Schichtdickenmessungen ermöglicht und praxistauglich ist. Anschließend werden weitere Forschungsthemen definiert und bearbeitet, die eine Anwendung für alle Oberflächenschutzsysteme ermöglichen sollen. Besondere Herausforderungen stellen etwa Sandeinstreuungen in der Polymerschicht dar. Auch muss der Frage nach der Anwendbarkeit auf Mehrschichtsysteme nachgegangen werden. Des Weiteren stellt sich die Frage nach dem Einfluss der Beschaffenheit des Betonuntergrunds auf die Anwendbarkeit des Verfahrens. Im zu erarbeitenden Normentwurf sollen diese Untersuchungen die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen der aktiven Thermografie zur Schichtdickenmessung von Oberflächenschutzsystemen aufzeigen. Im Beitrag werden die systematischen Untersuchungen bezüglich dieser Fragestellungen dargelegt.
Increasing traffic volume on the one hand and ageing infrastructure on the other hand have created many new challenges for maintenance and structural health monitoring of roads and bridges. In the past, many bridges and road structures have been neglected, often resulting in traffic congestion, road closure, and increased repair costs.
This research is concerned with the development of a system to improve the challenge of maintenance and early detection of damage, particularly moisture penetration and corrosion of steel reinforced concrete components. The objective is to develop a method that will also work after 30 years and longer. Many new IoT solutions are equipped with internal energy storage elements (accumulators or batteries) which are inappropriate here, since most relevant signs of concrete degradation occur after decades, where the functioning of such elements are more than questionable. The presented technology approach uses radio-frequency identification (RFID) and enables connectivity to sensors. It offers the advantage of an passive, completely independent energy supply without any energy storage components.
Since the system should be permanently embedded in concrete, it is crucial to develop a long-term stable device which is adapted to the environmental influences of the structure, e.g., long-term resistance in very alkaline environment of pH 13. In numerous experiments, the robustness of the system was tested and evaluated. Various tests with encapsulations to protect the electronics were performed, and for long-term validation different concrete specimens were instrumented with RFID-sensor-systems. Their operating time is now around two years and investigations for signs of fatigue and damage to the encapsulation and the electronics are ongoing.
Ultrasonic methods are used in concrete investigations since decades. While being limited to transmission testing in the laboratory for a while, in-situ echo measurements for structural investigations and condition assessment have made their way into practical application in the past 20 years. However, several challenges remain. On one side, there are technical issues as limitations in depth of penetration, resolution and imaging capabilities. On the other side there are still gaps in validation, standardization and certification, which are limiting the applicability in condition/load capacity assessment.
This review reports a couple of developments which will help to overcome these issues. This includes technical developments as new devices which are easier to handle on site or giving a much deeper penetration depth (e.g. the LAUS device at BAM) as well as improvements in imaging by hardware update (e. g. air coupled ultrasound or coded signals) or new software (e. g. RTM imaging). To foster the application in real world projects we are as well working on standardization by developing new reference specimen with international partners which will ensure world-wide comparability of ultrasonic and other methods and quality assurance codes. Further, non-destructive methods are being used to update probabilistic models used for the reassessment of existing structures to support the structural engineer’s decisions.
At present, to produce renewable energy offshore wind farms play an important role. The available space combined with the more valuable wind conditions make offshore locations very attractive for wind powered energy production. In Europe a significant number of offshore wind farms already exist, especially in the North and Baltic Sea. In future this trend will continue, and further offshore wind farms will be built. The majority of offshore wind turbines are mounted on steel foundation structures. Due to the high-cyclic loading by wind and waves fatigue stress plays a substantial role regarding structural safety.
Besides the consideration of fatigue within the design process, to monitor existing steel structures for potential fatigue cracks during their life time is a major topic and a challenge.
For the structures of the offshore wind turbines are large and partially under water effective reliable methods for the detection of fatigue cracks are required.
This contribution presents investigations on different crack detection methods applied at high-cycle fatigue tests on small-scale welded steel samples as well as on large-scale welded steel components. The tests were conducted at the BAM laboratories. For crack detection mainly three different methods were used and compared. The first method regards to the measurement of strain by conventionally strain gauges. Secondly, the crack luminescence was used as a new and effective optical method for surface monitoring. And finally, crack detection by pressure differentials of the inner and outer section of tubular steel elements was investigated. A comparison study will emphasize the advantages and disadvantages of the different methods and show which of the described methods is potentially more suitable for an application on real offshore wind structures.
The structural performance of many geotechnical systems (e.g. axially-loaded pile foundations), depends on the shearing resistance at the soil interface, which may govern the load bearing capacity of the foundation. Experimental investigations have shown that this interaction is mainly localised within a narrow shear band next to the structure. Under cyclic loading, a contraction of the soil at the interface may arise (net volume loss), possibly leading to a stress relaxation and thus to a reduction of the load bearing capacity (the so-called friction fatigue). Based on the constitutive similarities between soil continua and interfaces, we propose here the adaption of a Generalized Plasticity model for sandy soils for the numerical analysis of interface problems. In this contribution, the results of an experimental campaign for the parameter calibration of the constitutive model are presented. The tests have been conducted with a ring shear device involving different normal stresses, roughness of the steel plates as well as cyclic loading. The new modelling approach shows promising results and has the additional practical advantage that the interface zone and the soil continuum can both be described with the same constitutive model in general boundary value problems.
Investigation of the salinization in marine and offshore environment - test methods and challenges
(2019)
Salinization and contamination of metal surfaces by chloride-containing aerosols is of great importance with regard to corrosion phenomena in the maritime sector and in offshore applications. Especially Offshore Wind Turbines are exposed to extreme corrosive conditions due to high chloride concentrations in the atmosphere and the resulting high chloride deposition rates. It is of great importance to evaluate to what extent salinization of the surface influences the corrosion protection of coatings and pitting occurrence on stainless steels under atmospheric conditions to evaluate the durability of metallic building structures in offshore and marine environments. The evaluation of the scientific literature and regulatory guidelines has shown that there are still many open questions regarding the contamination of metal surfaces by chlorides. This contribution will discuss how salinization of metal surfaces is evaluated and monitored according to current standards and guidelines. Future challenges concerning test methods and the application of evaluated salinization values and deposition rates will be discussed.