Wissenschaftliche Artikel der BAM
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- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (115)
- 7 Bauwerkssicherheit (35)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (31)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (31)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (31)
- 8.5 Röntgenbildgebung (16)
- 5 Werkstofftechnik (13)
- 7.4 Baustofftechnologie (12)
- 9 Komponentensicherheit (12)
- 5.3 Polymere Verbundwerkstoffe (11)
Currently at Deutsche Bahn (DB) ultrasonic inspections in maintenance procedures for wheelset axles with a bore hole are, to the greatest possible extent, carried out using automated ultrasonic inspection system. Although the acceptance levels are in accordance with DIN 27201 part 7, the testing results have shown in recent years that in the case of true indications, the effective defect sizes were far below the level of acceptance. Due to this experience it can be assumed that the automated ultrasonic inspection systems are testing substantially more sensitively than required. This increased sensitivity leads to an increase in false indications, generally resulting in the unnecessary demounting of wheelsets. In Research cooperation between Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) and DB the effective flaw detection sensitivity of existing automated ultrasonic inspection system will be determined and the true/false indication ratio optimised. Through systematic investigations with the Probability of Detection method on the existing automated ultrasonic inspection system the results could be directly applied to the optimisation of existing ultrasonic inspections of wheelset axles with a bore hole in maintenance procedures and the level of reliability can be considerably increased.
Im Bereich der optisch angeregten Thermografie haben sich Blitzlampen (impulsförmig-flächige Erwärmung) und Halogenlampen (moduliert-flächige Erwärmung) für die spezifischen Regime Impuls- und Lockin-Thermografie etabliert.
Mittels eines rasternden fokussierten Lasers wird die Flying-spot Laserthermografie z.B. zur Risserkennung (Dauerstrichbetrieb) und die photothermische Materialcharakterisierung (hochfrequent moduliert)implementiert. Durch die Verfügbarkeit neuer Technologien (schnelle und hochauflösende IR-Kameras, brillante innovativer Lichtquellen und performante Datenakquisitions- und Verarbeitungstechnik) wird ein Paradigmenwechsel von den getrennt voneinander stehenden photothermischen und
thermografischen Techniken hin zu einer einheitlichen quantitativen Mess-und Prüftechnik ermöglicht, die schneller und präziser ist. Ähnlich wie ein LED-Array, jedoch mit einer um zwei Größenordnungen höheren Bestrahlungsstärke, steht jetzt eine neuartige brillante Laserquelle, das VCSEL-Array (vertical-cavity surface-emitting laser) zur Verfügung, welches die starke Beschränkung der zeitlichen Dynamik der etablierten Lichtquellen aufhebt und gleichzeitig spektral sauber von der Detektionswellenlänge getrennt ist. Es vereint somit das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch strukturiert vorgenommen werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung ganz neuer thermografischer ZfP-Verfahren.
Optical lock-in thermography is a completely contactless and very sensitive NDT technique. As an optical source of energy, incandescent lamps are most commonly used because they are relatively inexpensive and offer high irradiances at the test specimen. However, they are strongly restricted by their low modulation bandwidth with a maximum modulation frequency of only about 1 Hz. The use of high-power kilowattclass laser sources, e.g. diode laser arrays, pushes this constraint beyond 100 Hz. This allows for the exploration of the near-surface region of metals and layer systems with better and more accurate penetration depth and depth resolution. Moreover, these lasers are virtually free of any additional thermal radiation that could interfere with the “true” thermal response emitted from the heated sample. In turn, they can be easily used in a one-sided test configuration. We present current activities with kilowatt-class highpower laser sources for advanced lock-in thermography and focus on the application of laser arrays that offer a very high irradiation strength over a large sample area beyond the mentioned advantages.
Thermografische ZfP-Verfahren erlauben die Erkennung einer Vielzahl von Defekten in unterschiedlichsten Werkstoffen. Neue Ansätze unter Verwendung von Lasern ermöglichen darüber hinaus die Prüfung auf Oberflächenrisse. Wir stellen die neuesten Entwicklungen dieser vielversprechenden Technik vor und zeigen warum deren Einsatz potentiell die Standardprüfverfahren Magnetpulver- bzw. Eindringprüfung für eine Reihe von Prüfproblemen beerben könnte. Hierzu stellen wir die Prüfergebnisse zu unterschiedlichen metallischen Werkstoffen, Rissgrößen und -typen in Abhängigkeit der Prüfparameter vor. Die aktuelle Grenze der Nachweisempfindlichkeit für die mittels klassischer Thermografie schwer prüfbaren hochreflektierenden Metalloberflächen liegt mit Rissbreiten und -tiefen von weni-gen Mikrometern im Bereich der fluoreszierenden Magnetpulver- und Eindringprüfung. Dabei sind weder Verbrauchsmittel noch eine Oberflächenpräparation notwendig und eine Prüfung kann berührungslos und automatisiert über Entfernungen im Meter-Bereich erfolgen.
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.
In this work, we present our results achieved in several research activities for development of distributed fiber optic radiation sensors using glass and polymer optical fibers. The findings show that both the measurement of the radiation-induced attenuation (RIA) along the entire sensing fiber and the accompanying change in the refractive index of the fiber core can be used for distributed radiation monitoring.
In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss der statischen Verkehrsbelastung auf die geringen Durchbiegungseffekte in der Betonkonstruktion einer bestehenden Brücke mittels ortsauflösender faseroptischer Sensoren untersucht. Dabei tragen die Ergebnisse der an der Amsterdamer Brücke 705 durchgeführten Belastungstests wesentlich zum Verständnis des Strukturverhaltens bei. Das Konzept der statischen Belastung basierte auf dem Einsatz von zwei 36-Tonnen-Lastwagen, die an mehreren vorbestimmten Stellen auf der Brücke anhielten. Die auf diese Weise aufgebrachte Last führte zu ortsabhängigen kleinen Durchbiegungseffekten, die als lokale Längsdehnung der an der Unterseite der Brücke integrierten Sensorfaser aufgezeichnet wurden. Die reflektometrischen Messungen beruhten auf dem Prinzip genannt TW-COTDR (Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectometry). Die Messgenauigkeit lag im Bereich von 0,5 µm/m.
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.
Für Ultraschallmessungen in Betonbauteilen wurden neuartige radialsymmetrisch abstrahlende Longitudinalwellenprüfköpfe mit einer Mittenfrequenz von 60 kHz auf deren Eignung hinsichtlich Abstrahlcharakteristik, Empfindlichkeit und Frequenzspektrum untersucht.
Für die Messung der Abstrahlcharakteristiken wurden die Prüfköpfe vertikal und horizontal in Betonzylinder eingebettet und die Richtungsabhängigkeiten der Schallschnelle mithilfe eines Laservibrometers gemessen.
Die Streuung der Prüfkopfempfindlichkeit wurde im Wasserbad unter Verwendung verschiedener Köpfe gleicher Bauart bestimmt. Außer Änderungen der Signalamplituden zeigten sich auch Schwankungen im Frequenzbereich bei verschiedenen Sender-Empfängerkombinationen.
Die Schallschwächung des Betons hat Einfluss auf die erreichbare Auflösung der Messungen und damit auf die maximal möglichen Senderabstände im Bauteil. Durch experimentelle Untersuchungen und Simulationen erfolgte eine Optimierung der Abstände hinsichtlich des Aufwandes und der geforderten Auflösung. Die Signalschwächung im Beton wurde mit verschiedenen Impulsen im Frequenzbereich von 50 kHz bis 100 kHz in Abhängigkeit verschiedener Bewehrungsgrade und Korngrößen ermittelt. Hierfür wurden die Sensoren in unterschiedlichen Abständen in die Probekörper einbetoniert und die Empfangssignale hinsichtlich Amplitudenabfall und Frequenzspektrum untersucht.
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.
Die Simulation von Ultraschallausbreitung ist ein wesentliches Hilfsmittel zur Optimierung von Prüfanordnungen und wird zunehmend in der Prüfvorbereitung eingesetzt. Eisenbahnschienen sind Bauteile mit komplexer Geometrie und im eingebauten Zustand eingeschränkter Zugänglichkeit. Bei der Prüfung im Feld entstehen aus der Schienengeometrie komplexe Echosignale mit Formanzeigen, die schwer zu interpretieren sind.
Für das bessere Verständnis der Schallausbreitung in der Eisenbahnschiene wird diese in einem ersten Schritt mit Hilfe verschiedener Ansätze modelliert. Hierbei werden Finite Elemente Methoden und semi-analytischen Modelle verwendet. In einem zweiten Schritt werden die Ergebnisse der Simulationsmodelle einander gegenübergestellt und mit Messungen an realen Schienen verglichen.
Ziel dieser Untersuchungen ist die Validierung von Simulationsverfahren mit Hilfe von Messdatensätzen und Überprüfung der Anwendbarkeit bei der Bewertung von Ergebnissen der Schienenprüfung.
In dieser Arbeit werden geschweißte Platten aus dem Feinkornstahl P460NL1 untersucht. Korrosion und Ermüdungsrisswachstum werden als Schadensmechanismen in das Material eingebracht und auf ihre Nachweisbarkeit in Plattenversuchen geprüft. Die Schallemissionssignale wurden nach primären und sekundären Quellmechanismen getrennt und ihr Einfluss auf die Gesamtemission analysiert.
Für eine 10 mm dicke Stahlplatte kann ein Bandpass so gesetzt werden, dass alle vorhandenen Wellenmoden mit derselben Schallgeschwindigkeit eintreffen. Anhand von Ortungsabweichungen und Ortungsunsicherheitswerten kann gezeigt werden, dass im Vergleich zu herkömmlichen Methoden der Quellenortung die Ortungsgenauigkeit durch eine Frequenzfilterung verbessert werden kann.
Das Monitoring von Bauteilen bei Ermüdungsbelastung mit Hilfe der Schallemission liefert eine große Anzahl an Schallemissionsdaten und –parametern. Um diese in einen Zusammenhang mit dem Schadenszustand des Bauteils zu bringen ist es sinnvoll, einen Bezug zu bekannten bruchmechanischen Kenngrößen herzustellen. Dies wird in dieser Arbeit anhand von Ermüdungsversuchen an Platten aus dem Feinkornstahl P460NL1 versucht. Schallemissionssignale aus Ermüdungsrissen mit und ohne Korrosionseinfluss werden analysiert und mit bekannten bruchmechanischen Kenngrößen wie der Risswachstumsrate und dem Spannungsintensitätsfaktor verglichen.
Die Prüfung von anisotropen Schweißnähten auf Querfehler stellt auch heute noch eine Herausforderung für die Ultraschallprüfung dar. Das gilt insbesondere für das Auffinden kleiner rissartiger Fehlstellen in einer unbeschliffenen Wurzel. Ursachen dafür sind zum einen das ausgeprägte Beugungs-, Streuungs- und Reflexionsverhalten solcher Nähte und zum anderen die störenden Formanzeigen aus dem Wurzelbereich, die sicher von den Fehlstellen unterschieden werden müssen, um Fehlinterpretationen bei der Bewertung der Anzeigen zu vermeiden.
In der vorliegenden Arbeit werden an einer 85 mm dicken und 6 bis 10 mm breiten Engspaltschweißnaht mit stängelkristalliner Struktur rissartige Testfehler in Form erodierter Nuten untersucht. Die 2 und 4 mm tiefen Nuten sind mit 5 mm Länge kürzer als die Wurzelbreite. Die Wurzel ist nicht beschliffen und hat eine Überhöhung von ca. 2 mm. Ziel ist es, die Fehlstellen von den Form- und Gefügeanzeigen
zu unterscheiden und sicher zu detektieren. Eine Größenbestimmung ist
nicht vorgesehen.
Durch den Einsatz der Gruppenstrahlertechnik ist es möglich, optimale Einschallparameter zu finden, mit denen diese Aufgabe gelöst werden kann. Es werden zwei azimutal schwenkende lineare Gruppenstrahlerprüfköpfe mit Vorsatzkeil in SE-Technik verwendet, die so auf beiden Seiten der Schweißnaht angeordnet sind, dass sich ihre Schallfelder unabhängig von der Einschallrichtung in der Schweißnahtwurzel überlagern. Damit ist es möglich, optimale Einschallwinkel für das Prüfproblem zu finden und in einer Prüffahrt gleichzeitig in beiden Einschallrichtungen längs der Schweißnaht zu prüfen.
Investigations on weldability often deal with hot cracking as one of the most prevalent failure mechanisms during weld fabrication. The modified varestraint transvarestraint hot cracking test (MVT) is well known to assess the hot cracking susceptibility of materials. The shortcoming of this approach is that the information is only from the very near surface region which inhibits access to the characteristic of the hot crack network in the bulk. Here, we report about an alternative approach to monitor the entire 3D hot crack network after welding by means of microfocus X-ray computer tomography (µCT). However, to provide sufficient high spatial resolution small samples must be sectioned from the MVT-welded joint. The sampling is accompanied by local relaxation of the residual stress distributions that are induced by welding, which can have an impact on the crack volumes prior to the sampling. The studies were carried out to investigate the hot cracking susceptibility of low transformation temperature filler materials (LTT). As high compression residual stresses up to -600 MPa in the area of the crack networks were determined by means of the contour method, stress relaxation caused by sectioning for µCT sample extraction can affect the detectability of the cracks later on. X-ray diffraction studies revealed surface residual stress relaxations up to about 400 MPa due to cutting. To investigate this effect, the specimens with hot cracks were subjected to a load test with known stress states. The results clearly show that local stress relaxations will have a strong impact on the volume images reconstructed from tomography analysis. This effect must be considered during hot crack assessment on basis of µCT data.
Fault detection for linear parameter varying systems under changes in the process noise covariance
(2020)
Detecting changes in the eigenstructure of linear systems is a comprehensively investigated subject. In particular, change detection methods based on hypothesis testing using Gaussian residuals have been developed previously. In such residuals, a reference model is confronted to data from the current system. In this paper, linear output-only systems depending on a varying external physical parameter are considered. These systems are driven by process noise, whose covariance may also vary between measurements. To deal with the varying parameter, an interpolation approach is pursued, where a limited number of reference models – each estimated from data measured in a reference state – are interpolated to approximate an adequate reference model for the current parameter. The problem becomes more complex when the different points of interpolation correspond to different noise conditions. Then conflicts may arise between the detection of changes in the eigenstructure due to a fault and the detection of changes due to different noise conditions. For this case, a new change detection approach is developed based on the interpolation of the eigenstructure at the reference points. The resulting approach is capable of change detection when both the external physical parameter and the process noise conditions are varying. This approach is validated on a numerical simulation of a mechanical system.
A new patented dynamic mechanical analysis (DMA) is presented, where the tensile, bending- or torsional stiffness of a media can be characterized in-situ during the phase transition from liquid to solid. An epoxy system, e.g. Hexion L285/H287, is filled into an elastomer container, such as a silicone tube. This can be mounted into a conventional OMA and, based on a linear viscoelastic approach, the storage modulus (E';G'), the loss modulus (E'';G'') and the loss angle tan(δ) can be measured at constant temperature as a function of time in order to investigate the liquid to sol-gel to solid transition. With this new method, the stiffness increase as a result of the cure process can be directly measured more precisely than with a rheometer in a shear plate set-up, because using an elastomer container gives a defined cross section for calculating the Young's modulus.
A shell test bench was developed at BAM 5.3 which allows for static and fatigue testing of curved fiber-reinforced plastic (FRP) structures, during which in-situ the damage state can be non-destructively inspected by thermography and strain-field measurement techniques. Sandwich shell specimens with typical wind turbine blade manufacturing defects were designed and tested. The tested imperfections show a fairly significant reduction (up to 90%) of the shell test specimens‘ lifetime, depending on the type of imperfection. Using the in-situ NDT methods incorporated in the shell test bench, the location and cycle time of the initial defects and the damage evolution was investigated.
Sandwich-Schalenstrukturen in situ charakterisiert mit Thermographie und Felddehnungsmessungen
(2018)
An der BAM wurde ein Schalenprüfstand entwickelt, mit dem typische Sandwichschalenstrukturen unter simulierter Betriebsbeanspruchung belastet werden können. Im mechanischen Ermüdungsversuch wurden in situ die Entstehung von Schäden in Schalenprüfkörpern mit Test-Imperfektionen mittels der passiven Thermographie und Felddehnungsmessungen verfolgt. Damit konnten der Zeitpunkt, der Schadensursprung und der Schadensfortschritt zerstörungsfrei bestimmt werden. Zudem wurden vergleichend Schalenprüfkörper mit Luftultraschall und der Röntgen-Laminographie untersucht. Im Rahmen eines BMWi-Forschungsvorhabens wurden die Schädigungsmechanismen evaluiert und Empfehlungen für die Praxis der Fertigung von Rotorblättern abgeleitet. In diesem Beitrag wird sich auf die Darstellung der ZfP-Verfahren und der ZfP-Ergebnisse konzentriert.
Carbon Fibre Reinforced Plastics (CFRP) are more and more used in modern civil aircrafts. These days the whole fuselage is made of this material (B787; A350). Due to strict certification standards the normal in-service loading gives a low stress level compared to the static and even the fatigue strength of the material. Hence CFRP are assumed to have an infinite life. To evaluate this assumption, fatigue tests on CFRP-specimens were performed up to 108 load cycles and the first inter-fibre failure was evaluated non-destructively by accompanying Xray-refraction topography. A tensile testing machine was integrated in a small angle X-ray scattering (SAXS) setup. X-ray refraction topography was performed while the CFRP samples were tensile loaded. This non-destructive technique enables the detection of micro-cracking and inter-fibre failure especially for CFRP. For Glass Fibre Reinforced Plastic (GFRP) X-ray refraction and in-situ loading has already been successfully used. The increase of inner surfaces due to inter fibre failure was measured as a function of the stress state. Fatigue tests were performed at and below the limit of inter-fibre failure strength. State of the art is to assume the failure of the samples under cyclic loading as the fatigue life. Accompanying non-destructive X-ray refraction measurements reflects the damage state and enables to trace its evolution even if the total failure of the specimens does not occur. This investigation technique is of high interest to give the engineer a design value of infinite life which is practically often reached due to knock down factors of certification standards. Finally the infinite life was found for cyclic fatigue loaded CFRP-samples even under high inter fibre transverse and shear loading investigated up to 108 load cycles.
Proben mit einer Mittelkerbe aus Polyamid 66 mit 35% Gewichtsan-teil an Kurzglasfaser (PA-GF35) wurden im Spritzgießverfahren hergestellt und in einem ungeschädigten und durch Schwingbeanspruch geschädigten Zustand mittels Röntgenverfahren charakterisiert. Sowohl die Faserorientierungsverteilung als auch die Riss-/Mikrorissbildung wurden mit der Röntgenrefraktionstopographie in einem SAXS-Aufbau und dem Diffraction-Enhanced-Imaging am Synchrotron (BESSY II) analysiert. Beide Verfahren spiegeln in guter Übereinstimmung die Charakteristiken dieser Werkstoffklasse in Bezug auf die Fertigungsqualität und die Schädigungsme-chanismen wider.
Nach 1850 wurde zur weiteren Herabsetzung der Einbrenntemperatur von Glasmalfarben Borax (Na2B4O7 · 10 H2O) zugesetzt. Das Verhältnis war nun 1 Teil SiO2, 3 Teile PbO und 0,5 Teile Borax. Der analytische Nachweis von Bor in eingebrannten Malschichten war bisher jedoch nicht möglich.Daher wurden in Laborversuchen Glasmalfarben mit unterschiedlichem Gehalt an Borax auf Modellgläser aufgetragen, eingebrannt und anschließend unter simulierten Umweltbedingungen zeitraffend im Klimaschrank bewittert.
Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Untersuchungen können Malschichten charakterisiert werden und somit Hinweise auf mögliche Schadensursachen liefern. Erste Versuche zum Nachweis von Bor erfolgten mit Hilfe von LIBS-Messungen (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) an im Labor hergestellten Glasmalfarben mit unterschiedlichem Boraxgehalt.
Damage caused by stress concentrations in the complex mesoscopic geometry of concrete leads to continuous stress redistribution over the material’s life time. The presented fatigue damage model
captures this by resolving each load cycle in a cycle-by-cycle time integration. The model extends a static damage model to failure caused by the (time dependent) strain amplitudes and, thus, allows calibrating the majority of the material’s parameters in static experiments.
Unter zyklischen Belastungen findet im Beton, wie bei anderen Materialien auch, ein Ermüdungsprozess statt, der letztlich im Versagen des Materials enden kann. Im derzeitigen Erkenntnisstand zum Materialverhalten des Betons gibt es gerade bei dessen Ermüdungsverhalten noch viele nicht oder nicht ausreichend geklärte Fragestellungen. Deshalb wurde in Laborversuchen das Ermüdungsverhalten von Beton unter Druckschwellbeanspruchungen untersucht. Im Fokus dieser Untersuchungen standen dabei die während der Lebensdauer im Materialgefüge ablaufenden Prozesse, die zur Schädigung des Gefüges und schließlich auch zum Ermüdungsversagen führen können.
In den Ermüdungsversuchen wurden versuchsbegleitend Dehnungsmessungen, Ultraschall-Laufzeitmessungen und Schallemissionsmessungen an den Proben zur Erfassung der Schädigungsevolution eingesetzt. Die Schallemissionsmessung ist dabei ein wichtiges Instrument, da sie die Rissentwicklungsprozesse detektiert, die die Ursache für die Materialschädigung sind. Mit ihr konnten die unterschiedlichen Phasen der Rissentwicklungen über die gesamte Lebensdauer der Betonproben festgestellt werden. Diese Phasen sind gekennzeichnet durch sich stabilisierende, stabile und instabile Rissprozesse, die entsprechende Auswirkungen auf das Materialverhalten haben. Ein Vergleich mit den Ergebnissen der anderen Messtechniken zeigt den entsprechenden Einfluss der Rissentwicklungen auf die Materialeigenschaften des Betons.
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.
In this paper, a nonlinear three-dimensional finite element (FE) model was developed and validated to study the effect of seismic damage location on the response of concrete filled tube (CFT) columns at fire after earthquakes. Three analyses were conducted consecutively in the modelling, namely, cyclic, thermal and structural. Results of the cyclic loading analysis comprising residual deformations were applied as the Initial condition to the thermal-stress model, replicating the seismic performance of column.
Following, a nonlinear sequentially coupled-thermal stress Analysis was carried out to investigate the fire response of CFT columns after the seismic event. Three damage scenarios were contemplated, considering any possible potential damages that could be generated by the earthquake loading on CFT columns. The accuracy of the proposed FE model was examined by comparing the numerical results with that of available tests on fire and cyclic loading. By means of the validated model, the performance of damaged CFT columns was then investigated under fire after earthquakes. The level of damage was assumed as a high damage level, presuming that the column reached 50% of ist lateral resistance while still maintaining its overall stability after the earthquake. The results were presented broadly, including the axial deformation history as well as the fire resistance time for CFT columns. To have a comprehensive insight on the influence of damage location in columns, the fire response of damaged specimens was compared with that of an intact one.
In kerntechnischen Anlagen werden Revisionszeiträume genutzt, um unter anderem Anlagenteile nach dem Stand der Technik zu ertüchtigen und um Nachrüstungsmaßnahmen zur Erhöhung der Betriebssicherheit durchzuführen.
Solche Anlagenteile werden häufig mittels Dübelplatten befestigt. Die Dübel sind in Stahl-betonbauteile einzubringen, die kraftwerkstypisch mit dichter Bewehrung versehen sind. Zerstörungsfreie Untersuchungen zur genauen Ortung bewehrungsfreier Orte sind hierzu erforderlich. Bei dieser vermeintlich einfachen Prüfaufgabe wurde deutlich, dass in der Praxis Bedarf an verbesserter Anwendungssicherheit der zur Verfügung stehenden ZFP-Verfahren besteht, die eng mit der Ausbildung von Prüfern verbunden ist. Dieser Beitrag berichtet über die
bislang im Bereich ZfPBau erstmalig umgesetzte Strategie aus
Verfahrensanweisung und Schulung zur zuverlässigen Ortung von Bewehrung an Stahlbetonbauteilen. Sie kann als Muster für weitere ZfPBau-Schulungen zur zuverlässigen Anwendung der Verfahren dienen.
Bereits seit vielen Jahren stehen Anwendern der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen (ZfPBau) zuverlässige Geräte für Radar-, Wirbelstrom- und Ultraschallmessungen an Betonbauteilen zur Verfügung. Doch erst die Kombination dieser drei Verfahren an einer Messfläche erlaubt den maximalen Informationsgewinn über die innere Konstruktion von Stahlbeton- und Spannbetonbauteilen. Mit dem OSSCAR-Bauwerkscanner wurden diese drei Verfahren erstmals zur kombinierten
und automatisierten Datenaufnahme an einem Scannerrahmen und unter einer Software vereint. Die Ergebnisse werden bildgebend in frei wählbaren Schnitten dargestellt, was eine Rekonstruktion von Bauteilen erlaubt, für die keine Planunterlagen vorliegen.
ZfPStatik bezeichnet die Verwendung von statistisch bewerteten Messergebnissen, die mit zerstörungsfreien Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau) gewonnen werden und in statischen Berechnungen zum Nachweis der Tragfähigkeit verwendet werden. Dazu ist die Ermittlung der Messunsicherheit der Versuchsdaten auf der Basis des GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) der erste Schritt. Der statische Nachweis erfolgt durch Grenzzustandsgleichungen, die im Bauwesen angewandt werden. Diese müssen modifiziert werden, so dass jede Messgröße als Zufallsvariable in der Grenzzustandsgleichung vorhanden ist. Der statische Nachweis erfolgt mit probabilistischen Berechnungsmethoden aus der Zuverlässigkeitstheorie. Diese Vorgehensweise wird exemplarisch für den Standsicherheitsnachweis eines Plattenbalkenquerschnitts einer Stahlbetonbrücke auf Biegung angewandt. Auf die möglichen Schlussfolgerungen aus den probabilistischen Berechnungen wird abschließend kurz eingegangen.
The development of high energy laser sources enables single-pass welds of thick plates up to 30 mm, but often additional materials are needed to influence the properties of the weld seams. However, the homogenous distribution of filler materials in form of e.g. electrodes is only possible up to 7 mm while the elements are only traceable up to a depth of 14 mm. To overcome this problem a two-step process is used where first the edges of the weld partners are coated with the filler material by laser metal deposition (LMD) and afterwards are welded by laser beam. Single-pass welds with electromagnetic weld pool support of 30 mm thick S355 J2+N-plates with austenitic AISI 316L-coatings were investigated as well as the influence of the coatings to the penetration depth of the laser beam without electromagnetic weld pool support in double-sided joints. The weld seams were tested by X-ray inspection and cross sections.
Almost all building materials in civil engineering have an open porosity and interact with or are affected by the environmental conditions. Structures might suffer from effects such as moisture adsorption, carbonation, corrosion, penetration of salt ions and chemical substances, etc. In the hygroscopic range, these processes are mostly driven by diffusion. Due to the confinement of small pores (< 1 µm), the Knudsen effect reduces the molecular diffusion. This reduction can become more significant in case of temporal changing pore systems because of physisorption of water vapor, carbonation, or chemisorption.
In this study, unstabilised earth blocks and earth masonry are investigated. In a first step, the pore size distribution of the blocks is measured and sorption isotherms are recorded in experiments. Besides the ordinary physisorption, the involved clay minerals undergo swelling or shrinking due to chemisorption. The following two effects must be considered: first, the reduction of the available pore space by the adsorbed water layer. For this, the Hillerborg sorption theory is used, which is a combination of the well-known Brunauer-Emmett-Teller sorption theory and the Kelvin equation. This allows the computation of adsorbed water layers even in curved pore geometries. Second, the variation of the initial pore size distribution due to chemisorption needs to be modelled. Based on these two models, the effective diffusion coefficient can be predicted. For validation, arrays of relative humidity sensors were embedded into a free-standing earth masonry wall. This monitoring was carried out over more than a year to have a broad variety of environmental conditions and was located in Berlin, Germany.
The prediction of the effective diffusion coefficient can also be transferred to other processes and allows the investigation of materials having temporarily changing pore systems. Examples are the carbonation of cementitious materials, alkali silica reaction, calcium leaching of long-lasting structures, etc. This effect becomes most prominent in the meso-pore range and might alter the effective diffusion coefficient by more than 100 %.
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%.
Introduction of a monitoring system for Bingham fluids in additive manufacturing with concrete
(2022)
Freeform additive manufacturing of concrete structures is a rising technology in civil engineering with several fascinating advantages. Nonetheless, to ensure reliability and structural integrity, standards and quality control are required in the future to bring this technology into the market. As the concrete is manufactured continuously, continuous quality control of the printing process is also required, i.e. comprehensive process monitoring. At BAM, a test rig will be installed, enabling the printing of concrete structures with a maximum size of 2 m x 1 m x 1 m (l x w x h). Here, process monitoring is the focus of the test rig. In this study, we show the results of the first pump tests, including the measurement of several parameters such as temperature and pressure along the supply system, i.e. from the concrete pump to the printer head.
Measurement of spontaneous magnetic stray field signals has been reported to be a promising tool for capturing macro-scale information of deformation states, defects and stress concentration zones in a material structure. This paper offers a new method for self-magnetic leakage field detection using a magneto-optical (MO) hand-held microscope. Its sensor has a dynamic field range between ±0.05 and ±2 kA/m and a lateral optical resolution of approx. 10 µm. We examined flat tensile test specimens of metastable austenitic steel AISI 304. Static tensile tests were repeatedly interrupted at various predetermined states of strain and the magnetic information was measured by the MO system. Comparative measurements using a high-precision magnetic field GMR-sensor, verify the outstanding capability of the MO microscope regarding spatial resolution of magnetic fields.
Impact of gamma radiation on transmission of a commercial Cytop polymer optical fibre (Lucina, Asahi Glass Company) is investigated. Spectral dependence of radiation induced attenuation in the investigated fibre is measured in the VIS-NIR spectral region. Besides attenuation increase, radiation is found to increase fibre susceptibility to water as well. While pristine Cytop fibre is rather humidity insensitive, strong humidity related absorption in the NIR region is observed after fibre irradiation. Selective irradiation of separate fibre sections is proposed as a way of fibre humidity sensitization and quasi-distributed water detection is demonstrated using optical time domain reflectometry at 1310 nm.
Radiation induced attenuation in perfluorinated polymer optical fibres for dosimetry applications
(2016)
Real-time measurement of radiation-induced attenuation (RIA) in a commercial perfluorinated polymer optical fibre (PF-POF) is performed with regard to on-line Radiation monitoring purposes. Spectral character and dose dependence of fibre’s RIA is measured in 450-900 nm spectral region. Fibre exhibited high radiation sensitivity in the visible region with strong increase towards the UV wavelengths. Good linearity and high sensitivity reaching up to 130 dBm-1/kGy was demonstrated in the VIS region for a low-dose range. This of-the-shelf PF-POF could be therefore interesting for on-line remote dosimetry applications.
Selecting a welding process for a given application is crucial with respect to the sustainability of part manufacturing. Unfortunately, since welding processes are evaluated by a number of criteria, preferences for one or the other process can be contradictory. However, the prevalent procedure of weight assignment for each criterion is subjective and does not provide information about the entire solution space. From the perspective of a decision maker it is important to be able to assess the entire set of possible weightings and answer the question which welding process is optimal for which set of weights. This issue is investigated by means of a weight space partitioning approach. Two welding processes are considered with respect to three criteria that reflect their economic and environmental performance. In order to find the most sustainable welding process the underlying weight space partition is evaluated.
Electromagnetic waves with frequencies between 0.1 and 10 THz are described as THz-radiation (T-ray). The ability to penetrate dielectric materials makes T-rays attractive to reveal discontinuities in polymer and ceramic materials. THz-Time Domain Spectroscopy Systems (THz-TDS) are available on the market today which operates with THz-pulses transmitted and received by optically pumped semiconductor antennas. In THz-TDS the travelling time (ToF) and shape of the pulse is changed if it interacts with the dielectric material and its inherent discontinuities.
A tomogram of the object under the test can be reconstructed from time of flight diffraction (ToFD) scans if a synthetic focusing aperture (SAFT) algorithm is applied. Otherwise, planar discontinuities like cracks in plastics or delaminated layers in composites can be abstracted as layers located at any angle in relation to the outer sample surface direction. A tomogram from the scanned sample can then be reconstructed in case the interactions of electromagnetic pulses with the existing inherent interfaces are detectable and a model is assumed which describes the device under the test as multilayer structure composed of thin layers with different dielectric properties.
A short description of both the SAFT – and Optical Layer algorithm for the reconstruction of the inherent structure is initially given. Measurements on representative samples with a variety of artificially produced small and large scale. Reconstructed tomograms are presented to discuss and evaluate the benefits and limits of the two different reconstruction approaches.
Obwohl THz-TDS-Systeme vielfältige Qualitätsparameter von Dielektrika ermitteln können, ist deren industrielle Nutzung im Bereich der zerstörungsfreien Bauteilprüfung noch nicht anerkannter Stand der Technik. Ein pragmatischer Weg, TDS-Systeme neben traditionellen Prüfverfahren zu etablieren, sind systematische Untersuchungen an Modellbauteilen, mit dem Ziel einer Methodenentwicklung zur zuverlässigen berührungslosen Prüfung von Dielektrika. Anhand von THz-TDS-Messungen an Polyethylen-Testkörpern mit künstlich eingebauten Fehlstellen werden anfänglich die Möglichkeiten der Laufzeitmessung zur Ermittlung von Tiefenlagen von Ungänzen in Testkörpern präsentiert. Im weitern Teil wird gezeigt, wie durch eine veränderte Versuchsdurchführung und Verwendung eines modifizierten SAFT-Rekonstruktions-Algorithmus Tomogramme berechnet werden können, in denen die künstlich eingebrachten Fehlstellen hinsichtlich ihrer Größe und Lage geometrisch richtig dargestellt werden.
For the determination of safety characteristics of gases, vapors and dusts different types of ignition sources are used in international standards and guidelines. Table 1 compares technical relevant ignition sources with their main features. The paper presents test results of a comparative calorimetric and visual study between four different types of ignition sources. The ignition procedures were analyzed visually with a high-speed camera and electric recordings. In addition to that, the influence of the electrode-orientation, -distance as well as ignition energy on the reproducibility of the exploding wire igniter was tested.
The exploding wire is already in use for standardized determination of safety characteristics of gases, first tests on the suitability of the exploding wire igniter for dust testing have been carried out by Scheid et al. Using the exploding wire, the ignition energy can be varied from 2 to 10 000 J (2 x 5 000 J) and thus it could be used for gases, vapors, dusts and hybrid mixtures. Moreover it can be used at high initial pressures and it is the only ignition source with an easily measurable ignition energy release. Furthermore, it does not introduce another chemical reaction into the system.
Finally, a proposal for a standard ignition source for explosion tests on hybrid mixtures is derived from the test results.
Im vergangenen Jahrzehnt sind gitterinterferometrische Röntgenabbildungen zunehmend in den Fokus des Interesses gerückt. Sie sind insbesondere dann Vorteil, wenn der in der Standardradiographie erreichbare Kontrast nicht genügt, schwach absorbierende Mikro- und Nanostrukturen abzubilden.
Auf Kosten mehrerer Aufnahmen gestattet die Talbot-Lau Gitterinterferometrie, die Beiträge aus Absorption, Refraktion und (refraktiver) Streuung zu trennen. Dazu werden die Störungen der Interferenzmuster von Phasengittern ausgewertet. Im Gegensatz zu einer Vielzahl anderer refraktionsbasierter Abbildungsmethoden kann diese Technik mit konventionellen Röntgenröhren (mit divergenter, polychromatischer Strahlung) angewendet werden. Damit ist die Technik geeignet, typische ZfP-Fragestellungen zu lösen.
Hier stellen wir Untersuchungen zur Effizienz von Phasengittern vor. Die Visibilität (d.h. die Höhe der Oszillation im Interferenzmuster) wird als Funktion verschiedener geometrischer Parameter verfolgt. Eine Rotation um die Achse parallel zu den Gitterstegen ändert die Form des Gitterprofils (d.h. die Verteilung der Phasenschiebungen). Die kontinuierliche Variation des Winkels und des Detektionsabstandes führt zur Identifikation von ausgezeichneten Kombinationen mit maximaler Visibilität, wobei die Abstände deutlich geringer sind als im Standardaufbau mit senkrechter Gitterbestrahlung.
Unsere Studie umfasst Simulationen für monochromatische Quelle und den Vergleich zu experimentellen Ergebnissen mit der Synchrotronstrahlung.
In der Literatur wurden die Vorteile der Talbot-Lau Interferometrie für die zerstörungsfreie Prüfung von Faserkompositen und Verbundwerkstoffen demonstriert. Hier werden als Beispiele Messungen an Aluminiumtitanat (Al2TiO5) Pulver gezeigt.
Grating interferometric set-ups have been established in the last decade. They are promising candidates to obtain enhanced image contrast from weakly absorbing micro and nano structures. They are based on X-ray refraction and near-field diffraction using the Talbot effect.
At the expense of taking multiple images, Talbot-Lau grating interferometry allows separating the absorption, refraction, and scattering contributions by analysing the disturbances of a phase grating interference pattern. Contrary to other refraction enhanced methods, this technique can be applied using conventional X-ray tubes (divergent, polychromatic source). This makes it attractive to solve typical non-destructive testing problems.
We investigated the efficiency of phase gratings, i.e. the visibility (the amplitude of oscillations) upon variation of propagation distance and phase grating rotation around an axis parallel to the grid lines. This grating rotation changes the grating shape (i.e. the distributions of phase shifts). This can yield higher visibilities than derived from rectangular shapes.
Our study includes experimental results obtained from synchrotron radiation, as well as simulations for monochromatic radiation. The advantages of Talbot-Lau interferometry are demonstrated at the example of glass capillaries.
Grating interferometric set-ups have been established in the last decade. They are promising candidates to obtain enhanced image contrast from weakly absorbing micro and nano structures. They are based on X-ray refraction and near-field diffraction using the Talbot effect.
At the expense of taking multiple images, Talbot-Lau grating interferometry allows separating the absorption, refraction, and scattering contributions by analysing the disturbances of a phase grating interference pattern. Contrary to other refraction enhanced methods, this technique can be applied using conventional X-ray tubes (divergent, polychromatic source). This makes it attractive to solve typical non-destructive testing problems.
We investigated the efficiency of phase gratings, i.e. the visibility (the amplitude of oscillations) upon variation of propagation distance and phase grating rotation around an axis parallel to the grid lines. This grating rotation changes the grating shape (i.e. the distributions of phase shifts). This can yield higher visibilities than derived from rectangular shapes.
Our study includes experimental results obtained from synchrotron radiation, as well as simulations for monochromatic radiation. The advantages of Talbot-Lau interferometry are demonstrated at the example of glass capillaries.
Grouting is a universal repair and strengthening technique, which is constantly used for structural remediation of concrete components, trenches, mine subsidence, dam joints, restoration of masonry structures, and geological stabilizations. Having an extremely small particle size of only few microns, ultrafine cements are ideal for grouting applications due to their superior permeability and compressive strength properties of the hardened cement paste compared to that of the less-expensive, but coarser ordinary Portland cements. Supplementary cementitious materials (SCMs) are often used to replace ultrafine cement in order to modify certain properties and to reduce costs. The aim of this experimental study is to investigate the effect of three supplementary materials: microsilica (MS), fly ash (FA), and metakaolin (MK) on the workability, and mechanical properties of an ultrafine cement based grout with a constant water-binder ratio and constant superplasticizer content. Maximum percentages of replacement with ultrafine cement were 6% by volume of cement for MS and 16% for FA, and MK. In general, results suggest that the workability is improved by addition of FA, whereas is reduced, when modified with MS and MK. The compressive strength of grout after cement replacement remains comparable to that of pure cement grout. However, there is a tendency of the MS to positively affect the compressive strength opposite to FA, whereas flexural strength is positively affected by FA. Based on the results, it is evident that grouts with Hägerman cone flow more than 500 mm and compressive strength of more than 90 MPa after 28 days can be produced.
Superplasticizer and Shrinkage Reducing Admixture Dosages for Microfine Cement in Grout Systems
(2019)
Grouts have numerous applications including crack repair as maintenance in construction industries. Microfine cements are intensively used for high strength mortar and grout products. They are ideal for injection grouting in structural repair. Such grouts should have suitable rheological properties to be injectable, especially those used in repair and rehabilitation. The use of superplasticizers (SP) in these products is thus becoming increasingly crucial to achieve favorable workability and viscosity properties. A difficulty in such grouts is the plastic shrinkage due to finer particles used. It is thus necessary to determine optimum SP and shrinkage reducing admixture (SRA) dosages for a microfine cement based grout. In this study, a saturation dosage was decided from two Polycarboxylate ether (PCE) based SPs in relation to neat cement using slump flow and rheological parameters. A range of grout mixtures was formulated containing micro silica (MS) and fly ash (FA), and tested for suitable rheological and mechanical parameters. Based on the results, a grout mixture with MS and FA was selected to determine optimum SRA content. According to the results, a SP dosage of 3% by weight of neat cement is sufficient to achieve saturation. The grout material including MS and FA can produce comparable properties to neat cement grout. MS is found to improve compressive strength within the range considered, whereas a higher FA content provides favourable rheological properties. Finally, a SRA dosage of 4%, which could reduce the shrinkage by about 43% after 28d days, is determined for the grout system.