Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Filtern
Erscheinungsjahr
Dokumenttyp
- Forschungsbericht (246) (entfernen)
Schlagworte
- Korrosion (7)
- Hochfester Stahl (6)
- Stahlbetonbalken (6)
- Biegeversagen (5)
- Stoßbeanspruchung (5)
- Alkali-Kieselsäure-Reaktion (4)
- Betonfahrbahndecke (4)
- Dangerous goods (4)
- Gefahrgut (4)
- Prüfmethode (4)
Organisationseinheit der BAM
- 6 Materialchemie (14)
- 7 Bauwerkssicherheit (9)
- 9 Komponentensicherheit (9)
- 6.1 Oberflächen- und Dünnschichtanalyse (8)
- 4 Material und Umwelt (7)
- 5 Werkstofftechnik (6)
- 7.1 Baustoffe (5)
- 9.4 Integrität von Schweißverbindungen (5)
- 5.2 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe (4)
- 6.3 Strukturanalytik (4)
- 6.7 Materialsynthese und Design (4)
- 7.6 Korrosion und Korrosionsschutz (4)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (4)
- 4.1 Biologische Materialschädigung und Referenzorganismen (3)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (3)
- 4.2 Material-Mikrobiom Wechselwirkungen (2)
- 6.6 Physik und chemische Analytik der Polymere (2)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (2)
- 9.0 Abteilungsleitung und andere (2)
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (1)
- 1.4 Prozessanalytik (1)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (1)
- 3.2 Gefahrguttanks und Unfallmechanik (1)
- 4.3 Schadstofftransfer und Umwelttechnologien (1)
- 4.5 Kunst- und Kulturgutanalyse (1)
- 5.1 Mikrostruktur Design und Degradation (1)
- 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse (1)
- 5.5 Materialmodellierung (1)
- 6.5 Synthese und Streuverfahren nanostrukturierter Materialien (1)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (1)
- 8.5 Röntgenbildgebung (1)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (1)
- 9.2 Versuchsanlagen und Prüftechnik (1)
Für eine Beurteilung sind Versuche an bauteilähnlichen Proben mit praxisnahen Störstellen gefahren worden. Dabei wurden die Differenzen zwischen der Temperatur am Übergang vom zähen zum spröden Bruchverhalten der Störstelle im Bauteil und der Übergangstemperatur der ISO-Spitzkerbprobe im Kerbschlagbiegeversuch ermittelt.
1. Einleitung zur Tragfähigkeitsbeurteilung von Bauteilen aus Stahl. 2. Allgemeine Überlegungen. 3. Die Anwendung der Methode des Temperaturvergleiches auf geschweißte Bauteile aus R St 37-2 N. 4. Bemerkenswerte Beobachtungen bei den durchgeführten Untersuchungen und Hinweise zu ihren Deutungen. 5. Proben, Versuchseinrichtung und Versuchsdurchführung. 6. Versuchsergebnisse. 7. Zur Beurteilung der Sprödbruchgefahr geschweißter Stahlkonstruktionen mit Hilfe des Temperaturvergleiches.
Tensile testing according to EN 10002-1 is one of the basic mechanical tests to characterise the mechanical properties of metallic materials. This testing procedure has been regularly under development for many decades in order to modify and amend it and to bring it up to an up to date standard. Today tensile testing for quality control in metals manufacturing industry is routinely performed automatically with computer controlled testing machines. Due to economical needs of industry proposals were made by a European Standard Committee to amend the standard EN 10002-1. A European research project with the acronym TENSTAND was started to validate the proposed modifications of the tensile testing standard. The work package 4 of the project was to validate the machine control characteristics. A comparison test program was started with ten partners, 4 test piece geometries and 3 test parameters for 6 materials, partly with upper and lower yield strength and partly with 0.2 % proof strength to compare experimental results according to the proposal to modify the standard EN 10002-1. Initially testing in the strain control mode was introduced as well as switching of the control mode to crosshead control 1 and switching of the testing speed at appropriate points during the test. The comparison test was evaluated statistically and scientifically. The following conclusions were derived from the comparison test and summarised as recommendations to the standard committees. The scatter of the material properties were not significantly reduced by introducing the amended testing procedure. Few of the reasons for the continuously observed scattercan be identified as follows: The material properties are observed to be widely dependent on the testing speed. As a consequence the range for the allowed testing speed must be reduced. The closed loop control was not optimised sufficiently in some tests, the use of complicated testing machine software led to misinterpretation of software commands, individual testing equipment and implementation of the tensile testing procedure led also to scatter of the material properties which lay in a range of few percent. This is blurred by the inhomogeneity of the material.
The international research project HYCREF, funded by the European Commission in the 5 th Framework programme, aimed to develop methods to prepare homogenous and stable water-, soiland waste reference materials contaminated with mineral oil hydrocarbons and to test certify the mineral oil content by gas chromatographic methods. As mineral oil products are important sources for environmental contaminations a high need exists for certified reference materials for their determination using the new gas chromatographic methods (soil: ISO/FDIS 16703, waste: ENpr 14039, water: ISO 9377-2). The experimental conditions and results for preparation and characterisation of a total of nine reference materials (3 water-, 3 soil- and 3 waste materials) are described and discussed. Target values for the reference materials were defined at the beginning of the project in order to have clear quality criteria, which could be compared with the achieved results at the end of the project. These target specifications were related to the maximum uncertainty from test certification exercises (< 5 % for soil/waste and < 10 % for water), the maximum inhomogeneity between bottles (< 3 %) and minimum requirements for stability (> 5 years for soil/waste and > 2 years for water). The feasibility studies showed that solid materials (soil, waste) could be prepared sufficiently homogenous and stable. The test certified values of the 6 solid materials comprise a wide range of mineral oil content from about 200-9000 mg/kg with expanded uncertainties between 5.7-13.1 % using a coverage factor k (k = 2). The development of new water reference materials –the so-called “spiking pills” for an offshore- and a land-based discharge water represents one of the most innovative aspects of the project. The spiking pill technology facilitates the application and storage and improves the material stability compared with aqueous materials. Additional to the preparation and test certification of the reference materials investigations on the analytical method for the determination of mineral oil hydrocarbons were performed. The results obtained in relation to the optimisation of analytical method (extraction procedure, sample pretreatment, clean-up and measurement) were provided to the respective working group of ISO/TC 190, ISO/TC 147 and CEN/TC 292 and were incorporated into the ongoing standardisation procedures. The new version of ISO/FDIS 16703 (July 2004) includes the improvements based on HYCREF results, for example the increase of the solvent/sample ratio, the removal of acetone from the organic extracts and the use of column technique instead of batch technique for clean-up.
Die Wirkung von Schwarzpulver und anderen pyrotechnischen Salzen sowie pyrotechnischer Munition bei Brand- und Explosionsversuchen in einem Reihengebäude in Ausblasebauart wurde in unterschiedlicher Anordnung dieser Stoffe und mit verschiedenen Ausblasewänden untersucht. Die Explosionsparameter Druck, Wärmestrahlung und Flammenausbreitung geben Auskunft über die Gefährdung der Umgebung und benachbarter Räume.
Entsprechende Versuche wurden in einem kleinen Stahlmodell (1 m3) durchgeführt, wobei d1e Untersuchung von Einflußgrößen und besonderen Phänomenen der Druckentlastung im Vordergrund stand. Weitere Versuche unter anderen Bedingungen waren z.B. Freifeldmessungen zur Ermittlung von Druckausbreitungsfunktionen. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse wurde diskutiert und sofern möglich mathematisch formuliert.
Für die quantitative Unterscheidung der Lagergruppen 1.3 und 1.4 der Zweiten Verordnung zum Sprengstoffgesetz wurde ein Wärmestrahlungsmeßsystem entwickelt und erprobt, das den vielfältigen Reaktionsmöglichkeilen verpackter pyrotechnischer Gegenstände gerecht wird und daher allgemein verwendbar ist.
Bilanzierung der Schwefelbelastung im Grundwasser an einem ausgewählten Industriestandort, Berlin
(2004)
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist vom Senat für Stadtentwicklung, Berlin, und von der Bundesanstalt für vereinigungsbedingte Sonderaufgaben (BvS) beauftragt worden, die Bilanzierung der Schwefelkomponenten für ein bis drei ausgewählte Grundwasserproben an einem Berliner Industriestandort vorzunehmen. Es handelt sich bei den Boden- und Grundwasserkontaminationen ausnahmslos um industrielle Altlasten. Da der Gehalt an organisch gebundenen Schwefelverbindungen, kolloidalem Schwefel und gelösten Sulfiden für die Dimensionierung von Grundwasseraufbereitungsanlagen (Aktivkohle, Katalysator) von großer Bedeutung ist und am Standort teilweise sehr hohe Schwefelkontaminationen auftreten, sollen vor einem erneuten Ausschreibungsverfahren zur Grundwassersanierung an drei sehr unterschiedlichen, aber für den Standort typischen Grundwassermessstellen entsprechende Bilanzen für die Schwefelbelastung erstellt werden. Dabei sind sowohl die summarischen Kenngrößen wie Summe Gesamtschwefel, ausblasbare (POS) und extrahierbare leicht- und schwerflüchtige organische Schwefelverbindungen und an Aktivkohle adsorbierbare Schwefelverbindungen (AOS) von Interesse, als auch eine Zuordnung der Hauptkontaminationen über ein halbquantitatives GC-MS-Screening. Im Artikel werden die angewendeten Verfahren vorgestellt. Die Ergebnisse werden diskutiert, gegenübergestellt und ihre Belastbarkeit eingeschätzt.
Die in den Abschlussberichten zu den Vorhaben zur Ermittlung der Prüffestigkeit von Flachglas (BAM-161) und zur Tragfähigkeit großer Glasscheiben (BAM-162) dokumentierten Ergebnisse von durchgeführten Balken-Siegeversuchen und Doppelring-Biegeversuchen in Anlehnung an DIN 52303 Teil 1 bzw. DIN 52292 Teile 1 und 2 sowie Biegebruchversuchen an zweiseitig und vierseitig aufgelagerten Scheiben aus vorgespanntem und nicht vorgespanntem Spiegelglas (abkürzend als ESG bzw. Floatglas) werden zusammenfassend ausgewertet.
Bewertung der Innenhydrophobierung von Fahrbahndeckenbetonen als neuartige AKR-Vermeidungsstrategie
(2022)
Zur Nutzbarmachung grenzwertig alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen für Betonfahrbahndecken wurde basierend auf einer Literaturrecherche die Eignung von je einem Innenhydrophobierungsmittel auf der Basis eines Kalziumstearats (HM-A), eines Silan-Siloxan-Gemisches (HM-B) sowie eines der Vertraulichkeit unterliegenden Wirkstoffs (HM-C) für die neuartige AKR-Vermeidungsstrategie untersucht. Die Basis für die Eignungsuntersuchungen bildeten die Rezepturen im ARS 04/2013 für den OB (D>8)/UB sowie für den OB 0/8. Zur Herausarbeitung des Einflusses des Hydrophobierungsmittels auf die schädigende AKR fand in der groben Kornfraktionen ein alkaliempfindlicher Grauwackesplitt Anwendung. Aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkung zwischen dem LP-Bildner und dem Hydrophobierungsmittel wurde seine Dosierung beim HM-A reduziert sowie beim HM-B geringfügig und beim HM-C um ein Vielfaches erhöht.
Ausgehend von den ausgewählten Rezepturen mit den unterschiedlichen Hydrophobierungsmitteln wurden bei den Untersuchungen u.a. folgende Erkenntnisse gewonnen:
• Nachweis der Funktionalität aller drei Hydrophobierungsmittel im Festbeton durch signifikant reduzierte kapillare Aufnahme der Prüflösung.
• Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und des Frost-Tausalzwiderstands des OB (D>8)/UB bei Zugabe aller Hydrophobierungsmittel.
• Verzicht auf den Einsatz des HM-A im OB (D>8)/UB aufgrund drastischer Verschlechterung der Verarbeitbarkeit des Frischbetons und hohem Festigkeitsverlust.
• Verzicht auf den Einsatz des HM-B im OB (D>8)/UB aufgrund der Überschreitung des Dehnungsgrenzwerts nach dem 9. bzw. 10. Zyklus (mit bzw. ohne zyklischer Vorschädigung) und der einhergehenden starken Abwitterung bei der KWL mit NaCl-Lösung.
• Nachweis nachhaltiger Verminderung schädigender AKR in beiden Betonarten mit HM-C in Klimawechsellagerung und 60°C-Betonversuch mit externer Alkalizufuhr, allerdings zu Lasten der mechanischen Eigenschaften und des Frost-Tausalz-Widerstands.
Fazit: Bei geeigneter Wirkstoffauswahl hat die Innenhydrophobierung das Potenzial für die Nutzbarmachung grenzwertiger Gesteinskörnung. Ihre Überführung in die Praxis erfordert jedoch eine weitere ganzheitliche Optimierung der Baustoffperformance. Das schließt auch die Verifizierung gezielter betontechnologischer Maßnahmen zur Verminderung der Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften und des Frost-Tausalz-Widerstandes ein.
Im Ergebnis des Vorhabens steht für die praktische Anwendung eine wissenschaftlich fundierte Methode der Gefahrenbewertung für Selbstentzündungsvorgänge bei der Lagerung von Massenschüttgütern, Deponiestoffen und Recyclingmaterialien zur Verfügung. Diese Methode besteht aus drei Bestandteilen:
- Experimentelle Bestimmung der relevanten physiko-chemischen Eigenschaften des Materials,
- Experimentelle Bestimmung des Reaktionsverhalten mittels thermischer Analyseverfahren,
- Vorhersage der Selbstentzündung und des Brandverlaufes durch numerische Simulation anhand der realen Geometrie der Lageranordnung.
Eine solche Methode wurde bisher nicht systematisch angewendet, weshalb sowohl bei der Erstellung von Brandschutzkonzepten durch die Betreiber von Deponien oder Recyclinglagern als auch bei der Genehmigung solcher Anlagen durch die Behörden große Unsicherheit bezüglich des vorbeugenden Brandschutzes bestehen. Diese Unsicherheiten können mit den Ergebnissen des Vorhabens ausgeräumt werden. Den Nutzen hieraus ziehen vor allem KMU, die den Hauptteil der Betreiberfirmen von Deponien und Recyclinglagern stellen. Darüber hinaus erwuchsen aus dem Vorhaben auch grundlegende Erkenntnisse zum thermischen und Reaktionsverhalten solcher Lager:
- Gemische von Kunststoffen mit zellulosehaltigen oder faserartigen Stoffen sowie Gemische von Kunststoffen mit inerten Stoffen zeigen eine stärkere Selbstentzündungsgefahr als reine Kunststoffe.
- Auch bei sehr geringen Anteilen brennbarer Stoffe kommt es noch zu gefährlicher Wärmefreisetzung.
- Bei heterogener Verteilung der brennbaren Komponente (brennbare Einschlüsse in nicht-brennbarem Material) kann eine „Übertragung“ der Zündung zwischen brennbaren Einschlüssen erfolgen.
Dies spiegelt z.B. die Situation in Lagern für Baumischabfälle wieder. Mit dem im Vorhaben entwickelten mathematischen Modell können Selbstentzündungsprozesse in beliebigen Lageranordnungen vorhergesagt werden. Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht. Weiterer Forschungsbedarf wurde zu folgenden Teilaspekten erkannt:
- Selbstentzündungsverhalten von Abfällen, die als sogenannte Ersatzbrennstoffe aufbereitet werden (Pressballen mit und ohne Folieumwicklung),
- tiefer gehende Klärung der Reaktionsmechanismen beim Abbrand von Abfallgemischen.
BAM, IKS Dresden und ThyssenKrupp VDM haben ein umfangreiches Versuchsprogramm mit geschweißten Werkstoffprüfblechen durchgeführt, um neue Erkenntnisse über das Korrosionsverhalten der Superaustenite und der Nickelbasislegierung zu gewinnen und um diese Bewertungen im Abschnitt 5 der BAM-Liste zu berücksichtigen. Das Versuchsprogramm umfasste Korrosionsbeständigkeitsbewertungen der drei höherlegierten Werkstoffe in Stoffen aus 12 Gruppen von korrosiven Gefahrgütern, wie z. B. anorganische Halogenide, organische Säurehalogenide, Halogencarbonsäuren, Chlorsilane, Chlorate, Perchlorate, Chlorite, Hypochlorite, Hydrogensulfate und Nitriersäuren.
Die UV/VIS-Spektrometrie an lumineszierenden und reflektierenden Materialien zur Bestimmung optischer Kennwerte wird nach der 2-Monochromator-Methode (2MM) (monochromatische Anregung) und der 1- Monochromator-Methode (1 MM) (poly-chromatische Anregung) praktiziert. Wie weit die verschiedenen Methoden zu vergleichbaren Ergebnissen kommen, sollte in einem Rundversuch mit insgesamt drei 2MM- und sieben 1 MM-Spektrometern anhand eines umfangreichen Probensatzes aus verschiedenen Materialtypen bestimmt werden. Während die 2MM-Spektrometer eine von der Strahlungsquelle unabhängige Bestimmung der spektralen Strahldichtefaktoren von Lumineszenz und regulärer Reflexion für vorgegebene Lichtart zulassen, aus denen die Gesamtstrahldichtefaktoren zu bilden sind, benötigen die 1 MM-Spektrometer im Idealfall eine präzise D65-Strahlungsquelle, wenn auf Normlichtart D65 bezogene spektrale Gesamtstrahldichtefaktoren bestimmt werden sollen. Diese Voraussetzung war nur in einem Fall erfüllt, die übrigen 1 MM-Spektrometer verwendeten eine Xenonlampe in Verbindung mit einer UV-Partialfilterung justiert für optisch aufgehellte weiße Proben, die nur den UV-Spektralbereich der Xenon-Quelle auf ähnliche Wirkung wie die der Normlichtart D65 bringt. Die 2MM-Spektrometer erwiesen sich als gut übereinstimmende Referenzgeräte bei kaum bis schwach strukturierten Proben. Bei starker Probenstruktur verändern sich bei unterschiedlicher Messgeometrie vor allem die spektralen Strahldichtefaktoren der regulären Reflexion erheblich, während die der Lumineszenz nahezu unabhängig bestimmbar bleiben. Bei den 1 MM-Spektrometern mit UV gefilterter Xenonlampe werden wegen der speziellen Justierung die spektralen Gesamtstrahldichtefaktoren von optisch aufgehellten weißen Proben mit relativ geringer Streuung wiedergegeben. Bei bunt lumineszierenden Proben versagt die UV-Anpassung, da auch Teile des nicht angepassten VIS-Spektrums die Lumineszenz erzeugen. In diesen Fällen wird bei gerichteter Messgeometrie die Lumineszenz mit Bezug zur Normlichtart D65 überhöht dargestellt, bei Kugelgeometrie wegen des bekannten Kugelfehlers zu niedrig. Die farbmetrischen Auswertungen bilden die spektralen Differenzen analog ab. Die Frage, ob trotz fehlender Übereinstimmung in den absoluten Kennzahlen wenigstens relative Farbunterschiede von den verschiedenen Spektrometern vergleichbar ermittelt werden, ließ sich ansatzweise aus einigen zusammengestellten Probenpaaren beantworten: die 1 MM- Spektrometer unterscheiden sich deutlich stärker als die 2MM-Spektrometer.
Die für Gewebe und andere textile Flächengebilde gebräuchlichen Methoden zur Bestimmung der elastischen Eigenschaften sind für Maschenwaren in den meisten Fällen ungeeignet, da diese sehr hohe Dehnbarkeit besitzen. Es wurde ein Prüfverfahren entwickelt, das es gestattet, aufgrund der bei einem einachsigen Belastungszyklus gefundenen Kennwerte Rückschlüsse auf das Verhalten von Maschenwaren beim praktischen Gebrauch hinsichtlich ihres elastischen Verhaltens zu ziehen.
Bei der Bemessung von Bauwerken werden zunehmend auch dynamische Lastfälle berücksichtigt. Diese reichen von Verkehrserschütterungen bis zum Erdbeben. Zur die dynamische Berechnung eines Bauwerks müssen die Materialkennwerte des Baugrunds bekannt sein. Dieser Bericht stellt die Ergebnisse zur Bestimmung baugrunddynamischer Kennwerte anhand von Bodenproben ausführlich dar.
Die Becker-Orowan-Kockendörfersche Plastizitätstheorie bildet eine anschauliche Grundlage für die Sprödigkeitsbedingungen. Danach sind für den Eintritt des Sprödbruches außer den Materialeigenschaften drei äußere Faktoren maßgebend: Temperatur, Belastungszeit und Spannungszustand (Gestalt). Um den Sprödbruch herbeizuführen, braucht man nur einen dieser drei Faktoren genügend zu verschärfen. Diesen Umstand macht sich die Materialprüfung zu Nutze, indem z.B. bei der Kerbschlagbiegeprobe Schlaggeschwindigkeit und Probenform unveränderlich bleiben und nur die Temperatur soweit erniedrigt wird, bis der Sprödbruch erfolgt. Die so ermittelte "Übergangstemperatur" ist - obgleich sie nur für diese speziellen Zeit- und Gestaltverhältnisse Gültigkeit hat - ein guter Vergleichsmaßstab für verschiedene Werkstoffe.
Nun ist aber die Prüfung bei veränderlichen, insbesondere niedrigen Temperaturen sehr umständlich. Deshalb wird bei dem hier beschriebenen Prüfverfahren nicht die Temperatur, sondern die Belastungszeit verändert. Infolge der achsen-symmetrischen Einkerbung und der daraus folgenden Möglichkeit, die Brucheinschnürung sehr einfach zu messen, kommt man mit nur zwei Geschwindigkeitsstufen aus, weil das zwischen beiden liegende meßbare Zähigkeitsgefälle für die Beurteilung der Sprödigkeitsneigung ausreicht, vorausgesetzt, daß man sich nahe der Sprödigkeitsgrenze befindet ohne aber die wirkliche Sprödbruchgrenze erreichen zu müssen.
Bericht zur Durchführung des Ringversuchs zur Validierung der Benzolanalytik im Spurenbereich
(2006)
Im Auftrag des Altlastenausschusses (ALA) der Bund/Länder Arbeitsgemeinschaft Boden (LABO) wurde ein Validierungsringversuch für die Bestimmung von leichtflüchtigen monoaromatischen Verbindungen mit Hinweisen auf existierende Prüfwerte, wie BTEX in Boden, im Spurenbereich durchgeführt. 3 Bodenproben mit unterschiedlichen Kontaminationsniveaus der BTEX-Verbindungen, überschichtet mit Methanol, eine Bodenprobe dotiert mit Ottokraftstoff, Super bleifrei, eine BTEX-Standardlösung unbekannter Konzentration, sowie eine BTEX-Standardlösung mit zertifizierten Gehaltsangaben wurden an 21 ausgewählte Teilnehmer verschickt, die überwiegend mit GC-MS analysiert haben. Die Ergebnisse und die Verfahrenskenndaten zeigen, dass die Mehrzahl der Laboratorien mit den angewandten Analysentechniken in der Lage ist, in dem vorgegebenen Kontaminationsbereich empfindlich genug, vergleichbar und richtig messen zu können. GC- FID erweist sich nicht empfindlich und spezifisch genug in dem unteren Spurenbereich, deshalb war schon in dem Aufruf zum Ringversuch auf die Anwendung der GC-MS- Messtechnik verwiesen worden.
Ausgehend von einer Triangulierung, die auch Dreiecke mit Innenwinkeln über 90° beinhalten kann, wird eine Finite-Volumen-Elemente-Methode zur Diskretisierung der Wärmeleitungsgleichung angegeben. Auf der Basis dieser Box-Methode wird die Auflösung der bei der Berechnung von Temperatur- und Wärmestromverteilungen entstehenden großen schwachbesetzten Bandgleichungssysteme mittels algebraischer Mehrgittermethoden beschrieben und auf praktische Beispiele angewendet
Ausgegangen wird von der Vorstellung, dass die Anwendung der Kontinuumsmechanik auf polykristalline Werkstoffproben als Ganzes nicht der Natur der Schädigungsvorgänge bei der Werkstoffzerrüttung gerecht werden kann. Die Aufmerksamkeit muss sich vielmehr auf das Verhalten der einzelnen Kristalle richten.
Zusätze von wässrigen Kunststoffdispersionen verändern Festbetoneigenschaft, haben aber auch Einfluss auf die Verarbeitbarkeit des Frischbetons. Die Ergebnisse der Untersuchungen geben Anhaltspunkte dafür, wie solche Betone bei extremen, aber in der Praxis zu erwartenden klimatischen Beanspruchungen reagieren.
Bei der Montage von Stahlkonstruktionen kommt es trotz anforderungsgerechter schweißtechnischer Fertigung vereinzelt zur Detektion von unzulässigen Unregelmäßigkeiten im Schweißbereich. Die Verarbeitungsregelwerke empfehlen das lokale thermische Ausfugen betroffener Bereiche und erneutes Schweißen, geben aber aufgrund fehlender wissenschaftlich fundierter Untersuchungen kaum Informationen zu adäquaten Reparaturkonzepten. Dies betrifft insbesondere die Berücksichtigung und Optimierung resultierender schweißbedingter Beanspruchungen durch hohe Schrumpfbehinderungen der Ausfugenuten sowie der Gefügedegradation angrenzender Bereiche durch das Ausfugen und erneute Schweißen. Gerade bei hochfesten Stahlgüten ergeben sich dadurch häufig reduzierte mechanische Eigenschaften und zusätzliche schweißbedingte Beanspruchungen sowie erneut auftretende Nahtdefekte.
Deshalb wurden für das Forschungsvorhaben systematische bauteilrelevante Untersuchungen der schweißbedingten Beanspruchungen und Gefügeveränderungen reparierter Schweißnähte in Abhängigkeit von der Schrumpfbehinderung und Wärmeführung beim Schweißen und Ausfugen sowie von der Reparaturzyklenanzahl durchgeführt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen auf, welche Faktoren sich für eine Beanspruchungsreduzierung auch bei hohen Einspannbedingungen eignen und wie eine Degradation des Gefüges und der Eigenschaften der Schweißnaht sowie wiederholte Schweißnahtdefekte in der Reparaturnaht vermieden werden können. Insbesondere können mittels adaptiver Wärmeführung geringere schweißbedingte Beanspruchungen in den Reparaturschweißnähten bewirkt werden. Bauteilversuche sichern zudem die Übertragbarkeit der Schweißexperimente in die Praxis ab.
Aufgrund der Erkenntnisse konnten Empfehlungen für beanspruchungs- und werkstoffgerechte Reparaturkonzepte abgeleitet und ausgesprochen werden. Die Analysen wurden an den hochfesten Stahlgüten S500MLO für den Offshore-Bereich und S960QL für den Mobilkranbau realisiert. Damit wird insbesondere der wirtschaftlichen Fertigung hocheffizienter Konstruktionen für Windenergieanlagen und hochfester Strukturen, die für deren Errichtung notwendig sind, Rechnung getragen.
So bieten die Forschungsergebnisse eine wesentliche Grundlage für die Weiterentwicklung entsprechender Normen und Regelwerke. Damit können letztlich Schäden und zumeist teure Nacharbeiten verhindert und eine verbesserte Ausnutzung des hohen Festigkeitspotentials hochfester Stähle erreicht werden. Gerade auch KMU können mit Blick auf die Kosten für Fertigung, Schweißarbeit und Material von den Erkenntnissen beim Einsatz hochfester Stähle, die für eine effiziente Realisierung der Energiewende in Deutschland notwendig sind, profitieren.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist eine technisch- wissenschaftliche Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) und stellt ihre Kompetenz als materialtechnische und chemisch-technische Bundesanstalt im Rahmen europäischer Rechtsvorschriften und Vereinbarungen national und international zur Verfügung. Die BAM nimmt ihren Auftrag, die Entwicklung der deutschen Wirtschaft zu fördern, im Aufgabenverbund Material - Chemie - Umwelt - Sicherheit wahr. Ihr Tätigkeitsspektrum umfasst Forschung und Entwicklung, Prüfung, Analyse, Zulassung, Beratung und Information. Entsprechend ihrer Leitlinie, Sicherheit und Zuverlässigkeit in Chemie- und Materialtechnik hat die BAM ein umfassendes Qualitätsmanagementsystem entwickelt, in dem jede Mitarbeiterin und jeder Mitarbeiter ein hohes Maß an Verantwortung für die Qualität der Arbeitsergebnisse übernimmt. Dabei zählt die Erfassung der Messunsicherheit zum technisch-wissenschaftlichen Standard. Der Ausschuss für Qualitätsmanagement (AQM) hat gemeinsam mit zahlreichen Experten aus den Kompetenzbereichen der BAM diesen "Leitfaden zur Ermittlung von Messunsicherheiten bei quantitativen Prüfergebnissen" entwickelt. Er soll die Mitarbeiter in den Fachabteilungen bei ihren vielfältigen Mess- und Prüfaufgaben unterstützen. Mit der Veröffentlichung in der Reihe Forschungsberichte der BAM wird dieser Leitfaden der an der Thematik Messunsicherheit interessierten Fachöffentlichkeit, insbesondere den Prüflaboratorien zur Verfügung gestellt. Zugleich soll damit den Auftraggebern und Kunden der BAM ein Einblick in die Qualitätssicherung für die Prüfergebnisse der BAM vermittelt werden.
Modellrechnungen zur Ausbreitung der Erschütterungen im Boden, mit denen der Einfluss des Bodenaufbaus, der Materialeigenschaften des Bodens und der Geometrie der Erschütterungsquelle auf die Stärke der Erschütterungen untersucht wurde. Ergebnisse sind auch auf andere Erschütterungsquellen, wie Maschinen, Rammungen oder Sprengungen, übertragbar.
Anwendung von Temperatur-Berechnungsprogrammen auf kritische Referenzbeispiele des Brandschutzes
(1999)
Zur rechnerischen Simulation des thermischen Brandverhaltens von Baukonstruktionen existieren in den einzelnen europäischen Ländern unterschiedliche Computerprogramme. Um diese Rechenprogramme im Rahmen der europäischen Harmonisierung einem systematischen Vergleich unterziehen zu können, wurden vom National Testing and Research Institute (SP) in Schweden dem CIB (Conseil International du Bâtiment) und der Vereinigung europäischer Brandschutzlaboratorien (EGOLF) Referenzbeispiele mit definierten Materialeigenschaften und festgelegten Randbedingungen empfohlen. Im Forschungsbericht werden die hierfür mit den Programmen TASEF-2D (SP) und INST2D (BAM) erzielten Rechenergebnisse dargestellt und verglichen.
Am Deutschen Dom wurden Mikrowellenabsorptionsmessungen, Radar und Infarot- Thermographie als moderne zerstörungsfreie Prüfverfahren der Feuchtemessung in Mauerwerk erprobt. Ergänzende numerische Simulationsrechnungen des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports sollen bei der Auswahl von Trockenlegungskonzepten helfen.
Analytische bruchmechanische Ermittlung der Schwingfestigkeit von Schweißverbindungen (IBESS-A3)
(2016)
Ziel des DFG-AiF-Forschungsclusters IBESS war die Entwicklung einer Methodik zur bruchmechanischen Ermittlung von Wöhlerkurven in Schweißverbindungen. Dem vorliegenden Teilprojekt A3 kamen dabei zwei Aufgaben zu: die Entwicklung einer analytischen bruchmechanischen Methodik und die Koordinierung des insgesamt acht Partner umfassenden Clusters. Dieser Bericht fasst die Ergebnisse der erstgenannten Aufgabe zusammen. Die bruchmechanische Methode ist durch folgende Aspekte charakterisiert. (a) Sie beschreibt sowohl Kurz- als auch Langrisswachstum. Ersteres umfasst mechanisch und physikalisch kurze Risse. Mechanisch kurze Risse weisen Abmessungen in der Größenordnung der plastischen Zone auf, weshalb sie zwar bruchmechanisch, nicht jedoch auf der Basis des linear-elastischen K-Konzepts charakterisiert werden können. Im Projekt wurde entsprechend eine Methode zur Bestimmung eines „plastizitätskorrigierten“ zyklischen K-Faktors entwickelt, die auf dem zyklischen J-Integral beruht. Physikalisch kurz bedeutet, dass die Rissschließeffekte im Ausgangsstadium der Rissentwicklung zunächst noch nicht vorhanden sind, dann jedoch graduell aufgebaut werden, bis sie mit Erreichen des Langrissstadiums eine risstiefenunabhängig konstante Größe erreichen. Beschrieben wird dieser Effekt durch die Anwendung der sogenannten zyklischen R-Kurve, der Funktion des Schwellenwerts gegen Rissausbreitung von der Risstiefe. Mittels Rissarrestbetrachtungen des kurzen Risses werden (b) die Ausgangsrissgröße für die weitere Bruchmechanikanalyse und (c) die für N = 107 definierte Dauerfestigkeit der Bauteile bestimmt. Die Analyse erfolgt (d) statistisch, Schwankungen der lokalen Nahtgeometrie entlang des Nahtübergangs über ein Modell äquidistanter Abschnitte einbezogen werden. (e) Eigenspannungen werden sowohl im unbehandelten Schweißzustand als auch nach zyklischer Belastung berücksichtigt. Das Modell wird an insgesamt 33 Wöhlerkurven validiert, die an drei Schweißverbindungsformen (Stumpfstoß, Kreuzstoß, Längssteife) mit je zwei unterschiedlichen Ausführungen, zwei Werkstoffen (S355NL und S960QL), sowie im spannungsarmgeglühten und ungeglühten Zustand experimentell ermittelt wurden.
Zu einer Reihe aktueller Einzelprobleme wurden wichtige Erkenntnisse gewonnen: Einfluss von Belastungsart, Größe, Geometrie und Beanspruchungsgeschwindigkeit und Eigenschaftsgradienten bei Schweißverbindungen auf das J-Integral, die Rissspitzenverschiebung, Versagensverhalten unter dynamischer Beanspruchung, Zusammenhang zwischen Kerbschlagarbeit und Risswiderstand und Übertragbarkeit von Werkstoffkennwerten zwischen verschiedenen Probearten sowie von Proben auf Bauteile.
Schwerpunkte sind die Untersuchungen zur Fortführung der Analyse des Einflusses der Mehrachsigkeit des Spannungszustandes auf das Risswiderstandsverhalten, um damit das lokale stabile Risswachstum in Bauteilen besser verstehen und sicher beurteilen zu können sowie die Weiterentwicklung des Verfahrens zur Bestimmung von Risswiderstands - Kennwerten aus dem Kerbschlagversuch.
Dem Vorhaben lag die Aufgabe zugrunde, Ergebnisse der Reaktorsicherheitsforschung auf dem Gebiet der Komponentensicherheit zu erfassen, zu bewerten und mit dem Ziel zu ergänzen, die Werkzeuge der Versagensanalyse von Komponenten im elastisch-plastischen Bereich zu verbessern. Besonders intensiv wurde das Problem des Einflusses d er Proben- bzw. Bauteilgeometrie auf die Steigung der Risswiderstandskurve untersucht.
Analyse des gefügeabhängigen Löslichkeitsverhaltens potenziell AKR-empfindlicher Gesteinskörnungen
(2021)
Das gefügeabhängige Löslichkeitsverhalten wurde an folgenden vier Gesteinskörnungen unterschiedlicher Alkaliempfindlichkeitsklassen
untersucht:
• GK1 (EIII-S): quarzreicher Kies
• GK2 (EIII-S): Grauwacke (Splitt)
• GK3 (EI-S): Quarz-Feldspat-Porphyr (Splitt)
• GK4 (EI-S): sandsteinreicher Kies
DiePorenstrukturanalyse erfolgte sowohl an Einzelkörnern mittels vergleichender 3D-CT und BET- Untersuchungen als auch an Korngemengen der einzelnen Kornfraktionen (außer Fraktion 16/22 mm) über die Wasseraufnahme und mit BET. Für die Visualisierung und Quantifizierung der von außen zugänglichen Oberflächenanteile der Einzelkörner wurde ein Softwaretool entwickelt, erprobt und erfolgreich angewandt. Es gelang so u.a. den Nachweis zu erbringen, dass die gebrochenen Einzelkörner der Grauwacke und des Rhyoliths einen deutlich geringeren von außen zugänglichen Oberflächenanteil als die gleichartigen Gesteinskörner aus dem Kies besitzen. Aufgrund der limitierten Ortsauflösung der 3D-CT von 11 bis 16,5 μm wurde mit BET eine um drei Zehnerpotenzen höhere spezifische Oberfläche ermittelt.
Zu den Porositätsuntersuchungen an den Korngemengen sei angemerkt, dass zum Teil gegenläufige Trends zwischen offener Porosität und spezifischer Oberfläche festgestellt wurden. Dieses ist beim Bezug des bei den Löseversuchen in 0,1 M KOH mit definierter NaCl-Zugabe aus der Gesteinskörnung gelösten SiO2 und Al2O3 von zentraler Bedeutung. Bei den Löseversuchen an den fraktionsspezifischen Korngemengen selbst zeigte sich, dass die stufenweise Erhöhung des NaCl-Gehalts von 0 auf 10 M.-% im Eluat eine erhöhte SiO2-Löslichkeit und eine verminderte Auslaugung von Al2O3 zur Folge hat. Auffallend war hierbei, dass die Al2O3-Löslichkeit bei GK4 ohne und mit geringer NaCl-Zugabe die mit Abstand höchsten Werte annimmt. Bei den zusätzlich durchgeführten Löseversuchen an den tomografierten Einzelkörnern in 1 M KOH-Lösung mit Zugabe von 1 M.-% NaCl zeigte sich, dass nur vereinzelt bei den untersuchten Gesteinsarten eine Korrelation zwischen dem SiO2- bzw. Al2O3-Gehalt im Eluat und der absoluten BET-Oberfläche nachweisbar ist. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass neben der Oberfläche weitere Parameter (z.B. die mineralogische Zusammensetzung der Einzelkörner) das Löseverhalten maßgebend beeinflussen. Bei den parallel zu den Löseversuchen durchgeführten Betonversuchen nach dem ARS 04/2013 zeigte sich, dass die Alkaliempfindlichkeit der GK4 bei beiden Betonversuchen mit Alkalizufuhr unterschiedlich zu bewerten ist. So ist unabhängig von der vorgegebenen pessimalen Betonrezeptur des Fahrbahndeckenbetons ausschließlich bei der Klimawechsellagerung die GK4 als alkaliempfindlich einzustufen. Allerdings konnte der Befund der stark ausgeprägten AKR bei der GK4 mit der Dünnschliffmikroskopie nicht bestätigt werden. Analoges gilt für die Bewertung der Alkaliempfindlichkeit von GK2 mit den Betonversuchen nach der Alkalirichtlichtlinie des DAfStb. So ist auch hier die GK2 nicht im 60 °C-Betonversuch sondern ausschließlich im 40 °C-Betonversuch als alkaliempfindlich einzustufen.
Dienach den verschiedenartigen Betonversuchen durchgeführten LIBS-Analysen am Vertikalschnitt der Prüfkörper zeigen, dass im Kernbereich nach dem 60 °C-Betonversuch mit 10 %iger NaCl-Lösung und nach der Klimawechsellagerung mit NaCl-Beaufschlagung annähernd gleich hohe Natrium- und Chloridgehalte vorgefunden werden. Wider Erwarten treten an den beaufschlagten Prüfflächen Abreicherungen von Natrium und Anreicherungen von Chlorid auf. Im 40°C- und 60 °C-Betonversuch wurde das Natrium bis in eine maximale Tiefe von ca. 30 mm bzw. 20 mm ausgelaugt. Die aufbauenden korrelativen Betrachtungen zwischen den Ergebnissen des 60°C Betonversuchs mit Alkalizufuhr und der Löseversuche an den fraktionsspezifischen Korngemengen in 1 M KOH-Lösung mit definierter NaCl-Zugabe sind durchaus vielversprechend. So zeigt sich beispielsweise beim Waschbeton, dass der fraktionsspezifisch gewichtete SiO2-Überschuss im Eluat nach 56 Tagen mit Zugabe von 0,5 M.-% NaCl ohne Bezug auf die BET-Oberfläche zur gleichen Einstufung der vier betrachteten Gesteinskörnungen wie bei den Dehnungen im 60 °C-Betonversuch mit 3 %-iger NaCl-Lösung führt. Außerdem korrelieren die im 60 °C-Betonversuch mit 10 %-iger NaCl-Lösung ermittelten Dehnungen mit dem gewichteten SiO2-Überschuss im Eluat bei Zugabe von 2 M.-% NaCl ohne Bezug auf die BET-Oberfläche.
Ausschließlich bei den Betonversuchen nach der Alkali-Richtlinie erwies sich der Bezug des im Eluat ermittelten SiO2-Überschusses auf die BET-Oberfläche als zielführend. Aufgrund des Potenzials der Löseversuche mit NaCl-Zugabe für die Bewertung der Alkaliempfindlichkeit der Gesteinskörnung im Fahrbahndeckenbeton wird empfohlen, die vergleichenden Untersuchungen zwischen den Löseversuchen an Korngemischen der einzelnen Fraktionen und den Betonversuchen nach dem ARS 04/2013 mit einer möglichst hohen Anzahl an Gesteinskörnungen und einem präzisierten Untersuchungsumfang fortzuführen.
Die hohen Betriebstemperaturen während des Einsatzes von Radialverdichterrädern in Abgasturboladern führen zu einer Änderung der ursprünglich eingestellten Mikrostruktur in der warmfesten Aluminiumlegierung EN AW-2618A (Überalterung). Grund dafür sind thermische Belastungen, die nahe der Aushärtetemperatur liegen und diese kurzzeitig sogar überschreiten können. Die Alterungsmechanismen wurden zusammen mit den Themen niederzyklische (LCF) und thermomechanische Ermüdung (TMF) sowie Kriechen bis max. 190 °C in vorangegangenen Forschungsvorhaben untersucht. Kaum untersucht war bisher das Verhalten der Legierung unter hochzyklischer Beanspruchung (HCF) sowie der Einfluss von Kerben und Lastkollektiven. Da zukünftig mit weiter steigenden Betriebstemperaturen für Radialverdichter zu rechnen ist, wurde in diesem Forschungsvorhaben das HCF-Verhalten bei 230 °C untersucht und somit bei einer Prüftemperatur, die deutlich oberhalb der Aushärtetemperatur liegt. Das Ziel des Projektes war der Aufbau einer geeigneten experimentellen Datenbasis, das Verständnis der relevanten mikrostrukturellen Prozesse sowie die Weiterentwicklung und Anpassung geeigneter Modelle und Bewertungsmethoden.
Das experimentelle Untersuchungsprogramm umfasste neben einer Basischarakterisierung des HCF-Verhaltens am Ausgangszustand T61 gezielte mechanische Versuche zur Isolierung der Einflussfakto-ren Mittelspannung (𝑅 = −1, 𝑅 = 0,1), Werkstoffüberalterung (T61, 10 h/230 °C, 1000 h/230 °C), Prüftemperatur (20 °C, 230 °C), Prüffrequenz (0,2 Hz, 20 Hz) sowie Kerbwirkung und variable Amplituden. Darauf aufbauend wurden die in den vorangegangenen Projekten entwickelten Modelle und Bewertungsmethoden angepasst und weiterentwickelt, um die genannten thermischen und mechanischen Belastungen in der Lebensdauerbewertung abzubilden.
Für den Entwurf neuer Bauwerke gewährleistet die Einhaltung aktuell gültiger Normenwerke eine ausreichende Sicherheit. Diese Normen und die zugehörigen Lieferbedingungen gelten ausschließlich für Neubauten aus heute produzierten Stählen. Technische Regeln für die Begutachtung alter Materialien, wie sie zuletzt im Beiblatt 2-"Altstahl im Hochbau" von 1948 zur DIN 1050 "Stahl im Hochbau" [35] verankert waren, sind zurückgezogen worden. Bei der Bewertung alter Baukonstruktionen greift man häufig auf vorhandene Materialinformationen aus Bauwerksunterlagen, Vorschriften und Berechnungen, z.B. im Verantwortungsbereich der Deutschen Bahn AG, zurück. Die geltende Richtlinie der Modulfamilie 805.001 der Deutschen Bahn AG [21] erlaubt in Abschnitt 2, Absatz (2) sogar ausdrücklich die Nutzung alter Berechnungen und Vorschriften, wenn bei gleich bleibender Nutzung nur Eingriffe von untergeordneter Bedeutung, wie kleine Reparaturen oder lokale Verstärkungen, vorgenommen werden. Ein Eingriff in die Tragsicherheit des Bauwerkes ist nicht zulässig. Für umfassendere Maßnahmen und für Bauwerke außerhalb des Zuständigkeitsbereiches der Deutschen Bahn AG oder für die Bewertung der Konstruktionen bei Umnutzung bzw. bei umfangreichen Maßnahmen ist diese Ausnahme nicht anwendbar. Daraus ergibt sich für den auf die Beurteilung und Bewertung von bestehenden Bauwerken spezialisierten Ingenieur der Bedarf, alte Materialien, Bauweisen und Vorschriften zu kennen und zu verstehen. Aufwändige Versuchsserien an originalen Vollwand- und Fachwerkträgern zur Ermittlung von Schadensmechanismen im einstufigen Ermüdungsversuch werden vorgestellt. Sie resultieren in erweiterten Kenntnissen über Versagenskriterien für genietete Bauteile. Die Weiterentwicklung und Erprobung einander ergänzender zerstörungsfreier und minimal-invasiver (zerstörungsarmer) Verfahren verbessert die Schadensfrüherkennung an ermüdungsbeanspruchten Stahlkonstruktionen, z.B. bei Inspektionen. Intensive Materialuntersuchungen zur Mikrostruktur und zu mechanischen Materialparametern tragen zum Verständnis bestimmter, für moderne Stähle untypischer, Schadensmechanismen bei. Die interdisziplinäre Kooperation mit den Laboratorien der Abteilungen V, VIII und S bei der Analyse von Rissentstehung und Risswachstum erweitert die verfügbaren Kenntnisse über das Versagensverhalten alter Stähle und Stahlverbindungen. Aufbauend auf einer Darstellung der Entwicklung alter Bauweisen und Bauwerke, einer Literatur- und Normenanalyse zu Lieferbedingungen von Stahl für das Bauwesen und zu konstruktiven Details, so wie sie um die Jahrhundertwende zwischen dem 19. und 20. Jh. üblich waren, werden Materialuntersuchungen an alten Stählen, Ermüdungsversuche und Messungen an bestehenden Brückenbauwerken aus alten Stählen präsentiert. Innerhalb des Projektes gab es eine enge Zusammenarbeit mit Brückenbetreibern, die gewährleistete, dass die Ergebnisse aus Prüfungen, Forschung und Entwicklung direkt in die Praxis, aber auch in interne Vorschriften der Brückeneigner überführt werden konnten. So wurde in der Subgroup Remaining Fatigue Life of Bridge Structures der Gruppe ECOBRIDGE der Europäischen Eisenbahn Vereinigung UIC unter Beteiligung der BAM eine Machbarkeitsstudie [1] zusammengestellt. Auf dieser Basis erarbeitete ein bilaterales Konsortium der Schweiz und Deutschlands im Auftrag der Schweizerischen Bundesbahn und der Deutschen Bahn mit Ermüdungsspezialisten der RWTH Aachen, der EPFL Lausanne und der BAM einen Vereinheitlichten Sicherheitsnachweis für die Beurteilung alter Eisenbahnbrücken aus Stahl [2]. Der Abschlussbericht liegt seit 2001 im federführenden Institut für Stahlbau der RWTH Aachen vor. Die Überführung der Forschungsergebnisse in eine Richtlinie der Europäischen Konvention für Stahlbau (EKS) mit empfehlendem Charakter liegt als Entwurf [4] vor. Die Veröffentlichung nach abschließender Begutachtung durch namhafte auf Altstahl und Ermüdung spezialisierte Fachkollegen durch die EKS ist in Vorbereitung.
Zur Vermeidung der schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Betonbauwerken wird die Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen getestet. Der 60°C-Betonversuch ermöglicht eine vergleichsweise schnelle Einschätzung nach fünf-monatiger Testdauer. Dazu wird die Dehnung von Betonprüfkörpern, die mit der zu testenden Gesteinskörnung hergestellt wurden, manuell alle 28 Tage gemessen. Ein alternatives, an der BAM in den vergangen Jahren entwickeltes Verfahren setzt Dehnungssensoren ein, um kontinuierlich und online zu messen. Ziel dieses MNPQ-Projektes war es ein Messmodul zu entwickeln, welches eine kontinuierliche Dehnungsmessung leicht handhabbar umsetzt. Das von der Firma Schleibinger Geräte Teubert und Greim GmbH und der BAM in Kooperation entwickelte Messmodul lässt sich entweder in die herkömmliche AKR-Prüftruhe, in einen Wärmeschrank oder einen eigens entwickelten Minireaktor einlagern. Die kontinuierliche berührungslose Dehnungsmessung mittels Wirbelstromsensoren hat sich als robust und leicht handhabbar herausgestellt. Im Rahmen des Projektes ausgeführte Messungen untersuchen Einflüsse von gegenüber dem konventionellen Test variierten Testparametern, wie u.a. der Prüfkörperzahl je Behälter und dem ausbleibenden Drehen der Prüfkörper während des Tests. Die kontinuierliche Erfassung von Schallemissionen und Ultraschallgeschwindigkeit erweist sich als interessante Option um ein umfassendes Bild der Schädigungs-, Expansions-, und Hydratationsvorgänge zu gewinnen. Der eingefügte Erfolgskontrollbericht stellt den Projektverlauf dar und zeigt Chancen des entwickelten Gerätes auf.
Das Projekt KONTRAST adressiert die Qualitätskontrolle (QC) zur Erfassung nano- und mikroskaliger Belegung/Degradation mittels abbildender Ellipsometrie (IE). Das BAM-Teilvorhaben beinhaltet das Screening von Benchmark-Materialsystemen und die Validierung von Messstrategien. Im Ergebnis erfolgte eine Fokussierung auf das im Vergleich zur off Null Ellipsometrie (ONE) aussichtereichere Verfahren der referenzkompensierten Ellipsometrie(RKE), das marktstrategisch in RSE (referenced spectral ellipsometry) umbenannt wurde. Alle Materialsysteme der BAM-Unterauftragnehmer konnten mit IE visualisiert werden, mit dem RSE-System in wesentlich kürzeren Zeiten, auf größeren Flächen, bei vergleichbarer Empfindlichkeit und Auflösung, Komplementärverfahren waren für den schnellen Nachweis nano- und mikroskaliger Belegung nicht konkurrenzfähig, wobei zusätzliche Materialsysteme mit niedrigem Kontrast (SnO:Ni auf Glas bzw. Cr auf Chromstahl) in der BAM hergestellt wurden. Die öffentliche Präsentation des RSE-Prototyps erfolgte auf der ICSE-7 2016 mit der Publikation 2017 in Applied Surface Science.
Quo Vadis – Kurzdarstellung
Im Fokus von Quo Vadis stehen die Qualitätssicherung von Verbundwerkstoffen und die Validierung der Zentrifugentechnologie zur quantitativen Bestimmung von Festigkeitswerten in der Beanspruchung auf Zug als Mehr-Proben-Prüfverfahren unter Verwendung einer analytischen Zentrifuge (nachfolgend als „Adhesion Analyser LUMiFrac®“ bezeichnet). Zu den Festigkeiten, die mit Hilfe des LUMiFrac® unter Verwendung aufgeklebter Prüfstempel bestimmt werden, gehören die Fügefestigkeit (FF) von Klebverbindungen, die Haftfestigkeit (HF) von Beschichtungen sowie die Verbundfestigkeit (VF) von Faserverbundwerkstoffen. Aufbauend auf zwei Funktionsmustern der analytischen Zentrifuge sollen für die genannten Anwendungsszenarien (FF, HF, VF) in Anlehnung an die geltenden Normen DIN EN 15870 „Klebstoffe – Zugprüfung zur Bestimmung der Zugfestigkeit von Stumpfklebungen“ und DIN EN ISO 4624 „Beschichtungsstoffe – Abreißversuch zur Beurteilung der Haftfestigkeit“ geeignete Prüfstrategien und -abläufe sowie zum Klebprozess kompatible Aufnahmen für den Prüfkörperverbund in der Zentrifuge entwickelt werden.
Im Ergebnis des Vorhabens soll ein automatisiertes und validiertes Mehr-Proben-Prüfverfahren zur Qualitätssicherung von Verbundfestigkeiten zur Verfügung stehen, welches neben der Hardware auch eine Software für die angepassten Prüfstrategien in Form von SOPs (standard operating procedures) bereitstellt.
Im Fokus des Vorhabens steht das mit dem Innovationspreis Berlin-Brandenburg 2012 ausgezeichnete Mehr-Proben-Prüfverfahren zur Festigkeitsprüfung unter Verwendung einer analytischen Zentrifuge mit dem Ziel des Einsatzes in der Qualitätssicherung. Nachdem im MNPQ-Projekt QUO VADIS die grundsätzliche Anwendbarkeit der Zentrifugentechnologie auf Beanspruchungen auf Zug (Kleb-, Haft- und Verbundfestigkeit) nachgewiesen worden war, wurden im Vorhaben QUO VADIS PLUS folgende erweiterte Prüfszenarien und technische Weiterentwicklungen etabliert: 1. Beanspruchung auf Druck (Härte von Materialien, Kompressibilität von Schäumen, Kompaktierbarkeit von Pulvern), 2. Erweiterung der Beanspruchung auf Zug (Kombination von Normal- und Lateralkräften), 3. Erweiterung auf die Bewertung plasto-elastischenn Materialverhaltens, 4. Vermeidung von Schockwellen im Hochlastbereich
Die im Forschungsvorhaben erzielten Ergebnisse zeigen konkrete technische Lösungen für die automatisierte Anwendung des MSG Engspaltschweißen, sowohl mittels optischer als auch prozessorientierter Sensorik, und sprechen damit ein breites Spektrum möglicher Anwender, insbesondere KMU, an.
Die Seitenführung des Brenners auf Basis der optischen Messgrößen stellt eine robuste und einfach zu implementierende Möglichkeit zur Nahtverfolgung dar. Für die Höhenführung über der Schweißnaht wurde neben der Lösung mittels optischer Messverfahren zusätzlich eine direkt darauf aufbauende Möglichkeit zur Implementierung eines Lichtbogensensors abgeleitet. Das Vorgehen konnte sowohl für Sprühlichtbogenprozesse als auch bei Verwendung von Impulslichtbogenprozessen erfolgreich angewendet werden.
Die zur Sicherstellung eines gleichmäßigen Flankeneinbrandes entwickelte Pendelregelung ist ebenfalls für unterschiedliche Lichtbogenarten einsetzbar und muss vom Anwender auch beim Einsatz einer großen Bandbreite unterschiedlicher Prozessparameter nahezu nicht konfiguriert werden. Neben der im Rahmen der Verfahrensprüfung untersuchten Pendelraupentechnik konnte die Übertragbarkeit des Vorgehens auch auf die Strichraupentechnik anhand von gezielten Schweißversuchen aufgezeigt werden.
Die zunächst auf Basis der optischen Messwerte ausgelegte Füllgradregelung konnte die vorgesehenen Spaltvariationen von 18 bis 24 mm im Rahmen der durchgeführten Verfahrensprüfung ausgleichen. Die Ableitung eines äquivalenten Lichtbogensensors durch Kopplung beider Messprinzipien wurde am Laufzeitende des Vorhabens aufgezeigt, konnte jedoch durch zeitliche Beschränkung nicht für die Verfahrensprüfung berücksichtigt werden.
In Absprache mit dem projektbegleitenden Ausschuss wurde die Entwicklung der Prozessregelung für das Vorhaben auf Schweißungen in Wannenlage und Grundwerkstoffe der Güte S355J2 beschränkt.
Die Qualifizierung des Verfahrens unter Einsatz der beschriebenen Regelalgorithmen nach DIN EN ISO 15614-1 konnte für alle betrachteten Spaltbreiten zwischen 18 und 24 mm anhand einer 50 mm dicken Demonstratorprobe nachgewiesen werden.
Aufzählung der wichtigsten wissenschaftlich-technischen und anderer wesentlicher Ergebnisse
• ALD Abscheidungen auf Polymeren (PE, PP, PTFE) unter Atmosphärendruck und im Vakuum mit Ozon als Oxidationsmittel wurden durchgeführt:
- Mit Variation der Schichtdicke
- Mit Variation der Zykluszeit
- Mit und ohne Ozon Vorbehandlung der Oberfläche
• ALD Abscheidungen auf (PE, PP, PTFE) in Vakuum mit O2- und H2-Plasma Vorbehandlung wurden durchgeführt.
- Mit Variation der Schichtdicke
- Mit Variation der Zykluszeit
- Mit und ohne Plasma Vorbehandlung der Oberfläche
• Die ALD Prozesse wurden mit in situ Laserellipsometrie untersucht.
• Die ALD Schichten wurden für die Haftfestigkeit bei der BAM ausgewerte
Nachdem im Verbundprojekt COORAL das Hauptaugenmerk auf überkritisches CO2 gelegt wurde, d. h. Transport über kurze Strecken bei erhöhter Temperatur, wurde in CLUSTER ein größeres lokales Transport-Netzwerk betrachtet, bei dem CO2 bei geringeren Temperaturen, also vorwiegend im flüssigen Zustand transportiert wird. Wurden in COORAL die CO2-Ströme von Kohlekraftwerken untersucht, ging es in CLUSTER zusätzlich um die Emissionen von relevanten Industrien, deren CO2-Emissionen nicht ohne Weiteres vermieden werden können.
Aufgrund der Erfahrungen in COORAL konnte eine Auswahl von kommerziellen Werkstoffen getroffen werden, die für einen konkreten Einsatz für CCS zur Verfügung stünden. Die gemischten und fluktuierenden CO2-Zusammensetzungen sind bei geeigneten Begrenzungen der Begleit¬stoffe im CO2 bezüglich Korrosionsvorgänge beherrschbar. Die Machbarkeit eines lokalen CCS-Clusters erscheint daher gegeben, soweit dies die Anlagen für Kompression, Transport und Injektion betrifft.
Der Mangel an Anwendungsrichtlinien und Validierungsverfahren für struktur-eingebettete faseroptische Dehnungssensoren, insbesondere auf Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Basis, führte bislang dazu, dass diese Sensoren trotz ihrer hervorragenden Eigenschaften im Bereich der kommerziellen Material- und Strukturüberwachung nur in geringem Umfange eingesetzt wurden. Fragen zur Degradation der Sensoren unter Beanspruchung, Alterung durch klimatische Einflüsse und Enthaftung infolge Belastung der Struktur konnten bisher nur theoretisch simuliert oder anhand exemplarischer Proben für einzelne einflussnehmende Parameter im Labor untersucht werden. Die Erfassung des Sensorverhaltens im Bauteil unter komplexen Umwelteinflüssen während des Bauteilbetriebes, um damit eine Aussage zur Zuverlässigkeit der Sensormessdaten zu gewinnen, war bisher nicht möglich.
Im Forschungsprojekt FAMOS² wurde deshalb von 2014 bis 2018 die Realisierung eines Autodiagnoseverfahrens für faseroptische Dehnungssensoren erarbeitet, um die Funktionszuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Sensoren während des Bauteilbetriebes innerhalb einer Bauteilstruktur bewerten zu können. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde gezeigt, dass ein FBG-Sensor mit einer speziell angepassten magnetostriktiven Schicht magnetisch so angeregt werden kann, dass mit einer zugeschnittenen Messmethodik zu jedem Zeitpunkt eine Bewertung der Sensorzuverlässigkeit unter Betriebsbedingungen möglich ist. Die auf den Sensor aufgebrachte magnetostriktive Schicht erzeugt bei Anregung mit einem passenden Magnetfeld eine gepulste, synthetische Dehnung. Diese Dehnung steht in einem definierten Verhältnis zum anregenden Magnetfeld und wird optisch über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge ausgelesen. Die Konstanz dieses Verhältnisses stellt dann ein Maß für die korrekte Funktionsfähigkeit des Sensors dar. Das Beschichtungs-verfahren, das magnetische Anregungs- und optische Ausleseverfahren, wie auch die Validierung des Sensors unter Berücksichtigung faseroptischer Effekte wurden während des Projekts konzeptionell entwickelt, aufgebaut und charakterisiert. Qualitativ kann mit diesem Verfahren zunächst eine Gut-/Schlecht-Beurteilung des Sensors vorgenommen werden. Perspektivisch bietet das Verfahren jedoch auch die Möglichkeit, verschiedene Versagensmechanismen bestimmen und klassifizieren zu können. Es zeichnete sich schon während des Projektverlaufs ab, dass sich aus den erzielten Ergebnissen über das Autodiagnoseverfahren hinaus weitere Anwendungsmöglichkeiten für den Einsatz des kombinierten magnetostriktiv-faseroptischen Sensorprinzips, beispielsweise als reiner Magnetfeldsensor, ergeben.
Nach Abschluss dieses Forschungsprojekts besteht nun die Möglichkeit, den Funktionszustand faseroptischer Dehnungssensoren jederzeit unabhängig von Alter, Belastung oder Kenntnis eines Referenzzustands zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen zu können. Aufbauend auf diesen Ergebnissen können weiterführende Forschungen die Messmethodik vertiefend charakterisieren und weitere Anwendungsfälle erschließen.
Im vorliegenden Forschungsbericht werden die Ergebnisse zum LFP Projekt „Ableitung validierter Probenahme- und Analysenmethoden für Zwischen- und Endprodukte der anaeroben Stoffverwertungsprozesse von LCKW im Grundwasser im Rahmen von Altlastenuntersuchungen“ (Länderfinanzierungsprogramm, Projekt B2/08, Laufzeit vom 01.09.2008 – 31.08.2009) zusammengefasst. Es werden verschiedene Verfahren der Probenahme und Analytik zur Bestimmung von Wasserstoff, Methan, Ethen und Vinylchlorid (VC) im Grundwasser untersucht und validiert. Für die Probenahme werden folgende Ansätze beschrieben und diskutiert: i. aktive Probenahme: Pumpprobe und Probenahme von in Grundwasser gelösten Gasen in Gasbeprobungsrohren (Gasmaus) ii. passive Probenahme: Diffusionsprobenahme in Polyethylenbeuteln (PDB) und Kunststoffspritzen als Diffusionssammler für gelöste Gase Der Einsatz aktiver (Pumpprobenahme, Schöpfprobenahme) und passiver (Diffusionsprobenahme) Probenahmetechniken zur Gehaltsbestimmung von LHKW sowie Ethen und Methan in Grundwasser wird aus ordnungsbehördlicher Sicht hinsichtlich der Vergleichbarkeit von Analysendaten untersucht. Am Beispiel einer Kontamination mit Trichlorethen sowie 1,2-Dichlorethen und Vinylchlorid kann deutlich gemacht werden, dass die Einsatzmöglichkeit der passiven Probenahme durch unzureichende Strömungsverhältnisse im Aquifer sowie biologische Aktivität im Pegelrohr begrenzt ist. Der aktiven Probenahme ist bei ungeklärten oder unzureichenden Strömungsverhältnissen im Grundwasserleiter daher der Vorzug zu geben. Die chromatographischen Verfahren zur Bestimmung der Analyte werden umfänglich validiert und mit anderen geeigneten Analysenverfahren verglichen: I. Headspace-GC-FID zur Bestimmung von Methan, Ethen und VC aus der wässrigen Probenmatrix der Pumpprobe (i.) und des PDB (ii.) II. Direktinjektion-GC-PDD zur Bestimmung von Wasserstoff aus den gesammelten Gasproben der Gasmaus (i.) und der Kunststoffspritzen (ii.) Für die Bestimmung von Ethen und VC in Grundwasserproben (I.) werden Bestimmungsgrenzen von 0,1 μg/L erreicht. Methan kann aus wässrigen Proben nur ab 5 μg/L quantifiziert werden. Mit den Verfahren zur Bestimmung von Methan aus der Gasmaus (i.-II.) werden 0,1 μg/L im Grundwasser erreicht. Die Bestimmung von im Grundwasser gelösten Wasserstoff (II.) ist bis zu einer Konzentration von 1 nM möglich. Die Reproduzierbarkeit für die Bestimmung von Wasserstoff in Grundwasser liegt konzentrationsabhängig zwischen 10 bis 20% bei der aktiven Probenahme (i.-II.) und 10 bis 70% bei der passiven Probenahme (ii.-II.). Aus der Validierung der Analysenmethode und den Ergebnissen verschiedener Probenahmen werden Toleranzbereiche für die Ergebnisse eines Grundwassermonitorings abgeschätzt. Diese Streubreiten von Monitoring-Ergebnissen sollten von Ingenieurbüros und zuständige Ordnungsbehörden bei der Bewertung der komplexen Abbauprozesse eines LHKW-Grundwasserschadens beachtet werden.
Typology of Inks
Archives and museums around the world contain a vast number of manuscripts that were written in different inks: carbon inks, plant inks, iron-gall inks and mixed inks. Yet most archaeometric studies of manuscripts focus on the palette of pigments found in illuminated manuscripts whereas identification of the inks is still largely based on cultural-historical studies and visual inspections. One of the reasons of this disproportion in the studies can be explained by the properties of Raman spectroscopy, the technique of choice for identification of pigments. In contrast, this technique is only partially viable when dealing with organic colourants. Brown and Clark discuss these difficulties and the uncertainties of identification of iron-gall inks by Raman spectroscopy in their pioneering work on early medieval Anglo-Saxon manuscripts (K. Brown and R. Clark 2004). To facilitate instrumental analysis of inks, we have developed a protocol that starts with the identification of the inks type (Rabin et al. 2012) which doesn’t require complicated instrumentation and can be carried out by paleographers and codicologists.
Three typological ink classes
The black writing materials used in manuscript production in Antiquity und Middle Ages can be sorted in three typologically different ink classes: soot, plant and iron-gall. Soot ink is a fine dispersion of carbon pigments in a water soluble binding agent; plant-based ink consists of a solution of the tannins extracted from gallnuts or tree bark; iron-gall ink, is produced by mixing a soluble compound of iron (II) with gallic or tannic acid extracted from gallnuts or tree bark. Therefore, iron-gall ink presents a boundary case between solution and dispersion ink, in which a water-soluble preliminary stage oxidizes and evolves into a black, insoluble precipitate similar to the carbon pigments when the writing is exposed to air (Krekel 1999). The additional category of mixed inks, i.e. inks produced by addition of various metals to the soot inks or intentional mixing of iron-gall and soot - based inks started attracting scholarly attention only recently because their significance was established only a short while ago (Brun et al. 2016, Colini 2018, Nehring et al. 2021). We suggest that plant and mixed inks build a bridge from the carbon ink of Antiquity to the properly formulated iron-gall ink that became a standard black ink from the late Middle Ages to the 19th century when it gave way to modern inks.