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While alkali-activated binders offer certain advantages over traditional Portland cement binders, particu¬larly in terms of resistance against chemical attacks and potentially environmental footprint, their degra¬dation mechanisms remain incompletely understood at present, specifically carbonation. Thus, this study investigates the impact of natural and accelerated carbonation (1% and 4% CO2) on three different compositions of alkali-activated concretes: 100% calcined clay (C100) binder, 100% ground blast furnace slag (S100) binder, and a 40% calcined clay and 60% blast furnace slag blend (C40S60). C100 concretes exhibit faster carbonation kinetics, with five times greater natural carbonation depths than S100. This difference diminishes under accelerated carbonation, showing a 1.5 times difference for 1% CO2 and complete carbonation for 4% CO2 at 90 days. The results thus confirm that accelerated carbonation testing of low-Ca alkali-activated concretes yields results that are not representative of natural carbonation. The C40S60 sample demonstrates a carbonation profile similar to a CEM I concrete, i.e., a high carbonation resistance. Microstructure analysis indicates the formation of three polymorphs of calcium carbonate for S100 (calcite, vaterite, and aragonite), with a higher CO2 concentration favouring aragonite over vaterite. C100 exhibits no calcium carbonates; instead, sodium carbonates form, including trona for 4% CO2 and natrite for both accelerated tests. C40S60 shows calcium and sodium carbonates, although to a lesser extent, containing predominantly calcite and minor signals of natrite. Suitable compositions, like C40S60, prove as effective during natural or accelerated carbonation tests as conventional Portland cement concrete.
Weltweit stellen Waldbrände eine große Bedrohung für Umwelt, Wirtschaft und menschliches Leben dar. Der fortschreitende Klimawandel verstärkt Trockenheit und Dürre, wodurch die Größe und Intensität von Waldbränden sowie das daraus resultierende Gefahrenpotential zusätzlich erhöht werden. Um im Risikofall eine schnelle und effektive Waldbrandbekämpfung zu gewährleisten, sollen Einsatzkräfte in Zukunft von KI-basierten Ausbreitungsmodellen unterstützt werden.
Der Einsatz von maschinellem Lernen ermöglicht dabei schnelle und zielgerichtete Ausbreitungsvorhersagen in Echtzeit, die in den Prozess der Brandbekämpfung als zusätzliche Information einfließen können. Im Rahmen des durch das EU-Förderprogram Horizon 2020 finanzierte Projekt TREEADS wird ein solches Modell für Europa entwickelt.
Dazu wird mit verschiedenen Satellitendaten des Copernicus-Programms und der NASA ein auf räumlicher und zeitlicher Ebene aufgelöster Datensatz zu europäischen Waldbränden aufgebaut. Zu den erfassten Waldbränden werden wichtigen Faktoren, die Einfluss auf die Brandausbreitung haben, ergänzt. Dazu gehören das von Copernicus bereitgestellte, digitale Geländemodell Europas und verschiedene, von Sentinel-2 Messungen abgeleitete Informationen zu Vegetation und Landnutzung. Dieser 2D-Trainingsdatensatz zu realen Waldbränden wird durch die zeitlich hochaufgelösten, meteorologischen Reanalyse-Produkte – Copernicus European Regional ReAnalysis (CERRA) und ERA5-Land – vervollständigt und ist die Grundlage für ein Modell zur Ausbreitungsvorhersage von Waldbränden.
Methoden des Maschinellen Lernens können komplexe Muster in den gesammelten Daten erkennen und so zu einer verbesserten Vorhersage der Brandausbreitung beitragen. Die vielfältigen, von Copernicus bereitgestellten Daten sind dabei ein unabdingbarer Bestandteil des Modells, mit dem den Einsatzkräften ein zusätzliches Tool für den effizienten Einsatz ihrer limitierten Ressourcen zur Verfügung steht.
Die Umweltwirkungen auf ein Material werden als Überlapp der Funktionskurven von Materialempfindlichkeit und einwirkenden Umweltparametern betrachtet. Wenn entweder die Empfindlichkeit oder die Beanspruchungen Null sind, ergibt sich auch keine Umweltwirkung und bei beidseitig Werten größer Null das jeweilige Produkt der beiden. Die Akkumulation der nicht-reversiblen Effekte über die Zeit und allen Eigenschaftsänderungen entspricht der Alterung des Materials für den jeweiligen Expositionszeitraum.
Die digitale Umweltsimulation gliedert sich hier in drei Teilaspekte. Ein erster, rein materialwissenschaftlicher Teil hat die Aufgabe, alle relevanten Materialempfindlichkeiten experimentell zu quantifizieren. Ein zweiter – unter Umständen numerischer Teil – hat die Aufgabe, das Bauteil und seine Einbaulage zu digitalisieren und aus den makroskopischen Umgebungsbedingungen die relevanten mikroklimatischen Umweltparameter für alle Oberflächen- oder Volumenelemente zu bestimmen. In einem dritten Teil werden die Einwirkungen über den betrachteten Zeitraum berechnet und kumuliert. Dieses Konzept, das auf den so genannten Expositions-Reaktions-Funktionen (ERF) basiert, wird an Beispielen der Photoxidation erläutert. Dieses Vorgehen wurde schon beim ViPQuali-Projekt als Numerische Umweltsimulation umgesetzt.
Überprüft werden muss das Modell unbedingt an einer realitätsnahen Validierungsbeanspruchung. Hier werden die ermittelten ERFs mit über den kompletten Beanspruchungszeitraum geloggten Umweltparametern gekoppelt, um die berechnete mit der experimentell erfahrenen Alterungswirkung zu vergleichen. Nur so kann sichergestellt sein, dass alle für die Anwendungsumgebung relevanten Materialempfindlichkeiten einbezogen wurden.
Der Vortrag gibt eine Übersicht zum Stand des Projekts zum Thema Gefügeveränderung bei trockener Grobbearbeitung. Es wurden vier verschiedene trockene Oberflächenbearbeitungsverfahren an 2 Werkstoffen eingesetzt um Testoberflächen zu schaffen. Die so gefertigten Oberflächen wurden lichtmikroskopisch untersucht und die jeweiligen Rauhigkeitskennwerte bestimmt. Weiterhin wurden metallografische Querschliffe angefertigt um die verfahrens- bzw. materialabhängigen Einflüsse auf mögliche Gefügeveränderungen zu untersuchen. Zusätzlich wurden elektrochemische Polarisationsversuche durchgeführt um die oberflächenspezifische Korrosionsbeständigkeit der nichtrostenden Stahlproben zu quantifizieren.
Since 2016 ISO Technical Committee (TC) 265 is working on standardization the whole CCS-process chain. Around 30 countries are working together to provide international guidelines. As ISO 27913 was the first standard finished within these activities it is already in the stage of first revision.
The objective of ISO 27913 is “to provide specific requirements and recommendations on certain aspects of safe and reliable design, construction and operation of pipelines intended for the large-scale transportation of CO2 that are not already covered in existing pipeline standards such as ISO 13623, ASME B31.8, EN 1594, AS 2885 or other standards. Existing pipeline standards cover many of the issues related to the design and construction of CO2 pipelines; however, there are some CO2 specific issues that are not adequately covered in these standards. The purpose of this document is to cover these issues consistently. Hence, this document is not a standalone standard, but is written to be a supplement to other existing pipeline standards for natural gas or liquids for both onshore and offshore pipelines.”
This contribution shall provide information on the content, the current stage of the revision process, encourage to contribute to this standard and make listeners aware to consider the influence of ISO standard on documents currently in draft.
Korrosionsprüfung
(2024)
Der Vortrag gibt einen Überblick über gängige Korrosionsversuche. Die wesentlichen Unterschiede zwischen Prüf- und Untersuchungsverfahren, deren jeweilige Zielstellung, Aussagefähigkeit und Grenzen werden aufgezeigt. Es werden ausgewählte Auslagerungsversuche, Kammerprüfungen sowie elektrochemische Messmethoden zur Bestimmung der Korrosionsbeständigkeit vorgestellt. Anhand praktischer Beispiele werden ausgewählte Ergebnisse der einzelner Methoden vorgestellt und diskutiert.
Übersichtsvortrag zu Korrosionsarten, die bei nichtrostenden Stählen unter verschiedenen Einsatzbedingungen auftreten können. Die Grundlagen zur Pasivität und der örtlichen Störung der Passivität werden im Zusammenspiel komplexer Einflussfaktoren des Korrosionssystems herausgestellt. Die erarbeiteten theoretischen Grundlagen werden anhand praktischer Beispiel für alle relevanten Korrosionsarten vertieft.
Korrosion und Korrosionsschutzverfahren: Teil 1 Grundlagern der Korrosion metallener Werkstoffe
(2024)
Der Übersichtsvortrag vermittelt Kenntnisse zu den Grundlagen der Korrosion metallischer Werkstoffe für das KKS Grundlagenseminar für erdverlegte Anlagen und Stahlbetonbau zur Vorbereitung auf die Zertifikatsprüfung DIN EN 15257. Diese Kenntnisse bilden die Grundlage zum Verständnis der Beeinflussung von Korrosionssystemen durch die Anwendung kathodischer Schutzmaßnahme
Der Vortrag thematisiert die Grundlagen des Korrosionsschutzes. Dieser kann planungs-,werkstoff oder mediumsseitig erfolgen oder mit elektrochemischen Methoden umgesetzt werden. Der Vortrag beschreit die Korrosivitäten der Atmosphären und welche Maßnahmen für den Korrosionsschutz daraus abgeleitet werden können.
Demonstrationsexperimente
(2024)
In maritimer Exposition können Zinkbauteile Nutzungsdauern von 50 Jahren erreichen. Dabei werden Expositionen mit Spritzwasserbelastung durch Meerwasser nicht betrachtet. Normative Betrachtungen und Korrosionsprognosen basierend auf Einjahreswerten liefern hier grundlegend falsche Ergebnisse, da sie eine signifikant höhere Belastung der Atmosphäre mit SO2 voraussetzen.
Der Vortrag beschreibt die grundlegenden Voraussetzungen für das Auftreten von Spannungsrisskorrosion an nichtrostenden Stählen und erläutert den Schadensmechanismus bis zum Versagen des Werkstoffs. Abgeleitet von den notwendigen Voraussetzungen für das Auftreten von SpRK werden werkstoff, medien und belastungsabhängige Einflussfaktoren erläutert, die die Beständigkeit der Werkstoffe gegenüber dieser Schädigungsart positiv wie auch negativ verändern. Weiterhin werden historische und aktuelle Schadensfälle präsentiert und Ursachen, Folgen und mögliche Fehlervermeidung disktutiert. Abschließend werden Prüfverfahren zum Nachweis der Empfindlichkeit von nichtrostenden Stählen gegenüber SpRK näher beschrieben.
Beton ist weltweit einer der wichtigsten Konstruktionswerkstoffe und zeichnet sich durch eine enorme Anpassungsfähigkeit an sich verändernde Anforderungen aus. Damit verbunden ist eine hohe und kontinuierlich zunehmende Komplexität hinsichtlich der Ausgangsstoffe, Rezepturen und des Herstellungsprozesses. Folglich setzt eine Ausschöpfung des technischen und umweltbezogenen Potenzials der Betonbauweise höchste Expertise bei den Einzelakteuren der Bauindustrie voraus.
Additive manufacturing (AM) has revolutionized the manufacturing industry, offering a new paradigm to produce complex geometries and parts with customized properties. Among the different AM techniques, the wire arc additive manufacturing (WAAM) process has gained significant attention due to its high deposition rate and low equipment cost. However, the process is characterized by a complex thermal history making it challenging to simulate it in real-time for online process control and optimization.
In this context, a reduced order model (ROM) using the proper generalized decomposition (PGD) method [1] is proposed as a powerful tool to overcome the limitations of conventional numerical methods and enable the real-time simulation of the temperature field of WAAM processes. These simulations use a moving heat source leading to a hardly separable parametric problem, which is handled by applying a novel mapping approach [2]. This procedure makes it possible to create a simple separated representation of the model, which allows to simulate multiple layers.
In this contribution, a PGD model is derived for the temperature field simulation of the WAAM process. A good agreement with a standard finite element method is shown. The reduced model is further used in a stochastic model parameter estimation using Bayesian inference, speeding up calibrations and ultimately leading to a calibrated real-time simulation.
It is well known that cement manufacture, including CaCO3 calcination and clinker formation, is associated with substantial energy consumption and significant greenhouse gas emissions. Alkali-activated binders (AAB) and concretes made from them can significantly contribute to reducing CO2 emissions caused by the construction industry. However, to what extent and for how long concretes made from AAB can protect the steel in reinforced concrete components from corrosion is still unclear. Unlike PC-based binders, AABs are made by reacting alkaline solutions with solid precursors such as fly ash and ground granulated blast furnace slag (GGBFS). Therefore, steel reinforcement corrosion mechanisms in AAMs differ from PC-based binders. The present study aims to evaluate the corrosion behavior of steel rebar in alkali-activated materials (AAMs) synthetic pore solution with different chemical concentrations representing different GGBFS and Flay Ash based binders by performing electrochemical tests to measure the corrosion rate and corrosion potential of steel rebar. This information can be used to improve the design of AAMs in order to ensure a longer service life for these materials.
Polymers with intrinsic microporosity are promising candidates for the active separation layer in gas separation membranes. These polymers are characterized by a high permeability and reasonable permselectivity. The latter point is somehow surprising because for microporous systems a more Knudson-like diffusion is expected then a size dependent temperature activated sieving process. It was argued in the framework of a random gate model that molecular fluctuations on a time scale from ps to ns are responsible for the permselectivity.
Here series of polymers of intrinsic microporosity (PIMs) as well as microporous polynorbornenes with bulky Si side groups and a rigid backbone are considered. The polymers have different microporosity characterized by high BET surface area values.
First inelastic time-of-flight neutron scattering measurements were carried out to investigate the low frequency density of state (VDOS). The measured data show the characteristic low frequency excess contribution to the VDOS above the Debye sound wave level, generally known as the Boson peak in glass-forming materials. It was found that the frequency of the maximum position of the Boson peak correlates with the BET surface area value.
Secondly elastic scans as well as quasielastic neutron scattering measurements by a combination of neutron time-of-flight and backscattering have been out. A low temperature relaxation process was found for both polymers. This process was assigned to the methyl group rotation. It was analysed in terms of a jump diffusion in a three-fold potential. The analysis of the dependence of the elastic incoherent structure factor on the scattering vector yields the number of methyl groups which might be immobilized.
The neutron scattering experiments were accompanied by fast scanning calorimetry and broadband dielectric investigations as well as atomistic molecular dynamic simulations.
Building envelopes & natural rock surfaces represent the frontier between solid material surfaces, biosphere and the atmospheric environment – and are subject to permanent change in structure and chemistry. These surfaces are a natural habitat of subaerial rock biofilms (SAB) that are an important stage of primary succession. As their metabolic processes have a great impact on the composition of the near-surface layers of the earth biofilms on natural and manmade hard substrates are a research focus of geomicrobiology. In technical systems immobilized algae biofilms are already used successfully for wastewater cleaning. Algae can eliminate bacteria from the water and at the same time increase the oxygen concentration and the pH value in the water through photosynthesis, which again allows phosphate elimination to take place. Nitrificants contained in the algae biofilm convert ammonium to nitrite and nitrate.
Mineral claddings for building facades could be engineered to sustain either natural or previously established carefully selected algae-dominated biofilms and this way help to clean the air.
For a targeted engineering of the mineral substrates and the biofilms attached to them basic knowledge is however missing. By systematic research in an interdisciplinary team of microbiologists and building material scientists the following questions shall be clarified
• How can a curated biofilm be stabilized on the surface and designed to be durable without compromising the substrate
• What exactly do the biofilms need in terms of moisture in their respective growth stages? Or how long water must be available in what form and quantity to enable growth.
• What is the influence of the substrate on the availability and quality of the (rain) water (water quality, leaching of substances (alkalis) from the building materials, leaching of aerosol components, surface tension, suction tension, thickness of the water molecule layers adsorbed in the pore spaces....)
There are several research groups working on bioreceptive building materials which emphasizes the general interest in the topic. The idea of speeding-up the process by the targeted establishment of biofilms on building façade panels is a unique approach that has so far only been researched at BAM. Architects are very interested in biofilm facades as a new co-designing method of humans and nature reflecting the changing awareness for the loss of biodiversity in cities. If the biofilms need irrigation the evaporative cooling would reduce the urban heat island effect.
Neubewertung von metallenen Dach- und Fassadenmaterialien unter Dauerhaftigkeits- und Umweltaspekten
(2023)
Metallene Dach- und Fassadenmaterialien unterliegen nach ihrer Installation infolge von Korrosions- und Abschwemmprozessen einem Abtrag von Metallionen. Durch Regenereignisse gelangen diese in umliegende Gewässer und Böden. Die verwendeten metallenen Werkstoffe, wie z.B. Kupfer und Zink bilden zeitabhängig schützende Deckschichten aus, die die Dauerhaftigkeit der Werkstoffe gewährleisten und damit den Austrag von Metallionen signifikant begrenzen. Die Geschwindigkeit der Deckschichtbildung sowie die erreichte Schutzwirkung sind von verschiedenen Umwelteinflüssen und klimatischen Bedingungen abhängig. Diese haben sich in den letzten Jahrzehnten in Europa stark verändert, so dass es einer aktuellen Datenbasis für die Bewertung der Dauerhaftigkeit und der Umweltauswirkungen bedarf. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens werden aktuell Feldstudien zur Ermittlung des Runoffs und der Schutzwirkung der gebildeten Deckschichten durchgeführt. Ergänzt werden diese durch Laborversuche mit künstlicher Beregnung.
Bedingung für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle ist die vollständige Ausbildung der Passivschicht. Voraussetzung dafür sind glatte, blanke, saubere Oberfläche, eine gleichmäßige Elementverteilung, wenig Ausscheidungen und Verunreinigungen. Eine mögliche Beeinflussung der Gefügeausbildung durch Warmumformung und durch die schweißtechnische Verarbeitung sind zu beachten. Anlauffarben müssen durch geeignete geeignete chemische bzw. mechanische Nachbehandlung entfernt werden. Eine ausreichende Nachbehandlung kann durch elektrochemische Prüfverfahren ebenso sichergestellt werden wie mittels der KorroPad-Prüfmethode. Letzte ist einfach und schnell in der Anwendung und ermöglicht es dem Verarbeiter, die Geeignetheit einer Nachbehandlung zu überprüfen.
In this paper, we demonstrate the value of 1H NMR
relaxometry for studying the hydration of clinker-reduced, more
climate-friendly cementitious binders. The results were obtained
on typical CEM I cements and samples containing two different
reactive agricultural ashes as well as non-reactive biochars as
supplementary cementitious materials. The findings prove that
time-resolved NMR measurements provide valuable additional
information when combined with classical heat flow calorimetry.
Steelmaking slag is a by-product of steel production of which 4.5 Mt were produced in 2020 in Germany alone. It is mainly used in road construction, earthwork and hydraulic engineering. A smaller part is returned to the metallurgical circle, used as fertilizer or landfilled.
With this use, iron oxides still contained in steelmaking slag are lost. In addition, the possibility of producing higher-grade products from steelmaking slag is foregone. In recent decades, many researchers have investigated the production of Portland cement clinker and crude iron from basic oxygen furnace slags (BOFS) via a reductive treatment. Carbothermal treatment of liquid BOFS causes a reduction of iron oxides to metallic iron, which separates from the mineral phase due to its higher density. Simultaneously, the chemical composition of the reduced slag is adapted to that of the Portland cement clinker.
In this study, German BOFS was reduced in a small-scale electric arc furnace using petrol coke as a reducing agent. The resulting low-iron mineral product had a similar chemical composition to Portland cement clinker and was rich in the tricalcium silicate solid solution alite (Ca3SiO5). Based on its chemical and mineralogical composition, similar to that of Portland cement clinker, the reduced BOFS has the potential to react comparably. In our study, the reduced BOFS produced less heat of hydration compared to OPC and its hydraulic reaction was delayed. However, adding gypsum has been shown to accelerate the hydration rate of the reduced BOFS compared to that known from the calcium silicates of Portland cement clinker.
Further research to improve the hydraulic properties of the reduced slag is essential. If successful, producing a hydraulic binder and crude iron from BOFS could have economic and ecological benefits for both the cement and steel industry.
In the late 1980s, a new type of corrosion appeared in drinking water installations where galvanized steel pipes failed forming a deep groove with no corrosion at the other surfaces. The reason was discussed quite fiercely between failure analysts and material suppliers. In the end the discussion lead to the solution: inductive welded pipes of a certain sulphur content were prone to selective corrosion. The history of the arguments is discussed using old communications between Wilhelm Schwenk and Wolfgang Stichel, who later published the results in a paper unfortunately only I german.
Thus the knowledge got lost and new cases based on the same material problems are observed in application of so-called C-Steel piping systems. Failure cases are shown.
Anhand der Wirksumme ist eine Abschätzung des legierungsabhängigen Einflusses auf den Korrosionswiderstand gegen chloridhaltige Medien möglich. Die berechneten Werte sind nur bei optimaler Wärmebehandlung und Verarbeitung zutreffend.
Die Anwendung einer einfachen Formel unter Berücksichtigung von Chrom, Molybdän und Stickstoff ist in der Regel völlig ausreichend. Das daraus abgeleitete Ranking von Werkstoffen ist für diverse technische Regelwerke und zur Unterstützung der Werkstoffauswahl geeignet.
Für die Warenein-/Ausgangskontrolle ist die alleinige Feststellung der Wirksumme unzureichend. Ergänzende Korrosionsuntersuchungen/-prüfungen zur Beschreibung des Korrosionswiderstandes sind dafür notwendig. Gleiches gilt für die Beurteilung von Schadensfällen. Hier sind Verarbeitung, Einsatzbedingungen und die Konstruktion von ausschlaggebender Bedeutung.
Understanding the fundamentals of bioreceptivity enables the developement of functionalized materials. Concrete as the most used building material worldwide is of special interest as microbially greened panels may represent an alternative to classic façade greening with plants.
As standards are not ye established, material characterization in context as well as bioreceptivity assessment itself has been proven to be difficult. The presentation reviews first results of methods adapted for this application.
Bewertung der Innenhydrophobierung als neuartige AKR-Vermeidungsstrategie bei Betonfahrbahndecken
(2023)
Zur Vermeidung von AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken im deutschen Autobahnnetz wurden mit dem ARS 04/2013 verbindliche Eignungsprüfungen zum Ausschluss alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen bei Neubau- und Erhaltungsmaßnahmen eingeführt. Das hatte eine signifikante Reduzierung geeigneter Gesteinskörnungen zur Folge. Deshalb wird geprüft, ob durch die Zugabe eines Hydrophobierungsmittels während der Betonherstellung grenzwertig alkaliempfindliche Gesteinskörnungen nutzbar gemacht werden können. In diesem Beitrag wird der Einfluss der Dosierung eines Compounds mit Hydrophobierungsmittel (HM) auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften eines Waschbetons mit einer reaktiven Grauwacke dargestellt. Es zeigt sich, dass aufgrund des Antagonismus die zunehmende Dosierung des HM-Compounds eine signifikante Erhöhung der Zugabe des Luftporenbildners auf Wurzelharzbasis erfordert. Der AKR-Schädigungsprozess wird ab einer Dosierung des HM-Compounds von 0,75 M.-%, bezogen auf den Zementgehalt, hinreichend vermindert. Die mechanischen Eigenschaften des hydrophobierten Waschbetons verschlechtern sich im betrachteten Dosierungsbereich des HM-Compounds nur geringfügig. Auch der Frost-Tausalz-Widerstand vermindert sich, ohne den normativen Grenzwert für die Abwitterung zu überschreiten.
Concrete has a long history in the construction industry and is currently one of the most widely used building materials. Unfortunately, the concrete industry has a significant impact on the environment by contributing to about 9% of the total anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions. Concrete is a highly complex composite material. However, the main source of concrete's GHG emissions is the cement. This leads to two main strategies when trying to reduce the environmental impact. The first is to reduce the cement within the concrete mix. This can be done by substituting it using additives or increasing the amount of aggregates. Usually this will lead to decreased material properties, like compressive strength or stiffness. The second option is to reduce the amount of required concrete by optimizing the topology of the structure. However, this might require higher compressive strength. In addition, there are other properties like to workability which need to be considered. All in all, this leads to a highly complex optimization problem, which requires the estimation of effective concrete properties, based on the mixture as input to a predictive simulation.
We present an automated workflow framework which combines experimental data with simulations, calibrates the simulation and performs the desired optimization. This workflow includes classical FE models, design guidelines based on model codes, as well as data driven methods. The chosen example is a beam, for which the concrete mixture is optimized to reduce GHG emissions. The first step is an estimation of material parameters, based on experimental data. This includes measures of stochastic distribution, allowing the quantification of the quality of the estimated parameters. The second step is the optimization. It takes into account constraints like the loading capacity after 28 days, the maximum allowed temperature during cement hydration and the maximum time till demoulding. The applied models include a Mori-Tanaka-based homogenization method to estimate effective concrete parameters, an FE simulation including the evolution of the concrete compressive strength and stiffness, the temperature field, displacements, and stress. This research shows a way towards a more performance-oriented material design.
Additive manufacturing (AM) has revolutionized the manufacturing industry, offering a new paradigm to produce complex geometries and parts with customized properties. Among the different AM techniques, the wire arc additive manufacturing (WAAM) process has gained significant attention due to its high deposition rate and low equipment cost. However, the process is characterized by a complex thermal history, dynamic metallurgy, and mechanical behaviour that make it challenging to simulate it in real-time for online process control and optimization.
In this context, a reduced order model (ROM) using the proper generalized decomposition (PGD) method is proposed as a powerful tool to overcome the limitations of conventional numerical methods and enable the real-time simulation of the temperature field of WAAM processes. Though, the simulation of a moving heat source leads to a hardly separable parametric problem, which is handled by applying a novel mapping approach. Using this procedure, it is possible to create a simple separated representation of the model, also allowing to simulate multiple layers.
In this contribution, a PGD model is derived for the WAAM procedure simulating the temperature field. A good agreement with a standard finite element method is shown. The reduced model is further used in a stochastic model parameter estimation using Bayesian inference, speeding up calibrations and ultimately leading to a calibrated real-time simulation.
Multiscale modeling of heterogeneous structures based on a localized model order reduction approach
(2023)
Many of today’s problems in engineering demand reliable and accurate prediction of failure mechanisms of mechanical structures. Thus, it is necessary to take into account the heterogeneous structure on the smaller scale, to capture the underlying physical phenomena. However, this poses a great challenge to the numerical solution since the computational cost is significantly increased by resolving the smaller scale in the model. Moreover, in applications where scale separation as the basis of classical homogenization schemes does not hold, the influence of the smaller scale on the larger scale has to be modelled directly. This work aims to develop an efficient concurrent methodology to model heterogeneous structures combining the variational multiscale method (VMM) [1] and model order reduction techniques (e. g. [2]). First, the influence of the smaller scale on the larger scale can be taken into account following the additive split of the displacement field as in the VMM. Here, also a decomposition of the global domain into subdomains, each containing a fine grid discretization of the smaller scale, is introduced. Second, local reduced approximation spaces for the smaller scale solution are constructed by exploring possible solutions for each subdomain based on the concept of oversampling [3]. The associated transfer operator is approximated by random sampling [4]. Herein, we propose to incorporate the actual physical behaviour of the structure of interest in the training data by drawing random samples from a multivariate normal distribution with the solution of a reduced global problem as mean. The local reduced spaces are designed such that local contributions of each subdomain can be coupled in a conforming way. Thus, the resulting global system is sparse and reduced in size compared to the direct numerical simulation, leading to a faster solution of the problem.
In recent years, the use of simulation-based digital twins for monitoring and assessment of complex mechanical systems has greatly expanded. Their potential to increase the information obtained from limited data makes them an invaluable tool for a broad range of real-world applications. Nonetheless, there usually exists a discrepancy between the predicted response and the measurements of the system once built. One of the main contributors to this difference in addition to miscalibrated model parameters is the model error. Quantifying this socalled model bias (as well as proper values for the model parameters) is critical for the reliable performance of digital twins. Model bias identification is ultimately an inverse problem where information from measurements is used to update the original model. Bayesian formulations can tackle this task. Including the model bias as a parameter to be inferred enables the use of a Bayesian framework to obtain a probability distribution that represents the uncertainty between the measurements and the model. Simultaneously, this procedure can be combined with a classic parameter updating scheme to account for the trainable parameters in the original model. This study evaluates the effectiveness of different model bias identification approaches based on Bayesian inference methods. This includes more classical approaches such as direct parameter estimation using MCMC in a Bayesian setup, as well as more recent proposals such as stat- FEM or orthogonal Gaussian Processes. Their potential use in digital twins, generalization capabilities, and computational cost is extensively analyzed.
For extrusion-based 3D concrete printing, the early age mechanical behavior is influenced by various time dependent phenomena: structural build-up, plasticity as well as viscosity. The structural build-up is governing the stability and early-age strength development of the fresh printable cementitious materials and with that influencing the printability, buildability, and open time of the printing process. Generally, it is influenced by a number of factors, i.e. composition of the printable material, printing regime, and ambient conditions (temperature, humidity, etc.). There are several approaches to model the structural build-up of cementitious materials. All models are based on a time-dependent internal structural parameter describing the flocculation state, which is assumed to be zero after mixing and increases with time. The approaches differ in the definition of the time dependency (linear, exponential, bi-linear). Usually, the parameters are defined for a specific material composition without considering the influence of ambient conditions.
In this contribution, the bi-linear structural build-up model [Kruger et al., Construction and Building Materials 224, 2019] is extended by the temperature influence. Temperature changes will occur in real life printing processes due to changing ambient conditions (summer, winter, day, night) as well as the printing process (pressure changes etc.) and have a significant impact on the structural build-up process: an increase of the temperature leads to a faster dissolution of cement phases, accelerates hydration and boosts the Brownian motion. For that reason, the model parameters are simulated as temperature dependent using an Arrhenius function. Furthermore, the proposed extended model is calibrated based on measurement data using Bayesian inference. A very good agreement of the predicted model data with the measured control data was reached. Additionally, the structural build-up model is integrated into a viscoelastic and elastoplastic mechanical model, simulating the whole mechanical behavior during layer deposition.
Basic oxygen furnace slag (BOFS) is a by-product of steelmaking of which about 10.4 Mt are produced annually in the EU. BOFS is mostly used in road construction, earthwork and hydraulic engineering. However, in this use, the iron bound in BOFS is lost and the opportunity to produce higher value products from BOFS is forgone.
In recent decades, many researchers have investigated the production of both Portland cement clinker and crude iron from BOFS via a thermochemical reductive treatment. The reductive treatment of liquid BOFS causes a reduction of iron oxides to metallic iron, which separates from the mineral phase due to its higher density and can be recovered. An advantage of this process is that simultaneously the chemical composition of the reduced BOFS is adapted to that of Portland cement clinker and the hydraulic reactive mineral alite (Ca3SiO5) is formed.
In this study, German BOFS was reduced in a small-scale electric arc furnace and a low-iron mineral product rich in alite was produced. Despite a chemical and mineralogical composition similar to that of Portland cement clinker, the reduced BOFS produced less heat of hydration, and its reaction was delayed compared to Portland cement. However, adding gypsum accelerated the hydration rate of the reduced BOFS.
Further research to improve the hydraulic properties of the reduced BOFS is essential. If successful, the production of a hydraulic material and crude iron from BOFS could have economic and ecological benefits for both the cement and steel industry.
The global demand for concrete is growing, and with it, its carbon footprint. Current literature proposes biochar, a product of pyrolysis, as a possible car-bon sink to reduce the carbon footprint of concrete. This work investigates the microstructure of Portland cement pastes with 0%, 5%, and 25% of the cement replaced with wood biochar, since this should influence its macro-scopic mechanical properties. MIP, gas sorption, NMR, and µ-CT were used to analyze the pore space of the three materials. The combination of these methods, each with different resolution, enables a multi-scale investigation of biochar impact on the microstructure of cement pastes. NMR confirmed that biochar can absorb moisture and, thus, reduces the effective water-to-cement ratio. MIP and gas sorption results show 0% and 5% volume re-placement have similar gel pore structure. The results from µ-CT investiga-tions suggest that biochar may reduce the formation of larger pores. The in-clusion of non-reactive porous particles such as biochar increase the porosity of the material and should act as a weakness in terms of mechanical proper-ties. Overall, this study highlights the need to carefully tailor replacement rates to control the impact of biochar on the microstructure concrete mixtures and sees a strong need for further studies on mechanical properties.
Main message: Sustainability, or in other words, exploiting environmental conservation for the economic welfare and prosperity for all, would revolutionise the plastics industry were it to become predominant practice as a linear, fossil-fuel–based economy is switched to a carbon circular economy. Food for though is given by dint of a critical overview of the current trends in sustainable flame-retardant polymeric materials.
Introduction:
Transforming the plastics industry into a carbon circular economy over the next 30 years requires an immediate revolution entailing the development of cutting-edge materials and the planning of future industrial production plants. Hence, the innovative field of flame-retardant polymeric materials should lend its strength to drive this challenge. Visionary solutions are proposed to inspire us, while the implementation of economically feasible concepts can take us forward into the future.
Experimental The synthesis, processing, polymer analysis, thermal analysis, and investigation of fire behaviour from our own research are performed according to the state of the art, mostly in accordance with the pertinent ISO standards. Indeed, some of our equipment is part of the accredited lab; for the other methods we fulfil equivalent quality standards in terms of maintenance, calibration, participation in round robins, etc. Work steps such as the synthesis or preparation of new materials are usually outsourced or done with partners that have the relevant core competence. The talk also presents examples from other groups whose experimental is described in the corresponding scientific papers.
Results and Discussion An overview of current trends towards producing sustainable, flame-retardant polymeric materials is presented, using examples from the literature and by sketching our own projects performed in recent years. The examples are structured along a common theme leading from the use of old and new natural materials with some intrinsic flame retardancy, via flame-retardant biopolymers and biocomposites, to using renewable sources for flame retardants with the objective of exploiting natural sources available as industrial waste streams. Natural flame retardants and adjuvants are highlighted, although the status of most may be assessed as merely motivating our vision. Nevertheless, there are natural material streams finding their way into polymer mass production as fillers, adjuvants, polymers, or renewable educt sources. Natural substances originating from industrial waste streams open the door to sustainable solutions, because they are often available at low cost and avoid competition for land with farming or virgin forests. Aside from this main topic, remarks will address the recycling of flame-retarded polymeric materials; vitrimers are mentioned as a potential material for recyclable thermosets. At the end of the day, only convincing property profiles will prevail both for exploiting renewable sources and circular design, including cost effectiveness, sufficient availability, consistent quality, processibility, mechanical properties, and flame retardancy. However, sustainability must not be merely tolerated as an additional demand, but should instead be recognized as a solution, because sustainability aspires to ensure our economic welfare now and in the future.
Acknowledgement:
The examples shown from own project were supported by funding grants: BMBF WTZ: 01DN16040, DFG Scha 730/19-1, VW-Stiftung: Experiment No: 97437, DFG Scha 730/20-1, BMBF KMU Innovativ 031B1289B.
Slow crack growth (SCG) under the influence of external fluid media, usually termed environmental stress cracking (ESC), is still one of the most frequent origins of severe damage and failure of polymeric materials. For polyethylene (PE) this is relevant for mass products, like bottles for consumer products, but also for high-performance materials for pipes or industrial packaging, including containers for chemicals and other dangerous goods. Especially for high-density polyethylene (PE-HD) the susceptibility to SGC and ESC is depending on the complex interplay between molecular weight and architecture and the resulting semicrystalline morphology, especially the formation of tie-molecules.
A reliable assessment of the resistance against this damage phenomenon is essential for demanding as well as safety-critical applications and has to take into account suitable testing methodologies and conditions in combination with environmental media reflecting the properties representative for typical fillings and relevant components causing ESC. In this context a better understanding of different influencing factors, such as sorption, swelling or surface activity is necessary together with a detailed characterization of different stages of crack propagation and underlying mechanisms. Therefor well-established testing methods, such as the Full Notch Creep Test (FNCT), were complemented by detailed fracture surface analysis using e.g. LSM and SEM in combination with a time-dependent optical monitoring of the progressing crack growth.
For the crack growth also the ratio of fibrillated craze zone to crack opening is important for the deeper understanding of crack propagation and related material parameters which can be additionally addressed by X-ray computed tomography.
A few layer/multilayer graphene (MLG) with a specific surface area of BET ≥ 250 m2/g is proposed as an efficient multifunctional nanofiller for rubbers. The preparation method, i.e., ultrasonically-assisted solution or latex premixing of master batches followed by conventional two-roll milling, strongly influences the dispersion in the elastomeric matrix and is fundamental for the final properties. When homogenously dispersed, single stacks of only approximately 10 graphene sheets, with an aspect ratio of ca. 35, work at low loadings, enabling the replacement of large amounts of carbon black (CB), an increase in efficiency, and a reduction in filler load. The appropriate preparation yielded nanocomposites in which just 3 phr are sufficient to significantly improve the rheological, curing, gas barrier properties, electrical and thermal conductivity, as well as mechanical properties of different rubbers, as shown for chlorine-Isobutylene-Isoprene rubber (CIIR), nitrile-butadiene rubber (NBR), natural rubber (NR), and styrene-butadiene rubber (SBR).[1-5] 3 phr of MLG tripled the Young’s modulus of CIIR, an effect equivalent to 20 phr of CB. The stronger interactions between MLG and NR or SBR also resulted in a reduction in the elongation at break by 20% and 50%, respectively, while the same parameter was hardly changed for CIIR/MLG and NBR/MLG. CIIR/MLG and NBR/MLG were stiffer but just as defomable than CIIR and NBR. The strong reinforcing effect of 3 phr MLG was confirmed by the increase of greater than 10 Shore A in hardness. MLG reduces gas permeability, increases thermal and electrical conductivities, and retards flammability. We investigated MLG also as a synergist for reducing the aluminium trihydrate loading in flame retardant hydrogenated acrylonitrile-butadiene (HNBR), polybutadiene chloroprene (BR/CR), and chlorosulfonated polyethylene rubber(CSM).[6-8] The higher the nanofiller concentration is, the greater the improvement in the properties. For instance, the permeability decreased by 30% at 3 phr of MLG, 50% at 5 phr and 60% at 10 phr, respectively. Moreover, the MLG nanocomposites improve stability of mechanical properties against the effects of weathering. In key experiments an increase in UV-absorption and a pronounced radical scavenging were proved as stabilizing mechanisms. In a nutshell, MLG is an efficient multifunctional nanofiller ready to be used for innovative rubber development.
Der Vortrag stellt die Projektskizze zum Thema Gefügeveränderung bei trockener Schleifbearbeitung vor. Das Projekt hat das Ziel, das sich aus dem Trockenschleifverfahren ergebende chemische, mechanische und thermische Belastungskollektiv in der Kontaktzone zwischen Schleifmittel und Stahloberfläche in Abhängigkeit der verwendeten Schleifparameter genau zu beschreiben und die daraus resultierenden Oberflächen- und Gefügeveränderungen zu identifizieren und zu klassifizieren.
Im Vortrag werden die wesentlichen Grundlagen zum Verständnis der Korrosion metallener Werkstoffe in komprimierter Form vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt auf der Betrachtung der atmosphärischen Korrosion und den sich daraus ergebenden Anforderungen an den Korrosionsschutz insbesondere für den Bereich Verpackungen.
Significant Cu-deposition and precipitation only occurred in combination with carbon steel. High-alloyed materials prevent the disturbing Cu-agglomeration. Pb-deposition and precipitation only occurred in combination with carbon steel. No negative Pb-effect could be observed in combination with high-alloyed steels. High alloyed corrosion resistant alloys are suitable and shall be chosen for future design of the piping system, either in massive or in cladded form, to prevent unwanted interactions with brine components.
Die Bedingungen für den schadensfreien Einsatz nichtrostender Stähle, nicht nur bei Schweißverbindungen, sind:
1) Die Passivschicht muss sich vollständig ausbilden können.
Voraussetzung dafür sind glatte, blanke, saubere Oberfläche, eine gleichmäßige Elementverteilung, wenig Ausscheidungen und Verunreinigungen. Eine mögliche Beeinflussung der Gefügeausbildung durch Warmumformung und durch die
schweißtechnische Verarbeitung sind zu beachten. Anlauffarben
müssen durch geeignete geeignete chemische bzw. mechanische Nachbehandlung entfernt werden.
2) Die Repassivierung von Defektstellen unter Einsatzbedingungen muss möglich sein, was durch geeignete Werkstoffauswahl und die Legierungszusammensetzung sicherzustellen ist. Unplanmäßige Betriebszustände oder Störungen können kritische Systemzustände hervorrufen, die die Repassivierung beeinträchtigen oder verhindern.
Eine geeignete Unterhaltsreinigung ist sicherzustellen.
Die Oberflächentexturierung der Betonfahrbahndecken mittels Grinding und Grooving steht seit einigen Jahren im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung des Betonstraßenbaus in Deutschland. In den vergangenen Jahren wurden die vorteilhaften Oberflächenperformances derartiger Texturen, wie z.B. Griffigkeit, Ebenheit, Lärmminderung, in zahlreichen Forschungsprojekten umfassend untersucht. Im Kontext des gegenwärtig verfolgten ganzheitlichen performanceorientierten Ansatzes liegt der Fokus nun verstärkt auf der Analyse und Charakterisierung der Oberflächentopografie von Grinding- bzw. Groovingtexturen. Insbesondere gilt ein Hauptaugenmerk hierbei der zeitlichen Entwicklung der Oberflächentexturen in Abhängigkeit von äußeren Einwirkungen durch Klima und Verkehr.
Im Rahmen eines von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) geförderten Forschungsvorhabens wurden zunächst die messtechnischen Voraussetzungen für eine hochaufgelöste dreidimensionale Erfassung der Oberflächentopografie von Grinding- und Groovingtexturen in situ geschaffen. Das schließt auch die Entwicklung einer Messanordnung, die eine Wiederholbarkeit der 3D-Messungen gewährleistet und somit die Erfassung der zeitlichen Texturveränderungen ermöglicht. Basierend darauf wurden Auswerteroutinen zur qualitativen und quantitativen Beschreibung der Oberflächentexturen und deren Veränderungen entwickelt und angewandt. Anschließend wurde der Zustand von Grinding- und Groovingtexturen an ausgewählten Praxisstrecken in definierten Zeitintervallen erfasst. Unter Verwendung der erarbeiteten Auswerteroutinen wurden die erfassten Oberflächen analysiert und repräsentative Texturkennwerte abgeleitet.
To prevent future alkali-aggregate reaction (AAR) damage, which has occurred frequently in the German highway network in recent years, a new regulation has been drafted. This regulation severely limits the use of alkali-sensitive aggregates by requiring that their suitability be verified by certified inspectors using newly developed AAR concrete tests that involve the external supply of alkali. This has led to a significant limitation in the number of aggregates usable for concrete pavements. A novel AAR avoidance strategy is now being pursued, which aims to enable the use of borderline alkali-sensitive aggregates through the application of an internal water-repellent treatment. The addition of water repellents during concrete production should significantly reduce the ingress of water and external de-icing salts into the concrete pavement, thus reducing the potential for AAR damage.
This paper presents the results of laboratory tests to assess the suitability of this new AAR prevention strategy. Representative, highly AAR-susceptible road paving concrete made with an alkali-sensitive greywacke and various water repellents were used as the basis for these experiments. The tests for concrete suitability included determining the conventional fresh and hardened concrete properties as well as concrete prism tests with external alkaline supply. Building on these results, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) analyses of de-icing-salt intrusion as well as microscopic examinations for verification of the AAR characteristics were carried out.
The results of the AAR concrete tests with external alkaline supply support the conclusion that, when hydrophobic agents containing a suitable active ingredient are used, the AAR damage process in road paving concrete can be sufficiently prevented.
An den vor allem vor 2006 errichteten Betonfahrbahndecken sind in den letzten Jahren vermehrt AKR-Schäden aufgetreten. Vor diesem Hintergrund wurde durch das BMVBS das ARS 04/2013 erlassen. Dieses wiederum sieht verbindlich im Vorfeld des Neubaus und der Erneuerung von Fahrbahndecken aus Beton im deutschen Bundesautobahnnetz einen Eignungsnachweis für die Gesteinskörnungen vor. Das hatte in den Folgejahren eine drastische Reduzierung der einsatzbaren Gesteinskörnungen zur Folge. Vor diesem Hintergrund wird in dem Beitrag die Leistungsfähigkeit der Innenhydrophobierung als neuartige AKR-Vermeidungsstrategie zur Nutzbarmachung grenzwertig alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen aufgezeigt. Dabei wird ein Einblick in die Ergebnisse zweier aufeinander aufbauender BASt-Forschungsvorhaben gegeben. Den Schwerpunkt bildet hierbei die Bewertung des Einflusses der Dosierung des Hydrophobierungsmittels auf die Frisch- und Festbetoneigenschaften im Rahmen von Basisuntersuchungen im Labor. Aufbauend darauf wird das Prüfprogramm eines großmaßstäblichen Technikumsversuchs und der aktuelle Stand der Umsetzung aufgezeigt.
For the construction of hot water storage tanks, ultra high performance concrete proofed to be a suitable building material to ensure water tightness. Common storage tanks build with concrete are designed to endure temperatures up to 90 °C. To increase the energy efficiency however, modern tanks need to withstand temperatures above 100 °C. With increasing temperature and correlating water vapor pressures, the cement must meet new requirements. Thermodynamic modelling is a promising tool for predicting the phase stabilities of minerals in the cement within these temperature and pressure ranges (T/P). Thus, mixture designs can be investigated and optimized with regard to the expected mineral phases in selected T/P-ranges. Additionally, predictions of the long-term material behavior can be derived from thermodynamic data and subsequently the experimental effort can be reduced notably. On the other hand, validation of predictions is needed. The base for the thermodynamic model is a thermodynamic equilibrium and thus, the experimental data for validation should approach the presumed conditions of the equilibrium. This study investigates variable experimental conditions for the hydration of Portland cement at 100 °C to reach a sufficiently progressed development of the phase composition. In case of Portland cement, the highest degree of hydration achievable within a reasonable time span is the most significant parameter. Therefore, Portland cement pastes with w/c ratios from 0.4 to 0.6 and dwell times up to three weeks were examined with powder X-ray diffraction to identify mineral phase changes. At 100 °C and high humidity, Portland cement paste shows the expected mineral phases like portlandite, katoite, and remaining clinker phases. The cement pastes with high water content and long dwell time seem to have the highest degree of hydration, even though the AFm phases stabilize with increasing w/c ratio. A dwell time of two weeks and a w/c ratio of 0.5 was found to provide the mineral composition with the highest degree of hydration including the major phase transitions.
The adaption of the set-up for gas permeability measurements for ultra-high performance concrete
(2022)
In the framework of this project, a steam pressure vessel was to be developed from ultra-high perfor-mance concrete (UHPC) to withstand process temperatures of 200 °C and the respective steam pressure of 15,5 bar. To guarantee the long-term water vapour tightness of the system, the permeability of two UHPC mixtures were tested after long-term cyclic autoclaving. As UPHC shows a high density and therefore low permeability, measurements after the RILEM-Recommendation (TC 116-PCD) reached their detection limit. Therefore, the measurement set-up was adapted to measure the permeability of highly dense UHPC more reliably and quickly. This adaption includes measurements in a higher pres-sure range, the change of sample size thickness and the usage of Ar as a medium compared with the RILEM Recommendation. Additionally, the system was equipped with two pressure sensors and Ar-flowmeters to guarantee a continuous record of the experimental parameters. The new system was tested and evaluated by comparing measurements with the RILEM recommended system. Preliminary results show that the adapted system is capable to provide efficient and reliable results of concrete with low permeability.
Anhand der Wirksumme ist eine Abschätzung des legierungsabhängigen Einflusses auf den Korrosionswiderstand gegen chloridhaltige Medien möglich. Die berechneten Werte sind nur bei optimaler Wärmebehandlung und Verarbeitung zutreffend.
Die Anwendung einer einfachen Formel unter Berücksichtigung von Chrom, Molybdän und Stickstoff ist in der Regel völlig ausreichend. Das daraus abgeleitete Ranking von Werkstoffen ist für diverse technische Regelwerke und zur Unterstützung der Werkstoffauswahl geeignet.
Für die Warenein-/Ausgangskontrolle ist die alleinige Feststellung der Wirksumme unzureichend. Ergänzende Korrosionsuntersuchungen/-prüfungen zur Beschreibung des Korrosionswiderstandes sind dafür notwendig. Gleiches gilt für die Beurteilung von Schadensfällen. Hier sind Verarbeitung, Einsatzbedingungen und die Konstruktion von ausschlaggebender Bedeutung.
Ein Umlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Splitter des zerborstenen Gehäuses aus Kunststoff wurden mit dem Kühlwasser in die Umgebung geschleudert, am Betriebsort entstand Personenschaden. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet - aber reproduzierbar - Knalleffekte bei Berührung der Außenoberfläche der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass bei dem aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat, war nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar gewesen sind.
Innovative Design- und Fertigungsstrategien zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau
(2022)
Ziel des Verbundvorhabens „SmartWeld“ ist es, für die schweißtechnische Fertigung von Stahlbaustrukturen exemplarisch am Beispiel von Hohlprofilknoten, welche als designrelevante Elemente von Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) einsetzbar sind, die Möglichkeiten des Leichtbaus unter konsequenter Digitalisierung der Fertigungskette aufzuzeigen, um einerseits die Ressourceneffizienz zu forcieren und gleichzeitig wettbewerbsfähige Fertigungsstrategien aufzuzeigen.
Innerhalb von „SmartWeld“ werden daher die Möglichkeiten einer wirtschaftlichen Fertigung von Leichtbau-Gründungsstrukturen am Beispiel aufgelöster Tragstrukturen (Jackets) aufgezeigt. Eine lastgerechte Auslegung der Schweißverbindungen nach bionischen Prinzipien ermöglicht, weitere Einsparpotenziale an Ressourcen bei gleichzeitiger Erhöhung der Lebensdauer zu erschließen.
Die Ausnutzung konstruktiver Prinzipien des Leichtbaus zur Erzeugung innovativer und ressourcenschonender Produkte erfordert den Einsatz digitaler Werkzeuge in der Designphase, der virtuellen Absicherung, der Fertigung und Qualitätsüberwachung sowie nachgelagerten Bauteilprüfung zur Abbildung der Nutzungsphase. Im Rahmen der Arbeiten wird daher der gesamte Produktentstehungs- und Prüfprozess betrachtet. Dies beinhaltet das Design im Kontext des konstruktiven Leichtbaus, den schweißtechnischen Fertigungsprozess, die Bauteilprüfung sowie den Transfer der Ergebnisse in die Industrie durch serientaugliche Demonstratoren. Der Fokus der Arbeiten ist, die Fertigung auch im Umfeld eines für großskalige Stahlstrukturen üblichen hohen Individualisierungsgrades schweißtechnisch zu automatisieren und das Leichtbaupotenzial gezielt umzusetzen. Die Vorgaben aus der Designphase hinsichtlich einer lastgerechten Gestaltung bzw. Implementierung bionischer Ansätze können so gezielt durch einen adaptiven, automatisierten Schweißprozess eingestellt werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Ermüdungs¬festigkeit und damit Produktlebensdauer, wodurch die Strukturen dünnwandiger ausgeführt und Ressourcen sowie CO2 eingespart werden können.