Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Organisationseinheit der BAM
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Zur wärmeschutztechnischen Beurteilung hinsichtlich von Transmissionswärmeverlusten (k- Wert-Berechnung), Tauwasserbildung und Wärmebrückenwirkungen im Anschlussbereich Fenster-Wand wurde ein eigenentwickeltes Rechenprogramm zur Berechnung dreidimensionaler Temperatur- und Wärmestromverteilungen eingesetzt, das quaderförmige Volumenelemente, finite Differenzen und ein sehr leistungsfähiges, direktes Blockeliminationsverfahren benutzt.
Faserverbundwerkstoffe besitzen anisotrope Materialeigenschaften. Die Anzahl der elastischen Größen und Festigkeiten zur Beschreibung des mechanischen Verhaltens ist dadurch größer als zum Beispiel bei isotropen Werkstoffen. Die Festigkeiten und die Steifigkeiten in den verschiedenen Laminatrichtungen unterscheiden sich darüber hinaus um bis zu zwei Größenordnungen. Abhängig von der Belastungsart versagen Faserverbundwerkstoffe spröde oder duktil. Der Entwicklung geeigneter Untersuchungsmethoden zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften in den verschiedenen Richtungen kommt daher eine grundlegende Rolle zu. Insbesondere die Bestimmung der intralaminaren Schubeigenschaften von Faserverbundwerkstoffen ist aufgrund des ausgeprägten nichtlinearen Last-Verformungs-Verhaltens schwierig und mit den bestehenden Auswerteroutinen genormter Prüfverfahren teilweise fehlerbehaftet. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Analyse der Schubeigenschaften in der Laminatebene durch eine neu entwickelte Schubvorrichtung, die eine qualitativ hochwertige Bestimmung der Werkstoffeigenschaften ermöglicht. Für die Probekörper dieser Schubvorrichtung wird auf der Grundlage von Messergebnissen ein lastabhängiges Modell der Schubspannungsverteilung entwickelt, das die Materialnichtlinearität berücksichtigt und bei der Analyse der Versuchsergebnisse zur Anwendung kommt. In vergleichenden Untersuchungen der Interaktion benachbarter Schichten an glas- und kohlenstofffaserverstärkten Laminaten mit ein- und zweiachsiger Orientierung kann gezeigt werden, dass bei identischem Schubspannungszustand in den Einzelschichten bis zu 60% größere Schubfestigkeiten der zweiachsig verstärkten Verbunde vorliegen. Die orthogonal verstärkten Laminate sind schadenstoleranter, da sich Zwischenfaserbruche nicht ungehindert ausbreiten können, sondern an den um 90° gedrehten Fasern gestoppt werden. In Laminaten mit unidirektionaler Faserausrichtung führt dagegen der erste Riss unmittelbar zum Trennbruch. Die Verifizierung dieser Beobachtung erfolgt mittels des Verfahrens der Röntgenrefraktions- topographie. In Schubzugversuchen erfolgt die Korrelation der mechanischen Belastungssituation mit der mikrostrukturellen Analyse der inneren Schädigungsentwicklung des Werkstoffs. An zweiachsig verstärkten Kohlenstofffaserlaminaten unter Zwischenfaserbruchbeanspruchung kann gezeigt werden, dass die Degradation der intralaminaren Schubsteifigkeit mit der Zunahme an inneren Oberflachen als Maß für die Zwischenfaserbruchdichte einhergeht. Einachsig verstärkte Verbunde versagen dagegen relativ spröde bereits durch den ersten Zwischenfaserbruch und damit ohne Zunahme der Mikrorissdichte. Die Zusammenfassung der Erkenntnisse spiegelt sich in der Verbesserung des Auswerteverfahrens des in DIN EN ISO 14129 genormten Schubzugversuchs wider. Unter Berücksichtigung der Nichtlinearitat des Schubmoduls und der Faserrotation infolge der großen Verformungen während des Schubzugversuchs erfolgt in einem Iterationsprozess die stuckweise Anwendung der Klassischen Laminattheorie zur Bestimmung der Einzelschichtspannungen. Die Bewertung der Ergebnisse des Schubzugversuchs mit diesem Analyseverfahren hinsichtlich der Belastungsgrenzen resultiert in einer guten Übereinstimmung mit dem Festigkeitsmodell nach Puck. Die Berücksichtigung nichtlinearer Effekte führt zu einer höheren Genauigkeit bei der Bestimmung der intralaminaren Schubfestigkeit mittels des in der industriellen Anwendung weit verbreiteten Normversuchs.
Zur Definition geeigneter Prüfbedingungen und zur Auswahl geeigneter Holzwerkstoffe für die im Vorhaben (UFOPLAN-Vorhaben Standardisierte Formaldehyd- und VOC-Messungen bei Holzwerkstoffen FKZ 3714 95 310 0) geplanten Untersuchungen wurde eine Recherche zu Forschungsergebnissen bezüglich realer Bedingungen (Luftwechsel, Beladung, klimatische Bedingungen im Sommer) durchgeführt. Zu bekannten Fällen von Überschreitungen wurde recherchiert, welche Produkte als Emissionsquellen in Frage kommen. Unter diesem Gesichtspunkt wurden auch Berichte abgeschlossener Forschungsvorhaben ausgewertet.
Der Innenraumluftrichtwert für Formaldehyd in Höhe von 0,1 ppm ist durch das BfR bestätigt worden und bleibt bis auf weiteres bestehen. Die Prüfbedingungen für Formaldehydemissionen aus Holzwerkstoffen dagegen sind nicht mehr aktuell. Das Prüfverfahren für Holzwerkstoffe gilt seit 1991 und basiert auf dem Gebäudestandard von 1984. Eine Definition und Anpassung der Prüfbedingungen an moderne „dichtere“ Bauweise ist notwendig. Es zeigt sich, dass für Verbraucherinnen und Verbraucher eine Unterscheidung von formaldehydbelasteten und -unbelasteten Produkten in der Praxis schwierig ist. Es kann zu fehlerhaftem Einsatz und nicht fachgerechter Verarbeitung der Holzwerkstoffe kommen. Das Ziel des Vorhabens ist die möglichst sichere Einhaltung des Schutzniveaus durch die Anpassung der Prüfbedingungen an den heutigen Gebäudestandard. Aktuelle Versuche und Ergebnisse des Projektes werden vorgestellt. Ergänzende Screening-Versuche (Prüfkammermessungen) weisen Formaldehydemissionen bei verschiedenen Holzwerkstoffen aus dem Handel nach. Für die betrachteten OSB-Platten sind die FA-Emissionen im Allgemeinen geringer als für die untersuchten Spanplatten. Die OSB-Platten zeigen höhere Emissionen für Aceton und Hexanal als die Spanplatten.
An ausgewählten Werkstoffen wurden Versuche zu den Auswirkungen einer individuellen Bearbeitung und Messungen unter veränderten Prüfbedingungen durchgeführt. Zum einem wurde schrittweise der Luftwechsel von 1 bis 0,2 1/h reduziert. Zum anderen wurden die Werkstoffe unter sommerlichen Bedingungen vermessen.
Die Reduzierung des Luftwechsels ruft einen Anstieg der Formaldehyd-Konzentration hervor, dieser Effekt ist jedoch für einige VOCs stärker ausgeprägt. Bei Luftwechseln von 0,2-0,3 1/h, welche in der Praxis in Gebäuden erreicht werden können, ist eine Überschreitung des Formaldehyd-Grenzwertes von 0,1 ppm vor allem für Spanplatten möglich. Die VOC-Emission steigt unter sommerlichen Bedingungen an, es zeigt sich aber ein schnelles Abklingen nach kurzer Zeit. Die erhöhte Formaldehydemission bleibt über einen längeren Zeitraum erhalten. Die Bearbeitung von unbeschichteten Holzwerkstoffen (in mehrere Teile zersägt) führt zu einem kurzzeitigen Anstieg der FA- und VOC-Emission, nach einer bestimmten Abklingzeit (wenige Tage) wird erneut der Ausgangswert erreicht.
Es wurden weiterhin Messungen zu Kombinationen aus OSB- und Spanplatten und einem Holzmöbel durchgeführt. Trotz Erhöhung der Beladung und Beibehalten des Luftwechsels konnte nur ein geringer Anstieg der Formaldehyd- und VOC-Konzentration beobachtet werden. Es erfolgte keine Addition der Einzelkonzentration.
Der Innenraumluftrichtwert für Formaldehyd in Höhe von 0,1 ppm ist durch das BfR bestätigt worden und bleibt bis auf weiteres bestehen. Die Prüfbedingungen für Formaldehydemissionen aus Holzwerkstoffen dagegen sind nicht mehr aktuell. Das Prüfverfahren für Holzwerkstoffe gilt seit 1991 und basiert auf dem Gebäudestandard von 1984. Eine Definition und Anpassung der Prüfbedingungen an moderne „dichtere“ Bauweise ist notwendig. Es zeigt sich, dass für Verbraucherinnen und Verbraucher eine Unterscheidung von formaldehydbelasteten und -unbelasteten Produkten in der Praxis schwierig ist. Es kann zu fehlerhaftem Einsatz und nicht fachgerechter Verarbeitung der Holzwerkstoffe kommen. Das Ziel des Vorhabens ist die möglichst sichere Einhaltung des Schutzniveaus durch die Anpassung der Prüfbedingungen an den heutigen Gebäudestandard. Es werden das Projekt (UFOPLAN-Vorhaben FKZ 3714 95 310 0) und erste Messergebnisse vorgestellt. Erste Messungen von Holzwerkstoffen im laufenden Vorhaben unter „worst case“-Bedingungen (erhöhte Beladung, geringer Luftwechsel) zeigen hohe Formaldehyd-Emissionen.
Der Vortrag widmet sich modifizierten Oberflächen zur Erhöhung der Kratzbeständigkeit sowie entspre-chenden Prüfmethoden und bewertet deren Praxis-tauglichkeit. Nach einer Übersicht zu Begriffen und Definitionen wird die wirtschaftliche Bedeutung der Kratzbeständigkeit aufgezeigt. Neben generellen Anforderungen an Mess-und Prüfverfahren hinsicht-lich Einsatzbereichen, Messunsicherheit und Validie-rung werden diverse Verfahren zur Erzeugung und Bewertung Einzel- und Vielfach-Kratzern nebst ent-sprechenden Normen vorgestellt. Die analytische Charakterisierung, werkstofftechnische Gesichts-punkte und eine Zusammenstellung aktuell gültiger Normen zur Kratzbeständigkeit schließen den Vortrag ab.
Prüfverfahren zur Bestimmung der Radon-Exhalationsrate aus Bauprodukten in VOC-Emissionskammern
(2017)
Es wurden die wesentlichen Ergebnisse des abgeschlossenen UFOPLAN-Vorschungsvorhabens "Methodische Untersuchungen zur Qualifizierung der VOC-Kammern zur Bestimmung der Radonexhalationsrate von Bauprodukten, Los 1" vorgestellt.
Das entwickelte Prüfverfahren eignet sich zur Bestimmung der Radonexhalationsrate von Bauprodukten mittels kommerziell erhältlicher Radon-Messtechnik in dynamisch betriebenen VOC-Emissionsprüfkammern. Es ist robust gegenüber einem weiten Bereich von Parametereinstellungen hinsichtlich der Prüfparameter Prüfkammervolumen, Produktbeladung, Luftwechselrate und flächenspezifische Luftdurchflussrate. Entscheidend für die Messung im Bereich geringer Radonaktivitätskonzentration ist es, die Zuluftkonzentration (Blindwert) der Emissionsprüfkammern auf einem konstant geringen Niveau zu halten oder durch eine – zur eigentlichen Baustoffmessung – parallele Messung der Zuluft zu kompensieren. Die gängige Aufbereitung der Zuluft der VOC-Prüfkammern mittels mehrfacher Filtration und Sorption über Silica-Gel- sowie verhältnismäßig kleinvolumigen Aktivkohle-Filtern ist bezüglich Radon unwirksam.
Ziel der vorliegenden Untersuchung war es zu überprüfen, inwiefern eine Bemessungsvorschrift auf Basis von Teilsicherheitsbeiwerten im Lehmmauerwerksbau möglich ist. Bemessungsvorschriften im konventionellen Mauerwerksbau und im Lehmmauerwerksbau waren aufgrund des prinzipiell gleichen Tragverhaltens stets eng miteinander verknüpft. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Druckversuche an Lehmmauermörtel, Lehmsteinen und Lehmmauerwerk konnten zeigen, dass die Streuungen der Festigkeiten von Lehmbaustoffen aufgrund der industriellen Herstellung sehr gering sind. Es konnte festgestellt werden, dass eine Bemessung auf Grundlage des semiprobabilistischen Bemessungskonzeptes in Anlehnung an den konventionellen Mauerwerksbau möglich ist. Neben einem ersten Vorschlag des Teilsicherheitsbeiwertes für den Lastzustand Druck werden Vorschläge für Prüfvorschriften im Lehmbau beziehungsweise deren Modifikation unterbreitet und künftige Forschungsschwerpunkte herausgearbeitet.
Die Vermeidung von Heißrissen beim Schweißen ist für die Sicherheit geschweißter Komponenten unerlässlich. Die Entstehung von Heißrissen wird durch die komplexe Interaktion von Schweißprozess, Metallurgie und der konstruktiven Umgebung beschrieben. Bislang wurden mehr als 140 Heißrisstests entwickelt, um die Neigung gegenüber einer Rissbildung festzulegen. Grundsätzlich werden diese in selbstbeanspruchende und fremdbeanspruchte Heißrisstests eingeteilt. Der Vortrag gibt einen Überblick über Forschungsthemen der BAM, welche sich in den letzten Jahren hauptsächlich mit den metallurgischen als auch mit den konstruktiven Einflüssen auf die Rissbildung beschäftigt haben. Von austenitischen und ferritischen Werkstoffen, über neuentwickelte LTT-Legierungen bis hin zur in-situ Radiographie zur Überwachung des Risswachstums während des Schweißens wird ein breites Forschungsspektrum aufgezeigt. Zum Abschluss ist ein Ausblick für zukünftige Forschungsfelder gegeben. Diese Arbeiten konzentrieren sich auf die zwei- und dreidimensionale bildliche Charakterisierung von (Mikro-)Heißrissen in innovativen Werkstoffen zur Erweiterung bestehender Modellvorstellungen zum Rissphänomen.
Grundsätzlich dürfen alle nichtmetallischen und metallischen Materialien nur dann in Sauerstoffanwendungen eingesetzt werden, wenn sie sicherheitstechnisch für die Betriebsbedingungen geeignet sind. Neben allgemeinen Sauerstoff-spezifischen Anforderungen stellt der Vortrag die standardisierten Prüfverfahren und die Untersuchungsmöglichkeiten der BAM vor. Die Beurteilungskriterien für die Prüfverfahren werden kritisch betrachtet und es wird erklärt, in welchen Fällen und aus welchen Gründen die BAM ergänzende Beurteilungskriterien verwendet. Um den tatsächlichen, praktischen Anwendungsfall abzubilden, ist unter gewissen Umständen die Anpassung des Prüfumfangs möglich. Außerdem wird dargestellt, warum die BAM chargenbezogene Materialprüfungen empfiehlt.
Auch Sauerstoff- Armaturen und Anlagenteile müssen sicherheitstechnisch für die Betriebsbedingungen geeignet sein. Zur Beurteilung der Ausbrennsicherheit werden die zwei an der BAM praktizierten Vorgehensweisen mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen vorgestellt: Untersuchung der Armatur als komplette Funktionseinheit bzw. Beurteilung der Armatur auf Basis der Untersuchungen der eingesetzten Materialien. Neben den Anforderungen aus produktspezifischen Normen wird auch für diesen Fall kurz erklärt, in welchen Fällen und aus welchen Gründen die BAM ergänzende Beurteilungskriterien verwendet bzw. den Prüfumfang anwendungsfallbezogen anpasst.