Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Unter Berücksichtigung praktischer und wissenschaftlich-technischer Erkenntnisse der letzten 15 Jahre - insbesondere auch auf der Basis verschiedener BAM-Forschungsergebnisse und Zulassungsverfahren - erfolgte eine Überarbeitung der Grundlagen, Bauprinzipien, Ausführungs- und Einbaukriterien sowie der Zulassungs- und Gütesicherungsmaßnahmen für insgesamt 4 Bauarten von Fugenfüllsystemen für hochbeanspruchte Verkehrsflächen. In diesem - für den Bundesfernstraßenbereich verbindlichen bautechnischen Regelwerk - finden insbesondere auch die Ergebnisse mehrerer wissenschaftlicher Vorhaben der BAM bezüglich labortechnischer Untersuchungen und Felduntersuchungen zum Funktionsverhalten und zur Dauerhaftigkeit erste baurechtliche Konsequenzen. Auf der Basis von Untersuchungen u.a. im Brückenbau wurden Regelungen für die Fugenausbildung in Asphalt und bei Befestigungskombinationen erarbeitet und umgesetzt. Damit konnten umfassende Regelungen für die maßgebenden Fahrbahnbeläge im Bundesfernstraßenbereich der Straßenbauverwaltung und ausführenden Industrieunternehmungen zur Verfügung gestellt werden. Die Neufassung dieser Regelungen dient darüber hinaus dem Ziel, den von der BAM vertretenen Wechsel hin zu einer performance-bezogenen Bewertungsmethodik, vorzubereiten.
Wirtschaftliche und ökologische Aspekte führten in den letzten Jahren zu deutlich gesteigerten Anforderungen an die Effizienz und die Flexibilität petrochemischer Anlagen. Die heutzutage geforderten Prozesstemperaturen und -drücke lassen sich nur durch den Einsatz neuer warmfester Stahlgüten erreichen. Der mit Vanadium modifizierte Stahl 13CrMoV9-10 weist eine bessere Kriech und Druckwasserstoffbeständigkeit auf und wird seit Mitte der 90er Jahre im petrochemischen Reaktorbau eingesetzt. Aufgrund der niedrigen Zähigkeit und hohen Festigkeit des Schweißgutes im geschweißten, nicht spannungsarm geglühten Zustand sowie einer erhöhten Sensitivität gegenüber Spannungsrelaxationsrissen bedarf dieser Stahl allerdings einer äußerst sorgfältigen schweißtechnischen Verarbeitung. Bisherige Untersuchungen zur Rissentstehung in warmfesten Stählen konzentrierten sich vorrangig auf thermische und metallurgische Einflussfaktoren, bieten jedoch nur wenige Erkenntnisse zum Einfluss des Schweißprozesses auf die Rissbildung beim Spannungsarmglühen unter Berücksichtigung realitätsnaher Fertigungsbedingungen.
Im ersten Teil wurde zunächst der Einfluss der Wärmeführung auf die mechanischen Eigenschaften anhand von frei schrumpfenden Laborproben untersucht. Während sich die Wärmeführung wesentlich auf die Schweißnahtstruktur auswirkte, war ein signifikanter Effekt auf die mechanischen Eigenschaften nicht nachweisbar. Auch traten infolge der Wärmenachbehandlung der frei schrumpfend geschweißten Proben keine Spannungsrelaxationsrisse auf.
Der zweite Teil umfasste die realitätsnahe Abbildung der Fertigungsbedingungen im petrochemischen Reaktorbau. Zu diesem Zweck wurden die konstruktiven Randbedingungen während des Vorwärmens, Schweißens, des Wasserstoffarmglühens und der abschließenden Wärmenachbehandlung realitätsnah in einer speziellen 3-D-Prüfanlage zur Simulation von Bauteilschweißungen abgebildet. Unter konstruktiver Schrumpfbehinderung gelang der Nachweis der unterschiedlichen Wirkung von Vorwärm- / Zwischenlagentemperatur und Streckenenergie auf die resultierenden Kräfte, Momente und Spannungen. Die Gesamtreaktionsspannung nach dem Schweißen wurde innerhalb des untersuchten Parameterfeldes maßgeblich durch die Streckenenergie beeinflusst.
Ein möglichst geringer Gesamtwärmeeintrag hat die niedrigste Bauteilbeanspruchung zur Folge. Während der Wärmenachbehandlung kam es in allen Versuchen zu Spannungsrelaxationsrissen.
Deren kumulierte Länge korrelierte mit den ermittelten schweißbedingten Reaktionsspannungen. Die Detektion der Risse während der Wärmenachbehandlung im Bauteilversuch erfolgte erstmalig in-situ mittels Schallemissionsanalyse. Die Rissinitiierung fand nachweislich im Temperaturbereich von 300 °C bis 500 °C statt. Die Reaktionsspannungen nach der Wärmenachbehandlung lagen unabhängig von der Ausgangsbelastung auf einem vergleichbaren Niveau. Die Zähigkeit der Schweißverbindung nahm klar gegenüber den frei schrumpfend geschweißten Proben ab.
Mittels REM- und TEM-Analysen an vergleichbaren belasteten und unbelasteten Proben wurde eine beschleunigte Alterung, durch das frühzeitige Ausscheiden von Sonderkarbiden während der Wärmenachbehandlung unter definierter Einspannung (d. h. unter Belastung), nachgewiesen. Die verstärkte Korngrenzensegregation korrelierte mit der signifikanten Abnahme der Kerbschlagarbeit der unter Einspannung geschweißten Proben.
Selective Electron Beam Melting (SEBM) is a promising powder bed Additive Manufacturing technique for near-net-shape manufacture of high-value titanium components. However without post-manufacture HIPing the fatigue life of SEBM parts is currently dominated by the presence of porosity. In this study, the size, volume fraction, and spatial distribution of the pores in model samples have been characterised in 3D, using X-ray Computed Tomography, and correlated to the process variables. The average volume fraction of the pores (b0.2%) was measured to be lower than that usually observed in competing processes, such as selective laser melting, but a strong relationship was found with the differentbeamstrategies used to contour ,and infill by hatching, a part section. The majority of pores were found to be small spherical gas pores, concentrated in the infill hatched region; this was attributed to the lower energy density and less focused beam used in the infill strategy allowing less opportunity for gas bubbles to escape the melt pool. Overall, increasing the energy density or focus of the beam was found to correlate strongly to a reduction in the level of gas porosity. Rarer irregular shaped pores were mostly located in the contour region and have been attributed to a lack of fusion between powder particles.
The new standard ‘ISO 17636-2:2013: Non-destructive testing of welds — Radiographic testing — Part 2: X- and gamma-ray techniques with digital detectors’, defines the practice for radiographic inspection of welded pipes for manufacturing and in-service inspection. It is applied in Europe for inspections of pipe welds in nuclear power plants as well as in chemical plants and allows a faster inspection with digital detector arrays (DDA) than with film. Nevertheless, it does not allow the evaluation of the depth and shape of volumetric and planar indications. In 2001 a planar tomography scanner, TomoCAR, was introduced for mechanized radiographic testing (RT) inspection and non-destructive measurement of cross sections. The project TomoWELD is based on a new concept of the scan geometry, an enhanced GPU based reconstruction, and the application of a new generation of photon counting DDAs based on CdTe crystal CMOS hybrids. The new detector permits the selection of energy thresholds to obtain an optimum energy range and reduction of the influence of scattered radiation. The concept and first measurements are presented. Flaw depth and shape of volumetric and planar irregularities can be determined.
Zur Wirkungsweise und zum Einfluss unterschiedlicher Parameter beim Kathodischen Korrosionsschutz von Stahl in Beton wurden in der Vergangenheit bereits zahlreiche Untersuchungen durchgeführt. Über die Dauerhaftigkeit leitfähiger Beschichtung auf Karbonbasis als Fremdstromanode beim KKS von Stahlbeton liegen bislang keine umfassenden wissenschaftlichen Untersuchungen vor. Die in den einzelnen Arbeitspaketen (AP) erzielten Ergebnisse und gewonnenen Erkenntnisse tragen zum Verständnis über die Elektrodenreaktion der einzelnen Systeme bei. Die Frage der Dauerhaftigkeit konnte im Rahmen dieses Forschungsvorhabens nicht zur Gänze geklärt werden. Die Ergebnisse aus dem AP 1a liefern einen wesentlichen Beitrag zur Beantwortung der offenen Fragestellung hinsichtlich der vorherrschenden Elektrodenreaktion. In Verbindung mit dem Pourbaixdiagramm für Kohlenstoff lässt sich für die Beschichtungssysteme CBCC 1 und CBCC 2, nach 500 h andauernder Polarisation mit 10 mA/m² in ges. Calziumhydroxidlösung, die vorherrschende Elektrodenreaktion als Sauerstoffelektrode verifizieren. Im AP 1b wurde festgestellt, dass die an einem Praxisobjekt applizierten Systeme CBCC 1 und CBCC 2 in der Lage sind, die Schutzkriterien zu erfüllen. Die an diesem Objekt erforderlichen Schutzspannungen liegen jeweils zwischen 1 und 2 V. Die Anodenstromdichten betragen ca. 2,5 mA/m². Aufgrund der hohen Depolarisationsraten kann das Niveau der anliegenden Anodenstromdichten in Zukunft noch nach unten angepasst werden. Die Ergebnisse aus dem AP 1b und 1a sind erst zeitlich nach Festlegung der Prüfparameter für das AP 2a erzielt worden. Mit den ursprünglich veranschlagten Stromdichten von max. 40 mA/m² traten langfristig nachfolgende Problemstellungen auf: Bei der Stromeinleitung mittels Primärelektrode und Stromdichten größer gleich 20 mA/m² wurde festgestellt, dass die Versuche bei allen Systemen eine deutliche Entkopplung zwischen Primärelektrode und Beschichtung verursacht haben. Dies ist auf die hohen lokalen Stromdichten am Übergang Primärelektrode/leitfähige Beschichtung zurückzuführen. Eine Untersuchung der erforderlichen Kontaktfläche der Primärelektrode bezogen auf die effektive Stromdichte konnte nicht erfolgen. Weiterhin wurden die Haftzugwerte über die Dauer der Polarisation untersucht und mit unpolarisierten Proben verglichen. Eine Reduktion des Verbundes infolge Polarisation mit den angesetzten Stromdichten konnte verzeichnet werden. Es wurde jedoch auch festgestellt, dass mit zunehmenden Probenalter auch reduzierte Haftzugwerte an den geschliffenen und unpolarisierten Oberflächen der Referenzprobekörper ermittelt wurden. Die Grundlagen für die Simulation konnten in AP 3 anhand der gewonnen Ergebnisse erstellt werden und Feldverteilungen unter Berücksichtigung verschiedener Parameter berechnet werden. Eine auf den gewonnenen Erkenntnisse basierende Modellentwicklung für die Dauerhaftigkeitsprognose unter variierenden Randbedingungen, wie sie für AP 4 vorgesehen
war, konnte auf Basis der erzielten Ergebnisse nicht erfolgen. Dass die Beschichtungssysteme unter praxisüblichen Randbedingungen einsetzbar sind und bei dem Vergleich der Schutzspannung mit klassischen Systemaufbauten gleiche Schutzstromdichten erzielt werden, zeigt das AP 1b deutlich. Die zukünftigen Ergebnisse aus der Praxisanwendung (AP 1b) werden über die Projektlaufzeit hinaus ausgewertet und publiziert. Das Ziel des Vorhabens wurde teilweise erreicht.
The stress vs. strain curve of materials is affected the rate of imposed straining. Among the methods for dynamic testing the technique known as 'split Hopkinson pressure bar' (SHPB) has evolved into the most widely used one to exert high-speed straining. The theory behind it comprises simple equations to compute stress and strain. The reliability of the strain analysis can be assessed by digital image correlation (DIC). The present results indicate that the visually observed strain is smaller than predicted by theory.
In this paper we present results of our recent efforts to understand the mechanical interface behaviour of single-walled carbon nanotubes (CNTs) embedded in metal matrices. We conducted experimental pull-out tests of CNTs embedded in Pd or Au and found Maximum forces in the range 10 - 102 nN. These values are in good agreement with forces obtained from molecular Dynamics simulations taking into account surface functional Groups (SFGs) covalently linked to the CNT material. The dominant failure mode in experiment is a CNT rupture, which can be explained with the presence of SFGs. To qualify the existence of SFGs on our used CNT material, we pursue investigations by means of fluorescence labeling of surface species in combination with Raman imaging. We also report of a tensile test system to perform pull-out tests inside a transmission electron microscope to obtain in situ images of CNT-metal interfaces under mechanical loads at the atomic scale.
Glass has different outstanding material-specific properties which offer theoretically the application of thin-walled hollow fibers in the field of high pressure gas storage. Especially the storage of hydrogen as renewable and environmental friendly energy carrier is possible. Glass is an amorphous material which is characterized by a theoretical tensile strength much higher than this of other materials. However, in practice the tensile strength is decreased significantly by defects on the glass surface or in the material and its network structure. As part of this thesis the burst pressures of hollow glass fibers were determined. The burst pressure correlates very well with the tensile strength of hollow glass fibers. By using the Weibull statistic the results of different test series were evaluated in respect to failure probabilities and compared to each other. Thereby the influence of various parameters on the pressure resistance was investigated. Beside the influence of the chemical composition of the material the aging by environmental and their effect on the pressure resistance was investigated. Additionally hollow glass fibers were loaded dynamically and statically with different gases. Afterwards the burst pressure was determined and the effect of used gas on the pressure resistance could be determined as well as the impact of method and duration of loading. A further influence of the dimension of hollow glass fibers on their resistance against inner pressure load is the ratio between wall thickness and inner diameter which was investigated as well as the combination of different glasses and the utilization of their disparate coefficient of thermal expansion which lead to prestressing of the hollow glass fiber. Finally, the impact of the variation of several production parameters on the pressure resistance was determined experimentally as like as the influence of surface coatings. These shall protect the glass surface from subsequently procured defects and, hence, increase the pressure resistance. As essential part of current thesis the defect analysis of test samples of various series was done whereby the differentiation between material and production dependent defects was important. Not only a light microscope but a scanning electron microscope was used for the investigation, as well. Beside volume defects like bubbles or inclusions surface defects in the form of scratches or spalling can be detected and observed. A calculation of the failure-causing defect size from measured burst pressure is possible. Dependent on the dimension and determined burst pressure value of each single fiber defect sizes of less than one micron were calculated. Particularly the geometry of the test samples inappropriate for many examination methods and the fact that the calculated defect size occurs only under loaded conditions at actual burst pressure the local detection of corresponding defect rendered impossible. In the end, the present thesis shows the pressure resistance of hollow glass fibers and their potential to store safely gases under high pressure.
Simple models describing the relationship between basic mechanical properties and the relative density of various types of porous metals (such as foams, sponges and lattice structures) are well established. Carefully evaluating these relationships experimentally is challenging, however, because of the stochastic structure of foams and the fact that it is difficult to systematically isolate density changes from variations in other factors, such as pore size and pore distribution. Here a new method for producing systematic sets of stochastic foams is employed based on electron beam melting (EBM) additive manufacturing (AM). To create idealised structures, structural blueprints were reverse-engineered by inverting X-ray computed tomographs of a randomly packed bed of glass beads. This three-dimensional structure was then modified by computer to create five foams of different relative density ρr, but otherwise consistent structure. Yield strength and Young’s modulus have been evaluated in compression tests and compared to existing models for foams. A power of 3 rather than a squared dependence of stiffness on relative density is found, which agrees with a recent model derived for replicated foams. A similar power of 3 relation was found for yield strength. Further analysis of the strength of nominally fully dense rods of different diameters built by EBM AM suggest that surface defects mean that the minimum size of features that can be created by EBM with similar strengths to machined samples is ∼1 mm.
Nach mehr als 15-jähriger Anwendung und mit der zwischenzeitlichen Einführung europäisch harmonisierter Normen für Fugenmaterialien war eine Anpassung Qualitäts- und Gütesicherungsanforderungen für Fugenfüllungen im Bundesfernstraßenbereich erforderlich. Hierbei ging es insbesondere darum, Maßnahmen und Verfahren zu entwickeln, um das nationale Qualitäts- und Gütesicherungsniveau weiter zu entwickeln und weiterhin sicher stellen zu können. Nach den Untersuchungserfahrungen im Labor und im Feld ging darum, neuartige Material- und Stoffkombinationen qualitätssicher dem Bauprozess zur Verfügung stellen zu können. Erforderliche Anforderungskriterien und zulässige Toleranzen der Lieferqualität wurden neu gefasst. Es wurde ein Verfahren entwickelt, europäische Bauprodukte qualitätsgesichert in den Bauprozess im Bundesfernstraßenbericht zu überführen.