Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die zunehmende Anwendung hochfesten Betons in ermüdungsbelasteten Bauwerken, herausfordernde Belastungsszenarien im Bereich von On- und Offshore Windenergieanlagen bezüglich sehr hoher Lastwechselzahlen sowie das gleichzeitige Streben nach energie- und ressourcenschonendem Bauen stellen die Bemessung von Beton gegen Ermüdung vor neue Aufgaben. Eine Vielzahl von Studien beschreibt bereits die Auswirkung von Einflussfaktoren wie Mischungszusammensetzung, Feuchte, Probekörpergröße oder Belastungsart auf die Ermüdungsfestigkeit und den Ermüdungsprozess. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien und Mischungen der in den verschiedenen Studien verwendeten Proben sind die Auswirkungen der Einflussfaktoren jedoch kaum miteinander vergleichbar. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Verbundprojekt WinConFat wurden deshalb verschiedene Einflussfaktoren gezielt an Proben mit einheitlichen Mischungen untersucht. Das durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) bearbeitete Teilprojekt fokussierte sich auf den „Einfluss der Probengeometrie und -größe auf die Ermüdung von Beton“. Neben der Erhebung von Daten zur Ermüdungsfestigkeit wurde der Ermüdungsprozess mit zerstörungsfreien Prüf- und Messmethoden untersucht. Diese Prüfmethoden wurden auch hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zur Erfassung der ermüdungsbedingten Schädigungsentwicklung an Betonbauwerken im Rahmen von Monitoringkonzepten bewertet. Untersucht wurden die Ermüdungsfestigkeiten und der Ermüdungsprozess an Zylindern mit drei unterschiedlichen Betonmischungen sowie unterschiedlicher Größe und Schlankheit. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden im Folgenden vorgestellt und diskutiert.
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.
Ground Granulated Blast-Furnace Slag (GGBFS), a by-product of the iron-making process, has gained significant attention as a supplementary cementitious material and has become increasingly popular in recent years due to its remarkable properties. GGBFS can significantly reduce the environmental impact of cement production when it comes to building concrete structures. GGBFS can either be blended with ordinary Portland cement (OPC) (up to a 90% replacement), or it can be used in the production of alkali-activated materials (AAMs). However, a comprehensive understanding of the pore solution composition is necessary for understanding various aspects of cementitious materials and their durability, including corrosion behavior, passivation of steel, and resistance to deteriorative processes. In the present work, the pore solutions of seven different GGBFS-containing cements (alkali-activated slag, alkali-activated slag/fly ash blends, a hybrid alkaline cement, CEM III/C, and CEM III/B) were extracted and analysed by inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy, ion chromatography, pH, redox potential, and conductivity measurements. For comparison, a Portland cement pore solution was analysed similarly. The Concentrations of reduced sulfur were noteworthy in all GGBFS-containing cements, particularly in alkali-activated cements, where concentrations were notably higher compared to standard cements. The redox potentials of the pore solutions were primarily dictated by the concentrations of reduced sulfur, although other factors may contribute. Additionally, sulfur species in the pore solutions had an impact on pH, electrical conductivity, and other properties pertinent to the corrosion of reinforcements.
Es werden die Ergebnisse eines mehrjährigen Forschungsvorhabens der BAM in Zusammenarbeit mit Straßenbauverwaltungen der Länder und Industriebeteiligten zur betriebstechnischen Ausrüstung von Straßentunneln präsentiert. Schwerpunkte waren die Bestimmung der Korrosivität der Atmosphäre von 3 ausgewählten Straßentunneln, die Analyse korrosionsrelevanter Ablagerungen und von Klimadaten. Die Auswirkungen dieser Einflussgrößen auf die Dauerhaftigkeit von Konstruktionen aus nichtrostenden Stählen wurde ermittelt und in Abhängigkeit verschiedener Einflussparameter dargestellt. Die Ergebnisse der systematischen Untersuchungen an Prüfköpern decken sich mit Beobachtungen an realen Bauteilen. Spaltbehaftete Konstruktionen aus Werkstoffen der CRC III führen demnach in Zeiträumen zwischen 10 und 15 Jahren zu Korrosionserscheinungen, welche die technische Sicherheit beeinträchtigen können und die erwartete Dauerhaftigkeit nicht erfüllen. Die Folge sind zusätzliche Sperrungen und ein vorzeitig notwendiger Unterhaltsaufwand, die erhebliche Kosten verursachen. Im Ergebnis ist eine Überarbeitung des aktuellen Regelwerkes erforderlich, um die angestrebte Dauerhaftigkeit von 30 Jahren zu gewährleisten.
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.
Thermal transient problems, essential for modeling applications like welding and additive metal manufacturing, are characterized by a dynamic evolution of temperature. Accurately simulating these phenomena is often computationally expensive, thus limiting their applications, for example for model parameter estimation or online process control. Model order reduction, a solution to preserve the accuracy while reducing the computation time, is explored. This article addresses challenges in developing reduced order models using the proper generalized decomposition (PGD) for transient thermal problems with a specific treatment of the moving heat source within the reduced model. Factors affecting accuracy, convergence, and computational cost, such as discretization methods (finite element and finite difference), a dimensionless formulation, the size of the heat source, and the inclusion of material parameters as additional PGD variables are examined across progressively complex examples. The results demonstrate the influence of these factors on the PGD model’s performance and emphasize the importance of their consideration when implementing such models. For thermal example, it is demonstrated that a PGD model with a finite difference discretization in time, a dimensionless representation, a mapping for a moving heat source, and a spatial domain non-separation yields the best approximation to the full order model.
In the field of computational science and engineering, workflows often entail the application of various software, for instance, for simulation or pre- and postprocessing. Typically, these components have to be combined in arbitrarily complex workflows to address a specific research question. In order for peer researchers to understand, reproduce and (re)use the findings of a scientific publication, several challenges have to be addressed. For instance, the employed workflow has to be automated and information on all used software must be available for a reproduction of the results. Moreover, the results must be traceable and the workflow documented and readable to allow for external verification and greater trust. In this paper, existing workflow management systems (WfMSs) are discussed regarding their suitability for describing, reproducing and reusing scientific workflows. To this end, a set of general requirements for WfMSswere deduced from user stories that we deem relevant in the domain of computational science and engineering. On the basis of an exemplary workflow implementation, publicly hosted at GitHub (https:// this http URL), a selection of different WfMSs is compared with respect to these requirements, to support fellow scientists in identifying the WfMSs that best suit their requirements.
Early detection of fatigue cracks and accurate measurements of the crack growth play an important role in the maintenance and repair strategies of steel structures exposed to cyclic loads during their service life. Observation of welded connections is especially of high relevance due to their higher susceptibility to fatigue damage. The aim of this contribution was to monitor fatigue crack growth in thick welded specimens during fatigue tests as holistically as possible, by implementing multiple NDT methods simultaneously in order to record the crack initiation and propagation until the final fracture. In addition to well-known methods such as strain gauges, thermography, and ultrasound, the crack luminescence method developed at the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), which makes cracks on the surface particularly visible, was also used. For data acquisition, a first data fusion concept was developed and applied in order to synchronize the data of the different methods and to evaluate them to a large extent automatically. The resulting database can ultimately also be used to access, view, and analyze the experimental data for various NDT methods. During the conducted fatigue tests, the simultaneous measurements of the same cracking process enabled a comprehensive comparison of the methods, highlighting their individual strengths and limitations. More importantly, they showed how a synergetic combination of different NDT methods can be beneficial for implementation in large-scale fatigue testing but also in monitoring and inspection programs of in-service structures - such as the support structures of offshore wind turbines.
Multiscale modeling of linear elastic heterogeneous structures via localized model order reduction
(2024)
In this paper, a methodology for fine scale modeling of large scale linear elastic structures is proposed, which combines the variational multiscale method, domain decomposition and model order reduction. The influence of the fine scale on the coarse scale is modelled by the use of an additive split of the displacement field, addressing applications without a clear scale separation. Local reduced spaces are constructed bysolving an oversampling problem with random boundary conditions. Herein, we inform the boundary conditions by a global reduced problem and compare our approach using physically meaningful correlated samples with existing approaches using uncorrelated samples. The local spaces are designed such that the local contribution of each subdomain can be coupled in a conforming way, which also preserves the sparsity pattern of standard finite element assembly procedures. Several numerical experiments show the accuracy and efficiency of the method, as well as its potential to reduce the size of the local spaces and the number of training samples compared to the uncorrelated sampling
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.