Ingenieurbau
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The corrosion behavior of galvanized steels and zinc components under atmospheric exposure depends mostly on the corrosion product‐based cover layer formation under the prevailing conditions. The use of agar‐based gel electrolytes makes it possible to use electrochemical methods to obtain a characteristic value from these cover layers that describe their current and future protective capacity. It is shown here that different states of galvanized steel can be distinguished very well under laboratory conditions and that this method is also suitable for use under practical conditions. Based on the characteristic values and assuming future time of wetness, it is very easy to draw up a forecast for the future corrosion rate, which provides plausible values.
3D concrete printing is an innovative new construction technology offering the potential to enable an efficient production of individual structures with less consumption of resources. The technology will mainly shape the future construction philosophy, automate the build process and help reaching the climate goals in civil engineering. From the design of a structure to the printed component, many individual steps based on different software are required which must be repeated for each new or changed structure. First, the geometry of the structure is created in a CAD program. Second, the print path is defined in a slicer software creating the machine code for the printer (G-Code). Finally, the structure can be printed. Furthermore, a numerical model of the printed structure is necessary for process optimization and control. In that way the number of test prints can be reduced, costs can be saved, and the component behavior can be predicted. For those purposes, an automated workflow allowing to run all steps or individual steps without interacting with each individual software program is required. Furthermore, changes in parameters or the exchange of parts (using a different design or different printer) must be possible in a simple manner. In the presented work, such an automated workflow based on the example of a parametrized wall element for extrusion-based concrete printing is developed. The investigated wall structure is parametrized using the global geometry parameters: height, width, thickness, radius, kind of infill structure (honey-comb, zig-zag) and number of repeated infills. All above mentioned steps are implemented via python interfaces using pydoit as workflow tool. General interfaces with prescribed input and output files are defined allowing adaptations for different software and tools. The described workflow is tested by performing a test series investigating the influence of the in-fill structure on the mechanical properties of the test walls.
Interlaboratory studies are common tools for collecting comparable data to implement standards for new materials or testing technologies. In the case of construction materials, these studies form the basis for recommendations and design codes. Depending on the study, the amount of data collected can be enormous, making manual handling and evaluation difficult. On the other hand, the importance of the FAIR (findable, accessible, interoperable, and reusable) principles for scientific data management, published by Wilkinson et al. in 2016, is constantly growing and changing the view on data usage.
The benefits of using data management tools such as data stores/repositories or electronic laboratory notebooks are many. Data is stored in a structured and accessible way (at least within a group) and data loss due to staff turnover is reduced. Tools usually support data publishing and analysis interfaces. In this way, data can be reused years later to generate new knowledge with future insights. On the other hand, there are many challenges in setting up a data repository, such as selecting suitable software tools, defining the data structure, enabling data access, and understanding by others and
ensuring maintenance, among others.
This talk discusses the advantages and challenges of setting up and applying a data repository using the interlaboratory study on the mechanical properties of printed concrete structures carried out in RILEM TC 304-ADC as example. First, the definition of a suitable data structure including all information is discussed. The tool-dependent upload process is then described. Here, the data
management system openBIS (open source software developed by ETH Zurich) is used. Since in most cases an open compute platform allowing access from different organisations is not possible or available due to data protection and maintenance issues, tool-independent export options are discussed and compared. Finally, the different query and analysis possibilities are demonstrated.
Chloride binding by the hydrate phases of cementitious materials influences the rate of chloride ingress into these materials and, thus, the time at which chloride reaches the steel reinforcement in concrete structures. A particularly important role in this context is played by layered double hydroxides (LDHs), including AFm phases. Chloride binding isotherms of individual LDH/AFm phases would be required as input for computational models of chloride ingress, but such isotherms are only available for a few AFm phases, and in addition the available data are partly conflicting.
The present study, conducted in the context of RILEM TC 283-CAM ‘Chloride transport in alkali-activated materials’, significantly extends the available database by determining the chloride binding isotherms of LDH/AFm phases (monosulfate, strätlingite, hydrotalcite, and meixnerite), and of alkali-activated slags (AAS) produced with four different activators (Na2SiO3, Na2O∙1.87SiO2, Na2CO3, and Na2SO4), in NaOH/NaCl solutions at various liquid/solid ratios. Selected solids after chloride binding were analysed by X-ray diffraction, and thermodynamic modelling was applied to simulate the phase changes occurring during chloride binding by the AFm phases.
The chloride binding isotherms of LDH/AFm phases depended strongly on the liquid/solid ratio during the experiments, resolving apparent contradictions of the previously available data. The dependency on liquid/solid ratio must be attributed to kinetic restrictions, which are, however, currently poorly understood. Chloride binding by AAS pastes was generally higher than for Portland cement pastes and was only moderately influenced by the employed activator. A steep increase of the chloride binding by AAS occurred at free chloride concentrations above approx. 1.0 M, which is possibly related to chloride binding by the C-(N-)A-S-H gel in the AAS.
Protection against terroristic or accidental scenarios in industrial settings requires suitable designs of structures to resist blast loads. Field testing as well as finite element simulations are among the techniques available to engineers in the understanding of the structural behavior against blast loading.
As blast testing of complex scenarios can be very resource intensive, tests are generally performed for simplified scenarios. Numerical tools can be used to model these scenarios to get better insight into blast loading, structural response, and the resulting damage to the structure. During the next steps, the simplified scenario is successively modified in numerical simulations to incorporate complexities that cannot be covered in blast testing experiments. One of the conditions for this approach to work is that the original simplified numerical simulation is valid. The scopes and challenges encountered in such a validation are the focus of this presentation/article.
A relatively ‘simple’ field test of a horizontal reinforced concrete (RC) slab subjected to blast loading is taken as an example for validation of the performance of numerical tools. The blast test incorporated various measurement techniques to quantify the blast load as well as the behavior of the RC slab. Blast load was measured using flush mounted piezoelectric pressure gauges, whereas acceleration sensors and fiber-optic sensor cables were used to characterize the dynamic behavior of the slab under blast loading. Additionally, damage characteristics were ascertained also using fiber optic sensing. The application of such measurement techniques, along with different numerical software available for the analysis of the scenario in question, demonstrate the scope of our contribution.
When it comes to the challenges, it begins with proper instrumentation of the test specimen followed by the data processing. For numerical modelling, geometric conditions with appropriate boundary constraints, physical conditions such as the configuration of the rebars, as well as material parameters add to this challenge. The issues of choosing appropriate material models and comparison of results with multiple software tools will be discussed. This discussion forms the basis for a coherent approach to technical-safety assessment of blast effects on structures in its broader sense.
Tests for assessing prestressing steels' susceptibility to hydrogen‐induced stress corrosion cracking are essential for approvals, in‐house monitoring, and third‐party material testing. According to ISO 15630‐3, the time to brittle fracture by constant load under corrosive conditions in thiocyanate test solutions (A or B) at 50°C is measured. In the literature, a high scattering in stress corrosion tests is reported, which questions the integrity of the test procedure. This paper shows the results of studies about the influence of solution composition on hydrogen charging in electrochemical and permeation measurements. Electrochemical experiments show that polished steel surfaces without common drawing layers have more consistent free corrosion currents, polarization resistances, and B‐values in solution A with low scattering compared to the solution B experiments. The influence of temperature at 50°C and an ambient temperature of 22°C was also tested.
Das Poster beleuchtet das EU-Projekt ODYSSEUS im Rahmen des Förderprogramms Horizon 2020. Das Konsortium besteht aus 18 Partnern aus 13 Ländern aus Forschung, Entwicklung, Industrie sowie Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben. Das Forschungsprojekt zielt darauf ab, das Wissen über Ausgangsstoffe von Sprengstoffen und selbst hergestellten Sprengstoffe, einschließlich bisher nicht untersuchter Vorläufersubstanzen, zu erweitern und wirksame und effiziente Prognose-, Aufdeckungs- und kriminaltechnische Instrumente zu entwickeln, um die Fähigkeiten der nationalen Sicherheitsbehörden bei der Verhütung, Bekämpfung und Untersuchung terroristischer Vorfälle mit HMEs zu verbessern.
Current capabilities for full-scale field testing are highly resource intensive. Reliable small-scale experiments are an effective alternative. Characterization of the dynamic response and damage of RC elements to scaled blast loads was investigated in scaled-down field experiments. Spatially resolved information on the dynamic structural response using distributed fiber optic acoustic sensing (DAS) and acceleration as well as blast loading by piezoelectric pressure sensors.
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.
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
Additive manufacturing of concrete structures is a novel and emerging technology. Freecontouring in civil engineering, which allows for entirely new designs, is a significant advantage. Inthe future, lower construction costs are expected with increased construction speeds and decreasingrequired materials and workers. However, architects and civil engineers rely on a certain quality ofexecution to fulfil construction standards. Although several techniques and approaches demonstratethe advantages, quality control during printing is highly challenging and rarely applied. Due to thecontinuous mixing process commonly used in 3D concrete printing, it is impossible to exclude varia-tions in the dry mixture or water content, and a test sample cannot be taken as a representative samplefor the whole structure. Although mortar properties vary only locally, a defect in one layer duringprinting could affect the entire integrity of the whole structure . Therefore, real-time process monitor-ing is required to record and document the printing process.At the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) a new test rig for the additive man-ufacturing of concrete is built. The primary purpose is measuring and monitoring the properties of amortar during the printing process.The following study investigates an approach for calculating yield stress and plastic viscosity based onexperimentally recorded pressure data. The calculations assume that fresh mortar behaves as a Bing-ham fluid and that the Buckingham-Reiner-equation is applicable. A test setup consisting of rigid pipeswith integrated pressure sensors at different positions is utilized.Monitoring the printing process with different sensors is crucial for the quality control of an ongoingprocess.
Derzeit ist die Instandhaltung von großen Betontragwerken wie Brücken oder Windenergieanlagen problemorientiert und von einem reaktiven Vorgehen geprägt. Das bedeutet, erst wenn sichtbare Schäden vorliegen, werden diese meist unter Beeinträchtigung des Betriebs instand gesetzt. Im Hinblick auf die Entwicklung von prädiktiven Instandhaltungsstrategien, deren Fokus in der langfristigen Bauwerksüberwachung und der Vorhersage von Schädigungsentwicklungen liegt, wurde die Anwendung von Ultraschallverfahren für die Identifizierung der Degradationsprozesse von Betontragwerken unter Ermüdungsbeanspruchung untersucht. Hierzu fanden Arbeiten im vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Verbundprojekt WinConFat zum "Einfluss der Probengeometrie und -größe auf die Ermüdung von Beton" an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und zu den "Methoden zur Zustandsanalyse von Windenergieanlagen" am Institut für Massivbau (IfMa) der Leibniz Universität Hannover (LUH) statt, welches zudem vom Deutschen Beton- und Bautechnik Verein e.V. (Forschungsvorhaben DBV-311) gefördert wurde. Dabei wurden verschiedene Einflussfaktoren auf die Schädigungsentwicklung unter Ermüdungsbeanspruchung wie die Probekörpergröße, das Belastungsniveau und die Betonfestigkeit untersucht. Als Schädigungsindikator und Vergleichsparameter wurden die Ultraschallgeschwindigkeit und der dynamische E-Modul des Betons verwendet. Um das Potential der Schädigungserfassung im Beton mittels Ultraschallprüfung umfassender zu bewerten, wurden zusätzlich Versuche an Betonproben unter monoton steigender Belastung, Kriechversuche, Temperaturversuche und Untersuchungen an großformatigen Balken durchgeführt.
For structural health monitoring systems or non-destructive testing, it is crucial to study the interactions of ultrasonic-guided waves with inhomogeneities or damage in structural components. Simulation of these interactions poses a challenge.
After the wave-damage interaction, the numerical model must reproduce features like mode conversion or wave scattering. Mathematically, damages are discontinuities in a computational domain, and each wave interacts differently because of the geometrical features. We propose a quadtree-based meshing in the current contribution to capture these geometrical characteristics.
This kind of discretisation approach requires special techniques to couple cells of different sizes since, after a quadtree decomposition, the problem of so-called hanging nodes may arise. Transition elements based on high-order transfinite shape functions are used to solve this issue. The advantage is that these elements allow the correct coupling of the cells while retaining a high-order interpolation. Moreover, the reuse of the dynamic stiffness matrices can be exploited based on the similarity of the cells. This procedure makes the approach very efficient.
Examples show the scattering characteristics of different guided wave modes after interacting with inhomogeneities and discontinuities in a plate.
In the field of guided waves for non-destructive testing, the interaction of these waves with damages or other discontinuities in a structure is critical. When a guided wave mode travels and hits a defect, it scatters in all directions, converting to other modes and reflecting the existing one. These interactions are captured in scattered far field complex amplitudes. The amplitudes are stored in scattering matrices, which characterise the elastodynamic behaviour of a defect completely. Scattering matrices are also useful to simulate backpropagation from a defect using ray-tracing methods.
Simulating these interactions is challenging, and analytical solutions only exist for simple geometries. Still, using general tools like the finite element method results in large, usually costly models. Recently, researchers proposed a method based on a numerical implementation of the Kirchhoff–Helmholtz integral that allows the computation of the scattering matrices using a model containing only the damaged region. However, classical methods to resolve the far field and low-order elements were used, leading to large models yet more efficient than using other techniques.
We propose using the SBFEM as an alternative to enhance the computation of the far field scattering. The damaged region is discretised using high-order polyhedral elements, while the far field is constructed using a modified version of the SBFEM. Examples compared to the literature demonstrate the validity of the approach.
Software-driven scientific workflows are often characterized by a complex interplay of various pieces of software executed in a particular order. The output of a computational step may serve as input to a subsequent computation, which requires them to be processed sequentially with a proper mapping of outputs to inputs. Other computations are independent of each other and can be executed in parallel. Thus, one of the main tasks of a workflow tool is a proper and efficient scheduling of the individual processing steps.
Each processing step, just as the workflow itself, typically processes some input and produces output data. Apart from changing the input data to operate on, processing steps can usually be configured by a set of parameters to change their behavior. Moreover, the behavior of a processing step is determined by its source code and/or executable binaries/packages that are called within it. Beyond this, the computation environment not only has a significant influence on its behavior, but is also crucial in order for the processing step to work at all. The environment includes the versions of the interpreters or compilers, as well as all third-party libraries and packages that contribute to the computations carried out in a processing step.
Die fortschreitende digitale Transformation der Wirtschaft und die zunehmende Komplexität vernetzter Produkte und Anwendungen rücken die Digitalisierung in den Fokus von Konformitätsbewertungsstellen (KBS). Die Nachfrage nach Konformitätsbewertungsdienstleistungen im Einklang mit Innovationen, neuen Technologien und Prozessen steigt. Dies stellt Prüf- und Kalibrierlaboratorien, Inspektions- und Zertifizierungsstellen und andere KBS vor neue Herausforderungen. Der Fortschritt digitaler Technologien und Anwendungen eröffnet diesen Organisationen gleichzeitig neue Chancen. Diese Studie ist die erste, die das Thema der "Digitalisierung in der Konformitätsbewertung" umfassend erforscht. Sie stützt sich auf Daten aus einer Online-Umfrage unter KBS weltweit (14 Länder und Westafrika als Region mit sieben Ländern).
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.
The dripping behaviour of polymers is often observed experimentally through the UL94 flammability standard test. In this work, polymeric dripping under fire is investigated numerically using particle finite element method. A parametric analysis was carried out to observe the influence of a single property on overall dripping behaviour via a UL94 vertical test model. Surrogates and property ranges were defined for variation of the following parameters: glass transition temperature (Tg), melting temperature (Tm), decomposition temperature (Td), density (ρ), specific heat capacity (Cp), apparent effective heat of combustion of the volatiles, char yield (μ), thermal conductivity (k), and viscosity (η). Polyamide, poly(ether ether ketone), poly(methyl methacrylate), and polysulfone were used as benchmarks. Simulated results showed that specific heat capacity, thermal conductivity, and char yield allied with viscosity were the properties that most influenced dripping behaviour (starting time and occurrence).
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung und Bewertung bei der Auswertung von Schienenprüfungen mittels Ultraschall- und Wirbelstromprüfverfahren zu verbessern. Je nach Prüfverfahren werden relevante Schienenschädigungen (z. B. Head Checks) und Artefakte (z. B. Bohrungen) entsprechend analysiert und in einem parametrisierbaren digitalen Zwilling abgebildet, um anschließend die KI-Algorithmen trainieren zu können. Mit der Simulation können Prüffahrten virtuell durchgeführt und Schadensbilder für das KI-Training erzeugt werden, die das Verhalten komplexer Systeme reproduzieren, ohne dass das reale System benötigt wird. Die Modellannahmen sind dabei von erheblicher Bedeutung, denn unzureichende Modellannahmen führen leicht zu falschen Simulationsergebnissen. Um die Ergebnisse einer Simulation ordnungsgemäß darstellen zu können, ist das Simulationsmodell selbst zu überprüfen.
Die Vollständigkeit, Richtigkeit und Genauigkeit der Simulationsergebnisse werden anhand von realen Prüfungen verifiziert. Für die Verifikation der Ultraschallsimulation werden hier Stegbohrungen als Referenzreflektoren herangezogen. Als Testkörper stehen Schienensegmente mit unterschiedlichen Profiltypen sowie speziell angefertigte Testkörper mit schienenähnlicher Geometrie zur Verfügung. In den Testkörpern befinden sich künstliche und reale Schädigungen in Kopf-, Steg- und Fußbereich, sowie Bohrungen mit Nuten. Die Validierung der Wirbelstromsimulation erfolgt an Testkörpern, die aus Schienenköpfen gefertigt sind. Dabei werden die Signale für unterschiedliche Nuttiefen und Nutenpaare mit unterschiedlichen Abständen untersucht.
Für die Modellierung der Simulationsergebnisse verweisen wir auf das ebenfalls eingereichte Poster „Simulation von Ultraschall- und Wirbelstromprüfdaten für die Schienenprüfung“.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Mit der Abkehr von der Nutzung fossiler Rohstoffe rücken regenerative Energieträger immer weiter in den Focus. Neben klassischen Holzkohlen werden verstärkt so genannte Biokohlen produziert. Dieser Begriff findet Verwendung für mit Hilfe verschiedener Verfahren karbonisierte pflanzliche, tierische oder mikrobielle Ausgangsstoffe. Diese Kohlen werden zum Teil über weite Strecken zum Bestimmungsort transportiert (Überseetransporte) oder vor Verwendung für längere Zeit gelagert.
Häufig zeigen diese Kohlen ein kritisches Selbstentzündungsverhalten, wobei Einstufungstests (UN N.4 Test) versagen können. Ein negatives Testergebnis des UN N.4 Tests führte dabei in der Vergangenheit zur Nichteinstufung als selbsterhitzungsfähiger Stoff; in der Praxis entzündeten sich aber bereits vergleichsweise kleine Schüttungen (einige m³), z. B. beim Seetransport in Containern. Der Artikel geht auf dieses Problem ein und stellt Prüfverfahren vor. Aus den Ergebnissen durchgeführter Untersuchungen werden Empfehlungen für sicheren Transport und Lagerung abgeleitet.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung und Bewertung bei der Auswertung von Schienenprüfungen mittels Ultraschall- und Wirbelstromprüfverfahren zu verbessern. Die Bandbreite möglicher Defekte und die Menge an Einflussgrößen auf die Schienenprüfung ist sehr groß, aber die Prüfdaten aus dem Feld bilden diese Bandbreite nicht balanciert ab und sind unzureichend gelabelt. Durch Simulationen werden große Mengen detailliert gelabelter Daten für relevante Schienenschädigungen und Artefakte bereitgestellt. Aus diesen Daten werden wiederum virtuellen Prüffahrten erstellt, die für das Training und die Validierung der KI genutzt werden können.
In unserem Poster stellen wir die Simulation dieser Ultraschall- und Wirbelstromprüfdaten vor. Dabei gehen wir im Detail auf die Themen CAD-Modellierung, Modellparameter, Simulationssoftware und Signalverarbeitung ein. Wir stellen ausgewählt die Simulation von Head Checks für Wirbelstromprüfverfahren und Bohrungsanrissen für Ultraschallprüfverfahren dar, da das Erkennen dieser Schädigungstypen bei der Schienenprüfung hohe Priorität innehat.
Für die Verifikation der Simulationsergebnisse verweisen wir auf den ebenfalls eingereichten Vortrag „Verifikation von Ultraschall- und Wirbelstromsimulationen bei der Schienenprüfung“.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Ein großer Teil unserer Brücken wurden in den 1950er bis 1970er Jahren als Spannbetonbrücken gebaut. Mit der damals noch relativ jungen Technologie entstanden elegante, teilweise gewagte Bauwerke mit großen Spannweiten, welche die Vorteile der Materialien Stahl und Beton geschickt kombinieren. Die Standsicherheit einiger dieser Brücken ist heute gefährdet. Die Ursachen liegen in der enorm gewachsenen Belastung durch Schwerverkehr, teilweise ungenügender Wartung und in konstruktiven und Materialschwächen, die der mangelnden Erfahrung mit der Technologie in der Bauzeit geschuldet sind. Ein neuralgischer Punkt der Bauwerke sind die in den Beton integrierten Spannglieder. Infolge von Korrosion und Ermüdung können Elemente der Spannglieder reißen, wodurch die für das Tragwerk notwendige Spannung und somit die Tragfähigkeit reduziert werden. Nicht bei allen Brücken kündigen sichtbare Risse im Beton oder auffällige Verformungen den Tragfähigkeitsverlust bzw. das finale Versagen rechtzeitig an.
Die Schallemissionsanalyse ist die derzeit einzige Methode, das Reißen einzelner Spannstähle zuverlässig und mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu detektieren. Trotzdem es schon einige Spannbetonbauwerke gibt, die mit Schallemissionsanalyse überwacht werden, ist das Verfahren noch wenig bekannt. Außerdem fehlen technische Richtlinien, was die Ausschreibung und Vergabe von entsprechenden Aufträgen und die Bewertung der Angebote sehr erschwert. Um sowohl Baulastträger als auch Dienstleistungsanbieter in den Vergabeverfahren und im Betrieb der Monitoringsysteme zu unterstützen, hat sich eine Gruppe von Experten aus den Bereichen Bauingenieurwesen und Schallemission zum Entwurf einer Richtlinie „Detektion von Spanndrahtbrüchen mit Schallemission“ zusammengefunden. Mit diesem Beitrag wird die Richtlinie vorgestellt, die 2024 erscheinen soll.
The structural integrity of outer reinforced concrete (RC) containments of nuclear power plants provides an essential shield against external hazards. If this containment is damaged by an impact event, such as an aircraft crash, the question arises to which degree the reinforced concrete containment still has its protective capability. This concerns both purely structural protection and protection against liquids penetrating the interior of the containment. Due to the dimensions of the containment structures, it is difficult to perform real scale impact experiments, so in the past decades plate geometries at medium scale have been used for investigations. Detailed investigations on the structural behaviour of RC members or RC plates subjected to impact loading have already been presented in Just et al., Hering, Hering et al., Bracklow et al., Hille et al. and Nerger et al.
The following investigations deal with the single and multiple impact event (first hard impact and/or subsequent soft impact) on a RC specimen, which provides the basis for further investigations. A description of the test setup and the test procedure as well as a presentation of the test results from the impact tests are provided.
Furthermore, the experimental program is presented, which the damaged RC specimens are to undergo to deal with the question of how much the impact-damaged RC structure has become permeable to liquid media, such as water and kerosene, depending on the intensity of the impact. The aim of these following investigations is to develop a test setup that can be applied to investigate the liquid penetration behaviour (LPB) of small, medium, and large-scale RC members.
In addition to the liquid penetration experiments, the damaged specimens are to be examined by planar tomography to obtain the damage inside the specimen. The combination of damaging event, fluid penetration behaviour and tomography should enable a comprehensive understanding of the damage to the RC specimen.
Mit der Abkehr von der Nutzung fossiler Rohstoffe rücken regenerative Energieträger immer weiter in den Focus. Neben klassischen Holzkohlen werden verstärkt so genannte Biokohlen produziert. Dieser Begriff findet Verwendung für mit Hilfe verschiedener Verfahren karbonisierte pflanzliche, tierische oder mikrobielle Ausgangsstoffe. Diese Kohlen werden zum Teil über weite Strecken zum Bestimmungsort transportiert (Überseetransporte) oder vor Verwendung für längere Zeit gelagert.
Häufig zeigen diese Kohlen ein kritisches Selbstentzündungsverhalten, wobei Einstufungstests (UN N.4 Test) versagen können. Ein negatives Testergebnis des UN N.4 Tests führte dabei in der Vergangenheit zur Nichteinstufung als selbsterhitzungsfähiger Stoff; in der Praxis entzündeten sich aber bereits vergleichsweise kleine Schüttungen (einige m³), z. B. beim Seetransport in Containern. Der Artikel geht auf dieses Problem ein und stellt Prüfverfahren vor. Aus den Ergebnissen durchgeführter Untersuchungen werden Empfehlungen für sicheren Transport und Lagerung abgeleitet.
Bei der zerstörungsfreien Prüfung verlegter Eisenbahnschienen werden die Rohdaten derzeit in proprietären Datenformaten gespeichert und auf Datenträgern zwischen den Prüfzügen und den auswertenden Stellen versendet. Die proprietären Datenformate sind in der Regel nur den Herstellern der Prüfsysteme bekannt und deren Dokumentation nicht allgemein zugänglich.
Das Forschungsprojekt „Artificial Intelligence for Rail Inspection“ (AIFRI) erfordert den Austausch von Prüfdaten in einem offenen Format sowohl zwischen den Projektpartnern als auch die Veröffentlichung anonymisierter Daten ausgewählter Strecken aus dem Offenen Digitalen Testfeld (ODT). Wir haben uns in dem Projekt für die Verwendung der „Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation“ (DICONDE) entschieden. DICONDE basiert auf dem medizinischen Standard „Digital Imaging and Communication in Medicine“ (DICOM) und wurde von ASTM an die ZfP angepasst. DICOM bzw. DICONDE ist nicht nur ein Datenformat, sondern beinhaltet auch Kommunikationsschnittstellen für die Auftragsvergabe, Datenübertragung und Abfrage gespeicherter Datensätze aus einem Archiv.
In dem Vortrag werden DICOM und DICONDE vorgestellt, sowie die Verwendung von DICONDE für die Schienenprüfung im Projekt AIFRI näher erläutert. Es wird gezeigt, wie sich Prüfdaten, Prüfparameter, Streckeninformationen incl. Kilometertafeln und Geokoordinaten und Befunde in DICONDE kodieren lassen.
Reclassification of bridges, i.e., a change in load rating, using reliability-based methods and a direct update with proof load information has been presented by many authors. However, bridge reclassification has hardly been studied from a decision analytic perspective, i.e., with quantification of the risks and benefits of different classification choices, and the expected benefit gain from proof loading. We derive, explain and exemplify a decision analytic approach for bridge reclassification along with models for (1) elastic and ultimate capacity and their adaptation with proof load information, (2) proof load information with classification outcomes accounting for target reliabilities and, (3) utilities including socio-economic benefits from reclassification. The approach and models are exemplified with a case study based on reclassification of bridges with a low existing classification. Decision rules, for practical use by a highway authority to find the optimal classification, are identified and documented based on: (1) the measurement of the capacity at elastic limit by proof loading, (2) the bridge reclassification benefits, and, (3) the required annual reliability level. From a Value of Information analysis, it is concluded that the proof load information is highly valuable for reclassification in cases of high socio-economic benefits and high reliability requirements.
Machbarkeitsstudie zur Zustandserfassung von Spannbetonschwellen mit dem Ultraschallverfahren
(2024)
Das niederfrequente Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Zustandserfassung von Stahlbetonkomponenten findet im Bauwesen umfangreiche Anwendung. Multistatische Arrays sind am Markt verfügbar und ausgelegt für die Prüfung großflächiger Betonstrukturen. In einer Machbarkeitsstudie wird überprüft, ob eine Zustandserfassung an schlanken Spannbetonschwellen möglich ist. B70-Schwellen und B90-Weichenschwellen wurden hierfür im Labor, im Schienennetz und während der Wiederaufbereitung mit dem Ultraschallverfahren untersucht. Fokus ist die Detektion von Sickenrisse, Kopfrissen und Treibrissen im Bereich des Schwellenkopfes.
Die rekonstruierten Ultraschalldaten zeigen für intakt-klassifizierte Schwellen ein reproduzierbares Rückwandecho und weitere Reflexionen an den Schwellenaußenkanten. Die Ausprägung der Amplitude variiert je nach Degradation durch Belastung und Verwitterung. Defekt-klassifizierte Schwellen mit z. B. Kopfrissen oder unterseitigen Abplatzungen unterscheiden sich im Signalbild deutlich durch oberflächennahe Reflexionen bzw. verschobene Rückwandechos. Basierend auf den untersuchten Schwellen zeigt die Machbarkeitsstudie, dass eine zerstörungsfreie Zustandserfassung mit Hilfe des Ultraschallverfahrens grundsätzlich möglich ist.
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.
Biofuels, particularly biodiesel, have gained significant attention as an alternative to traditional fossil fuels in recent years. Unlike diesel, which contains hundreds of compounds, biodiesel only contains a few compounds in the C16-C18 carbon chain. However, the use of biodiesel in automobile and transportation applications can result in problems of degradation or even damage in materials. Among the commonly used polymer materials, fluorocarbon (FKM) shows excellent performance and high stability and compatibility towards oil, diesel, ethanol, and other chemicals. FKM is a family of fluorocarbon-based fluoroelastomer materials, which provide excellent high-temperature and chemical stability compared to other elastomers. As a result, FKM is widely used in chemical processes such as petroleum refining, where it is used for sealings, pumps, and other components.
Entwicklung einer flexiblen Datenablage zur sicheren Speicherung von Bauwerksdaten - "CASPAR"
(2024)
Bestandsunterlagen von älteren Bauwerken sind bezüglich einer rechnerischen Zustandsbewertung häufig nur in einem unzureichenden Umfang verfügbar. Dies gilt sowohl für den privaten als auch für den öffentlichen Bereich. Der Wert von Bestandsunterlagen für Gebäude oder Brücken ist Vielen nicht bekannt. Soll jedoch der aktuelle Zustand von Bauwerken bewertet, sollen Restlebensdauern abgeschätzt oder soll umgebaut werden, stellen Bestandsunterlagen die Grundlage dafür dar. Liegen diese nicht vor, so muss die Bauweise des Bauwerkes kostenintensiv nachvollzogen und mit nachträglichen Untersuchungsverfahren bewertet werden. Vor allem ist dies darauf zurückzuführen, dass die Aufbewahrung der Bestandsunterlagen dem Bauherrn obliegt und diese meist in Papierform vorliegen und dann bei Umzügen, Betriebsschließungen, Eigentümerwechsel etc. verloren gehen.
Die Digitalisierung im Bauwesen bietet hier Möglichkeiten diese Probleme künftig zu vermeiden. Bereits heute nimmt die digitale Planung im Bauwesen eine immer größere Rolle ein. Mehr und mehr Bauvorhaben werden schon jetzt in sogenannten BIM Modellen (Building Information Modelling) geplant. Um die Akzeptanz einer digitalen Lösung zu gewährleisten muss die Vertrauenswürdigkeit von Daten auch langfristig garantiert sein. Naturgemäß unterliegen Erkenntnisse, die aus Daten gewonnen werden, häufig vielen Prozessschritten mit unterschiedlichen Beteiligten. Es lässt sich vor dem Hintergrund der üblichen Lebensdauern von Bauwerken leicht erkennen, dass es schwierig ist diese Prozesskette, von der Datenerhebung bis zur teilweise jahrzehnte späteren Nutzung, beweissicher und rückführbar zu gestalten. Diese Attribute sind es aber, die die Vertrauensbasis für die Qualität und somit auch die Akzeptanz von digitalisierten Daten bilden. Im Projekt „CASPAR“ erarbeiten wir eine mögliche technologische Grundlage, um Bauwerksdaten langfristig und manipulationssicher zu speichern.
Wir präsentieren unsere Forschungsergebnisse zur Entwicklung eines faseroptischen Sensorsystems mit polymeroptischen Fasern integriert in Geokunststoffe für die Überwachung von geotechnischen Anlagen. Das Sensorsystem dient der räumlichen Auflösung lokaler Dehnungsereignisse im für Anwender signifikanten Größenordnungsbereich von 3 % bis 10 %. Das gesamte Sensorkonzept besteht aus einem praxistauglichen Messsystem basierend auf der digitalen inkohärenten optischen Frequenzbereichsreflektometrie (I-OFDR) und einer Sensormatte in Form eines Geotextils mit integrierten faseroptischen perfluorierten polymeroptischen Fasern (PF-POFs).
Mechanical stress often accelerates the failure of polymer materials. The aim of this research is to study the interaction between the sealing material FKM and biofuels B10 (heating oil with 10% biodiesel). The mechanical stress test was carried out in a special apparatus. Both mechanical and non-mechanical stress tests were conducted on specimens at 20, 40, and 70 °C for 28 days to document changes in mass, volume, and tensile properties. Both increasing temperature and mechanical stress have a significant effect on the tensile strength of the FKM polymer when exposed to B10. The combination of increasing temperature and mechanical stress induced rupture within 2 h. It was also established that FKM polymer with pre-exposure in B10 survived longer during mechanical stress compared to specimens exposed only to air. With the support of infrared (IR) spectroscopy, we were able to confirm the penetration of B10 into the FKM polymer.
A novel distributed acoustic sensing technique is proposed that exploits both phase and amplitude of the Rayleigh backscattered light to quantify the environmental variation. The system employs a wavelength-scanning laser and an imbalanced Mach-Zehnder interferometer to acquire the reflection spectra and the phase of the detected light, respectively. Fading-free and low-frequency measurements are realized via the crosscorrelation of the reflection spectra. The discrete crosscorrelation is used to circumvent the nonlinear frequency sweeping of the laser. Based on the phase of the backscattered light, it is possible to quantify fast environmental variations. The whole system requires no hardware modification of the existing system and its functionality is experimentally validated. The proposed system has the potential to monitor ground motion/movement at very low frequency band like subsidence around mining areas and at high frequency band like earthquakes and vibrations induced by avalanches.
Holzkohlen im Seeverkehr - Selbstentzündung vermeiden, sichere Beförderungsbedingungen schaffen
(2024)
Mit der Abkehr von der Nutzung fossiler Rohstoffe rücken regenerative Energieträger immer weiter in den Focus. Neben klassischen Holz- und Pflanzenkohlen werden verstärkt so genannte Biokohlen produziert. Dieser Begriff findet Verwendung für mit Hilfe verschiedener Verfahren karbonisierte pflanzliche, tierische oder mikrobielle Ausgangsstoffe. Diese Kohlen werden zum Teil über weite Strecken zum Bestimmungsort transportiert (Überseetransporte) oder vor Verwendung für längere Zeit gelagert.
Häufig zeigen diese Kohlen ein kritisches Selbstentzündungsverhalten, wobei Einstufungstests (UN N.4 Test) versagen können. Ein negatives Testergebnis des UN N.4 Tests führte dabei in der Vergangenheit zur Nichteinstufung als selbsterhitzungsfähiger Stoff; in der Praxis entzündeten sich aber bereits vergleichsweise kleine Schüttungen (einige m³), z. B. beim Seetransport in Containern. Ergebnisse eines Projektes zur systematischen Untersuchung verschiedener Pflanzenkohlen werden vorgestellt.
Mit der Abkehr von der Nutzung fossiler Rohstoffe rücken regenerative Energieträger immer weiter in den Focus. Neben klassischen Holzkohlen werden verstärkt so genannte Biokohlen produziert. Dieser Begriff findet Verwendung für mit Hilfe verschiedener Verfahren karbonisierte pflanzliche, tierische oder mikrobielle Ausgangsstoffe. Diese Kohlen werden zum Teil über weite Strecken zum Bestimmungsort transportiert (Überseetransporte) oder vor Verwendung für längere Zeit gelagert.
Häufig zeigen diese Kohlen ein kritisches Selbstentzündungsverhalten, wobei Einstufungstests (UN N.4 Test) versagen können. Ein negatives Testergebnis des UN N.4 Tests führte dabei in der Vergangenheit zur Nichteinstufung als selbsterhitzungsfähiger Stoff; in der Praxis entzündeten sich aber bereits vergleichsweise kleine Schüttungen (einige m³), z. B. beim Seetransport in Containern. Der Artikel geht auf dieses Problem ein, stellt Prüfverfahren vor und gibt Empfehlungen für sicheren Transport und Lagerung.
Mit der Abkehr von der Nutzung fossiler Rohstoffe rücken regenerative Energieträger immer weiter in den Focus. Neben klassischen Holzkohlen werden verstärkt so genannte Biokohlen produziert. Dieser Begriff findet Verwendung für mit Hilfe verschiedener Verfahren karbonisierte pflanzliche, tierische oder mikrobielle Ausgangsstoffe. Diese Kohlen werden zum Teil über weite Strecken zum Bestimmungsort transportiert (Überseetransporte) oder vor Verwendung für längere Zeit gelagert.
Häufig zeigen diese Kohlen ein kritisches Selbstentzündungsverhalten, wobei Einstufungstests (UN N.4 Test) versagen können. Ein negatives Testergebnis des UN N.4 Tests führte dabei in der Vergangenheit zur Nichteinstufung als selbsterhitzungsfähiger Stoff; in der Praxis entzündeten sich aber bereits vergleichsweise kleine Schüttungen (einige m³), z. B. beim Seetransport in Containern. Der Artikel geht auf dieses Problem ein, stellt Prüfverfahren vor und gibt Empfehlungen für sicheren Transport und Lagerung.
Relevant, abgesichert, vergleichbar – ZfP-Ergebnisse bei der Zuverlässigkeitsbewertung von Bauwerken
(2024)
Die Nachrechnung, d. h. die Zuverlässigkeitsbewertung von bestehenden Brücken, ist aufgrund der alternden Infrastruktur und sich verändernden Anforderungen an die Bauwerke eine fortwährend große Herausforderung in Wissenschaft, Praxis und Standardisierung. Ein wesentlicher Vorteil bei der Nachrechnung besteht gegenüber dem Neubauentwurf in der Möglichkeit, Informationen über den tatsächlichen Zustand der Bauwerke zu erheben – im Idealfall ohne wesentliche destruktive Eingriffe in die Bausubstanz. Deren Verwendung bei der Zuverlässigkeitsanalyse dient der Zuschärfung von Berechnungsmodellen und ermöglicht realitätsnähere Bauwerksbeurteilungen. Die Einbeziehung von Messdaten bei der Zuverlässigkeitsbewertung setzt jedoch voraus, dass die Qualität der gemessenen Informationen bekannt und deren Vergleichbarkeit sichergestellt ist. Darüber hinaus sollte die Relevanz der messbaren Informationen beziffert werden, um wirtschaftliche Inspektionen am Bauwerk gezielt durchführen zu können.
In diesem Beitrag wird am Beispiel von Ultraschall- und Radarmessungen an einer Spannbetonbrücke gezeigt, wie ZfP-Ergebnisse bei der Zuverlässigkeitsbewertung von Bestandsbauwerken mit probabilistischen Methoden genutzt werden können. Betrachtet werden innere geometrische Abmessungen wie die Lage der Bewehrung oder von Spanngliedern. Die Relevanz der messbaren Informationen wird anhand von Sensitivitätsanalysen beziffert. Messunsicherheitsbetrachtungen dienen der Bezifferung der Qualität der gemessenen Informationen und der Gewährleistung deren Vergleichbarkeit. Abschließend werden die möglichen Auswirkungen der Berücksichtigung von ZfP-Ergebnissen auf die Bauwerkszuverlässigkeit in einem Nachweis einer Spannbetonbrücke gemäß Eurocode demonstriert.
Portland cement is one of the principal sources of anthropomorphic CO2 emissions. It is estimated that cement production contributes up to 10% of greenhouse gas emissions and annual cement production over 4 billion tons. This has led to the development of a range of alkali activated materials (AAM), the most common precursor materials being class F fly ash and blast furnace slag. At present Class C Fly Ash is not widely utilized as an AAM due to the chemical composition and activation requirements. However, initial research on high Calcium German Class C Fly Ash suggests that the material may have potential for application as an AAM. This paper reports the development of ambient cured alkali activated mortar optimised by varying the alkali modulus and w/b ratio. The evolution of the mechanical and microstructural properties is reported over the initial 28 day period. Compressive strength in excess of 10 MPa at 7 days and 15 MPa at 28 days was achieved at ambient temperature. Similar strengths were observed for both 10% and 15% dosage but as dosage increases the optimal Alkali Modulus reduces.
Der Vortrag behandelt den Stand der Technik bei der zerstörungsfreien Prüfung von Betonkonstruktionen und insbesondere den Stand und die Herausforderungen bei der Digitalisierung. Es werden Prüfaufgaben sowie etablierte Prüfmethoden und die passende Auswahl diskutiert. Ein weitere Schwerpunkt liegt bei der Genauigkeit und Verlässlichkeit und dem Konzept ZfPStatik. Abschließend werden Schnittstellen zu BIM, SIB-Bauwerke und anderen System kurz angerissen und ein Katalog offener Fragen aufgestellt.
Combining buffing leather fibers from industrial waste streams with ammonium polyphosphate and bentonite clay is proposed as a flame-retardant additive for polypropylene. The paper addresses how they can be processed into attractive composites with the desired mechanical properties. Buffing leather fibers function as a multifunctional bio-filler and as a synergist for the flame retardant, resulting in fire retardancy successful enough to increase the oxygen index (LOI) by up to 7 vol.-% and to achieve a V0 UL 94 classification. Impressively reduced heat release rates are obtained in the cone calorimeter at 50 kW/m2 irradiation; for instance, the maximum average rate heat evolved (MARHE) drops from 765 to below 200 kW m 2. The synergistic effects are quantified and shown to be very strong for LOI and MARHE. This work opens the door to use waste buffing leather fibers as a promising multifunctional and synergistic bio-filler.
To ensure fire safety, polymers are filled with flame retardants and smoke suppressants. To meet the highest requirements, it is essential to understand the decomposition of those polymeric materials. This study reveals interactions between polymer, smoke suppressants, and flame retardants, and discusses their impact on the materials’ flame retardancy, smoke emission, smoke toxicity, and particle emission in conventional loadings to provide deeper general understanding. Low melting oxide glass, melem, spherical silica, sepiolite, melamine polyphosphate, and boehmite in an aluminum diethylphosphinate flame-retarded polyamide 6.6 were investigated. All smoke suppressants improve the protective layer and act as an adjuvant. Silica and melem performed best under forced flaming conditions. Spherical silica reduces the peak of heat release rate by 39% and the total heat evolved by 14%, whereas 10 wt% melem lowers the total smoke production by 41%. Melem alters the mode of action of aluminum diethylphosphinate from gas to more condensed phase activity. This change reduces flame inhibition and hence smoke toxicity, but further improves the protective layer due to charring reactions in the decomposition mechanism. In addition, the sizes of the smoke particles decrease because of the prolonged time in the pyrolytic zone. This study highlights that interactions between polymer, flame retardants, and smoke suppressants can significantly determine the smoking and burning behavior.
Locating and sizing delaminations is a common inspection task in the maintenance and quality control of construction and rehabilitation. Their detection is an important area of application of nondestructive testing in civil engineering (NDT-CE). To improve this application, NDT test systems and test solutions must be compared, for which specimens containing well-defined delaminations are needed to serve as a reference. Currently, there are no widely accepted procedures available for creating such flaws locally and reproducibly. This study presents procedures for creating artificial delaminations repeatably and as close as possible to natural delaminations. To produce the discontinuities only substances were used which can occur in concrete components and do not affect the application of NDT-CE methods. Ultrasonic pulse-echo (UPE) was used to test the flaws in the specimens. The delaminations were created by applying expansive mortar in prepared through holes. Three specimens with two delaminations each were built and tested using UPE.
Um den Klimawandel wirksam zu bekämpfen, ist es entscheidend, fossile Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen wie Wind-, Solar- und Wasserkraft sowie alternative Energieträger, beispielsweise grünen Wasserstoff, zu ersetzen. Offshore-Windenergie spielt hierbei eine zentrale Rolle, da sie dank der Kombination aus globaler Verfügbarkeit, relativ geringen Betriebskosten und fortgeschrittenem technischen Entwicklungsstand besonders geeignet ist, zur regenerativen Stromerzeugung beizutragen. Sie ist zudem ein Schlüsselelement für die Umsetzung des Europäischen Green Deals, der das Ziel verfolgt, bis 2050 Klimaneutralität in der EU zu erreichen. Expertenschätzungen zufolge ist eine Steigerung der aktuellen Kapazität von 25 GW im Jahr 2020 auf etwa 450 GW notwendig, um diese ambitionierten Ziele zu erfüllen.
Bei der Entwicklung zukünftiger Offshore-Windparks, insbesondere in tieferen Gewässern, gewinnen Jacket-Gründungsstrukturen an Bedeutung. Diese Strukturen, die eine höhere Steifigkeit bei geringerem Materialeinsatz im Vergleich zu den bisher vorherrschenden Monopile-Gründungen bieten, basieren auf komplexen, räumlich aufgelösten Konstruktionen, die ähnlich den Öl- und Gasplattformen entwickelt werden. Die Herstellung der Jacketknoten, die bislang überwiegend manuell geschweißt wurden, birgt erhebliches Optimierungspotential. Durch Automatisierung und Digitalisierung der Fertigungsprozesse könnten nicht nur die Effizienz gesteigert, sondern auch die Qualität der Endprodukte durch präzise Überwachung und Kontrolle der Produktionsparameter verbessert werden. Diese technologischen Fortschritte sind für die Skalierung der Offshore-Windenergie und die Erreichung der Klimaziele von entscheidender Bedeutung.
Acceleration sensors are vital for assessing engineering structures by measuring properties like natural frequencies. In practice, engineering structures often have low natural frequencies and face harsh environmental conditions. Understanding sensor behavior on such structures is crucial for reliable masurements. The research focus is on understanding the behavior of acceleration sensors in harsh environmental conditions within the low-frequency acceleration range. The main question is how to distinguish sensor behavior from structural influences to minimize errors in assessing engineering structure conditions. To investigate this, the sensors are tested using a long-stroke calibration unit under varying temperature and humidity conditions. Additionally, a mini-monitoring system configured with four IEPE sensors is applied to a small-scale support structure within a climate chamber. For the evaluation, a signal-energy approach is employed to distinguish sensor behavior from structural behavior. The findings show that IEPE sensors display temperature-dependent nonlinear transmission behavior within the low-frequency acceleration range, with humidity having negligible impact. To ensure accurate engineering structure assessment, it is crucial to separate sensor behavior from structural influences using signal energy in the time domain. This study underscores the need to compensate for systematic effects, preventing the underestimation of vibration energy at low temperatures and overestimation at higher temperatures when using IEPE sensors for engineering structure monitoring.
AbstractThe increasing threat of forest fires on a global scale is not only a matter of concern due to the potential harm they may cause to both human and animal life but also due to their significant role in exacerbating climate change. In light of these circumstances, one might inquire as to whether forest soil can self‐ignite and, if so, under what conditions and at what temperatures this phenomenon may occur. This question is being addressed in the German pilot “Fire science of wildfires and safety measures” of the EU project TREEADS, and the first results are presented below. The importance of basic research into the self‐ignition of forest soil cannot be underestimated, as it provides crucial knowledge to prevent forest fires and protect human and animal health. Furthermore, mitigating the occurrence of forest fires can also play a role in reducing greenhouse gas emissions, contributing to global efforts to combat climate change. The procedure of the hot storage test is an effective means of determining whether a material can self‐ignite. During the investigation of six soil samples, it was found that five of them were indeed capable of self‐ignition. In addition to determining whether the material ignites, the modified hot storage test also analyzed the resulting smoke gases and measured their concentration. The research question of whether regional forest soil is capable of self‐ignition can be answered with yes based on these initial tests. Further experiments are needed to determine if self‐ignition causes forest fires.
Der Beitrag zeigt die Mechanismen, Voraussetzungen und Einflussgrößen der Bimetallkorrosion wichtiger Werkstoffe im Kontakt mit nichtrostenden Stahl anhand von verschiedenen Beispielen. Darüber hinaus wird das Korrosionsverhalten von nichtrostenden Stahl im Kontakt mit Holz als saurer Baustoff und mit Beton als alkalischer Baustoff beschrieben.
Demonstrationsexperimente
(2024)
The subject of permeation of hoses according to ISO 3821 for
hydrogen was discussed for a long time in ISO/TC 44/SC 8. The reason
is a considerable leakage of hydrogen diffused into the hose material
over the end face of the hose. Because of this unsolved, safety-related
problem of hoses sold on the market, measurements should be carried
out in order to be able to better assess the problem. BAM has declared
its attendance to provide a required fast solution to this issue.
Zur Erweiterung der Anwendungserfahrungen nichtrostender Stähle, insbesondere von Lean-Duplex-Stählen, unter maritimen Einsatzbedingungen, wurden Testracks auf der Umspannplattform OSS des Windparks Hohe See errichtet. Hier wurden neben Standardproben zur Korrosivitätsbestimmung nach ISO 9223 auch mehrere Serien nichtrostender Stahlgüten mit unterschiedlichen Oberflächen, Spaltausbildungen und Verarbeitungszuständen ausgelagert und nun nach 1-jähriger Bewitterungszeit bewertet. In diesem Beitrag werden Oberflächenzustände, Korrosionszustände und Lochtiefen dieser Probekörper gezeigt.
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß 2014/34/EU muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden. Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei mechanisch erzeugten Schlag-, Schleif- und Reibvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes bzw. des Reibens zweier Werkstücke bzw. Bauteile zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen (Zündquelle "heiße Oberflächen") als auch die abgetrennten Partikel (Zündquelle "mechanisch erzeugte Funken") können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm DIN EN ISO 80079-36:2016 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Ferner finden sich in der TRGS 723 Hinweise zum Umgang mit funkenarmen Werkzeugen im explosionsgefährdeten Bereich.
Chapter 6: Case studies
(2023)
Diese Hinweisbroschüre erläutert allgemeine Planungsvoraussetzungen und Dimensionierungsregelungen, Baugrundsätze und Zulassungsbedingungen zur Anwendung innovativer Belagsdehnfugensysteme (Fahrbahnübergangskonstruktionen) in hochbeanspruchten Verkehrsflächen des Bundesfernstraßenbereiches. Alle planungsrelevanten, baustoffrelevanten, versuchstechnische, qualitätssichernden und baupraktischen Aspekte werden zur Unterstützung der Straßenbauverwaltungen, der Lieferfirmen und Ausführungsbetriebe erläutert. Die Veröffentlichung stellt eine technische Analyse aus Erfahrungssammlungen und Auswertung praktischer Erkenntnisse dar.
Alkali-aktivierte Hüttensandbetone – CO2-reduzierte Bindemittel mit hohem Korrosionsschutzpotential
(2023)
Durch den Ersatz von Portlandzement können alkali-aktivierte Bindemittel einen bedeutenden Beitrag zur Verringerung der durch die Zementklinkerherstellung verursachten CO2-Emissionen leisten. Für die Verwendung von alkali-aktivierten Bindemitteln in Stahlbetonkonstruktionen, die Chloriden oder Carbonatisierung ausgesetzt sind, ist die Fähigkeit des Stahls, den passiven Zustand zu erreichen und aufrechtzuerhalten, von großer Bedeutung. Die Prozesse der Deckschichtbildung von Stahl in alkali-aktivierten Materialien unterscheiden sich jedoch zum Teil grundlegend von denen in Portlandzementen. Alkali-aktivierte Hüttensandbetone weisen gute technische Eigenschaften auf, bisher fehlen jedoch grundlegende Kenntnisse bzgl. ihrer schützenden Wirkung bei korrosiven Angriffen. Dies ist vor allem auf ihre sulfidhaltige Porenlösung zurückzuführen, welche die elektrochemischen Eigenschaften der Stahloberfläche beeinflusst und die Verwendung herkömmlicher Bewertungsmaßstäbe erschwert. Es werden erste Ergebnisse eines DFG-Forschungsprojektes vorgestellt, in dem das Passivierungsverhalten von Stahl in alkali-aktivierten Hüttensandmörteln unterschiedlicher Zusammensetzungen sowie in Mörteln auf Basis hüttensandhaltiger Normzemente untersucht wird. Über einen Zeitraum von mindestens 28 Tagen werden an Zylinderprüfkörpern im 3-Elektroden-Aufbau das Ruhepotential sowie die Polarisationswiderstände der Stahlelektroden ermittelt.
Understanding the susceptibility to spalling of concrete members in case of fire is important to evaluate the residual load-bearing capacity. The investigations of the spalling phenomenon of a concrete mixture using real scale members are necessary but expensive to carry out. Reducing the specimen size leads to an increase of boundary effects that can result in a reduced spalling or absence of spalling. In this study, fire tests were carried out on unrestrained, single-sided exposed, cuboid shaped specimens (0.6 m x 0.6 m x 0.29 m) as well as unrestrained and steel ring restrained cylindrical specimens (Ø = 0.47 m, h = 0.29 m), which induce different boundary conditions. These fire tests were carried out on two ordinary concrete mixtures. The two mixtures differ only in the type of aggregates (quartz gravel and basalt grit) and were used to investigate the influence of the thermal expansion of the aggregate on the spalling behaviour of the concrete. The results show a significant increase of
the spalling depth due to the restrained thermal expansion achieved by the applied steel rings. Additionally, the type of aggregate has a direct influence on the spalling behaviour of a concrete mixture. The reduction of the boundary effects by the steel rings recreate the test conditions in the centre of a large concrete member. Thus, this type of specimen is suitable to determine the susceptibility to spalling of a material (screening-tests) as preliminary investigations to full scale fire tests.
Experimental Setup for the Reproducible Generation of Pressure Waves in Free Field Conditions
(2023)
The injuries caused by the primary blast are still poorly understood, especially in the torso region. To generate sufficiently large data sets, shock tubes are often used. However, these have some limitations, such as blockage, use of the exit jet, widening cross-sections, and scaling problems with respect to compressive strength and test objects. Therefore, it is appropriate to conduct experiments under free-field conditions, but tests with real explosives are often associated with long preparation and setup times as well as high safety requirements.
Therefore, this paper presents an experimental setup for the reproducible generation of blast waves under free-field conditions. This experimental setup aims to provide a test environment for a sufficiently large specimen to investigate the behaviour of the shock wave within the specimen, especially at the media interfaces. As an example of application, the influence of the primary explosive effect on protective equipment or on tissue simulants for the investigation of blast injuries can be mentioned. An autoclave is used as a shock wave generator. It has a volume of 0.065 m3 and is filled with a stoichiometric acetylene-oxygen gas mixture. The setup and turnaround time is approximately 30 minutes. The following factors have been selected as target variables for the optimization of the shock wave generator: reproducibility of the pressure wave, use-case-relevant positive phase duration and peak overpressure, a pressure curve characteristic corresponding to that of a military explosive under undisturbed free field conditions, and short setup times of the experimental setup. For this purpose, the experimental setup is presented in this paper. Several series of measurements are presented, showing the characteristics of the generated pressure wave. For the generated pressure wave, the classical pressure curve characteristics can be clearly recognized. A peak pressure of 92 kPa is reached at a distance of 1 m from the opening, and the first positive pressure phase lasts 1.17 ms. Furthermore, the pressure wave propagates in a hemispherical shape. The typical characteristics of the blast wave generated by the SWG have been demonstrated using the military explosive PETN. It is shown that the actual load case corresponds to about 70 g of PETN.
Experimental Setup for the Reproducible Generation of Pressure Waves in Free Field Conditions
(2023)
The injuries caused by the primary blast are still poorly understood, especially in the torso region. To generate sufficiently large data sets, shock tubes are often used. However, these have some limitations, such as blockage, use of the exit jet, widening cross-sections, and scaling problems with respect to compressive strength and test objects. Therefore, it is appropriate to conduct experiments under free-field conditions, but tests with real explosives are often associated with long preparation and setup times as well as high safety requirements.
Therefore, this paper presents an experimental setup for the reproducible generation of blast waves under free-field conditions. This experimental setup aims to provide a test environment for a sufficiently large specimen to investigate the behaviour of the shock wave within the specimen, especially at the media interfaces. As an example of application, the influence of the primary explosive effect on protective equipment or on tissue simulants for the investigation of blast injuries can be mentioned. An autoclave is used as a shock wave generator. It has a volume of 0.065 m3 and is filled with a stoichiometric acetylene-oxygen gas mixture. The setup and turnaround time is approximately 30 minutes. The following factors have been selected as target variables for the optimization of the shock wave generator: reproducibility of the pressure wave, use-case-relevant positive phase duration and peak overpressure, a pressure curve characteristic corresponding to that of a military explosive under undisturbed free field conditions, and short setup times of the experimental setup. For this purpose, the experimental setup is presented in this paper. Several series of measurements are presented, showing the characteristics of the generated pressure wave. For the generated pressure wave, the classical pressure curve characteristics can be clearly recognized. A peak pressure of 92 kPa is reached at a distance of 1 m from the opening, and the first positive pressure phase lasts 1.17 ms. Furthermore, the pressure wave propagates in a hemispherical shape. The typical characteristics of the blast wave generated by the SWG have been demonstrated using the military explosive PETN. It is shown that the actual load case corresponds to about 70 g of PETN.
Pressure-sensitive adhesive tapes are used in several industrial applications such as con-struction, railway vehicles and the automotive sector,where the burning behavior is ofcrucial importance. Flame retarded adhesivetapes are developed and provided, however,often without considering the interaction of adhesive tapes and the bonded materialsduring burning nor the contribution of the tapes to fire protection goal of the bondedcomponents in distinct fire tests. This publication delivers an empirical comprehensiveknowledge how adhesive tapes and their flame retardancy effect the burning behaviorof bonded materials. With a special focus on the interaction between the single compo-nents, one flame retarded tape and one tapewithout flame retardant are examined inscenarios of emerging and developing fires, along with their bonds with the commonmaterials wood, zinc-plated steel, mineral wool, polycarbonate, and polymethylmethacry-late. The flame retardant significantly improved the flame retardancy of the tape as afree-standing object and yielded a V-2 rating in UL 94 vertical test and raised the OxygenIndex by 5 vol.%. In bonds, or rather laminates, the investigations prove that the choiceof carrier and substrates are the factors with the greatest impact on the fire propertiesand can change the peak of heat release rate and the maximum average rate of heatemission up to 25%. This research yielded a good empirical overall understanding of thefire behavior of adhesive tapes and bonded materials. Thus, it serves as a guide for tapemanufacturers and applicants to develop tapes and bonds more substrate specific.
minimum explosion concentration (MEC) and limiting oxygen concentration (LOC) in our recent works. This work further studies the reasonability and reliability of the alternative method experimentally and theoretically. Six different dust samples were tested via a 20-L spherical explosion chamber. The experimental results showed that the data of MEC and LOC determined by using the alternative and the standardized methods are in good agreement. The minimum flame propagation velocity (Sf) and the corresponding maximum combustion duration time (tc) were found at its MEC and LOC, suggesting that the theoretical analysis can well explain all the experimental data. It is the first time to study the theoretical basis of the explosion criterion, thus helping to improve our understandings of dust explosion characteristics, and to amend the explosion criterion in future test standards.
The recommendation is based on the co-authors’ work organized by the RILEM TC 256-SPF “Spalling of concrete due to fire: testing and modelling”. It aims to provide useful information, guidance and best practices in fire spalling assessment to laboratories that perform large-scale tests based on fire resistance test standards. It provides guidance on the spalling observation techniques during testing, as well as post-test spalling quantification/assessment methods. This document is intended to be used in conjunction with the fire resistance test standards, e.g. EN 1363-1 and ISO 834-1.
Im Rahmen dieses Vortrags wurden aktuelle Arbeiten der BAM im Rahmen der Forschungszusammenarbeit mit dem Bundeswehrkrankenhaus Berlin zum primären Explosionstrauma vorgestellt. Den Schwerpunkt des Vortrags bildeten die Auswirkungen der kumulierten Belastung durch "low-level blast" auf das Gehirn von Einsatzkräften und Rückschlüsse für den Arbeitsschutz und die Arbeitsmedizin.
REALight ‐ Leichtgranulate und REA‐Gips aus feinkörnigen sulfatbelasteten Bau‐ und Abbruchabfällen
(2023)
Ziel des Projekts REALight ist die Entwicklung einer Referenzanlage zur Herstellung von Leichtgranulaten (leichte Gesteinskörnungen) aus Bau‐ und Abbruchabfällen und zur Gipsrückgewinnung. Als Rohstoffe werden bisher ungenutzte oder auf niedrigem Niveau eingesetzte Bau‐ und Abbruchabfälle und industrielle Nebenprodukte verwendet. Als Produkte werden leichte Gesteinskörnungen hergestellt. Die Sulfatabtrennung durch eine thermische Zersetzung bildet die Grundlage für die zusätzliche Gewinnung von Rauchgasentschwefelungs‐Gips (REA‐Gips). Das Projekt wird im Rahmen der Fördermaßnahme „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft – Bauen und Mineralische Stoffkreisläufe (ReMin)” gefördert. ReMin ist eine Maßnahme zur Umsetzung des BMBF‐Forschungskonzepts „Ressourceneffiziente Kreislaufwirtschaft” als Teil der BMBF Strategie „Forschung für nachhaltige Entwicklung – FONA”. Ziel der Förderung ist es, den Ausbau der Kreislaufwirtschaft voranzutreiben. Im Mittelpunkt steht dabei die Bauwirtschaft mit ihrer hohen Nachfrage nach Rohstoffen und gleichzeitig großen Mengen an anfallenden mineralischen Abfällen. Am Projekt REALight sind 12 Partner aus verschiedenen Bereichen der Baustoffherstellung und ‐anwendung, Abfallaufbereitung, Verfahrenstechnik sowie Forschung und Entwicklung beteiligt.
The ultrasonic echo technique is widely used in non-destructive testing (NDT) of concrete objects for thickness measurements, geometry determinations and localization of built-in components. To improve ultrasonic imaging of complex concrete structures, we transferred a seismic imaging technique, the Reverse Time Migration (RTM), to NDT in civil engineering. RTM, in contrast to the conventionally used synthetic aperture focusing technique (SAFT) algorithms, considers all wavefield types and thus, can handle complex wave propagations in any direction with no limit on velocity variations and reflector dip. In this paper, we focused on the development, application and evaluation of a two-dimensional elastic RTM algorithm considering horizontally polarized shear (SH) waves only. We applied the elastic SH RTM routine to synthetic ultrasonic echo SH-wave data generated with a concrete model incorporating several steps and circular cavities. As these features can often be found in real-world NDT use cases, their imaging is extremely important. By using elastic SH RTM, we were able to clearly reproduce almost all reflectors inside the concrete model including the vertical step edges and the cross sections of the cavities.We were also capable to show that more features could be mapped compared to SAFT, and that imaging of complex reflectors could be sharpened compared to elastic P-SV (compressional-vertically polarized shear) RTM. Our promising results illustrate that elastic SH RTM has the potential to significantly enhance the reconstruction of challenging concrete structures, representing an important step forward for precise, high-quality ultrasonic NDT in civil engineering.
The through-life management of our constantly ageing infrastructure is a basic requirement in order to ensure their structural safety and serviceability. Each structure experiences deterioration processes with time leading to a decrease of structural safety and serviceability. The design of new structures considers the expected deterioration for a defined period, the design service life. However, a frequent survey of structural safety controlling structural condition should be mandatory and a maintenance plan should be an integral part of the design. In addition, many structures have exceeded their design service life already or are very close to it leading to an increasing demand for condition assessment. On the one hand, assumptions made during design are not valid any more due to change of the loads, e.g., increasing traffic loads in terms of number and weights. On the other hand, design codes evolved over time in such a way that existing structures do not comply with today’s standards. In all these cases, the through-life management is an important tool to maintain the accessibility of existing structures with known reliability.
In line with the new Model Code for Concrete Structures, which includes guidance for both – design of new structures and assessment of existing structures, the Task Group 3.3 focused on the compilation of a state-of-the-art guideline for the through-life management of existing concrete structures, including:
Data acquisition by testing and monitoring techniques;
Condition assessment for the evaluation of existing structures;
Performance prediction using advanced methods;
Decision-making procedures to perform a complete assessment of existing structure.
The overall objective of the through-life management is the assessment of the current condition and the estimation of the remaining service life under consideration of all boundary conditions.
Betonfahrbahndecken zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Dauerhaftigkeit und Wartungsarmut aus, welche im Ergebnis zu einer sehr guten Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit führen. In den vergangenen Jahren wurden große Fortschritte hinsichtlich der Weiterentwicklung von Konstruktion, Baustoff und Fahrbahnoberfläche erzielt. Forschung und Entwicklung befassen sich seit einigen Jahren systematisch auch mit der Optimierung von Fugensystemen für hochbeanspruchte Bundesfernstraßen. Das Forschungsprojekt INFUKON liefert einen generalisierbaren methodischen Ansatz zur ganzheitlichen Analyse des Gebrauchsverhaltens hochbeanspruchter Fugensysteme in Betonfahrbahndecken und eine innovative Versuchseinrichtung die als technische Grundlage zur Verfügung stehen. In diesem Beitrag werden wesentliche Projektergebnisse vorgestellt.
The residual post-fire mechanical properties of fiber-reinforced epoxy composites are influenced by their fire residues after burning. This study uses intumescent/low-melting glass flame retardants to tailor fire residues in epoxy resin. Processibility of prepregs and their quality are analysed for transfer of the flame-retardant epoxy resins to layered glass-fiber reinforced composites. Minimal effects were found on the pre-fire flexural strengths of the composites due to low loading of the flame retardants. However, when transferred to glass-fiber reinforced composites, the fire residues diminish significantly. Further studies are required to improve theoretical and experimental estimations of the post-fire mechanics of the composites.
The residual post-fire mechanical properties of fiber-reinforced epoxy composites are influenced by their fire residues after burning. This study uses intumescent/low-melting glass flame retardants to tailor fire residues in epoxy resin. Processibility of prepregs and their quality are analysed for transfer of the flame-retardant epoxy resins to layered glass-fiber reinforced composites. Minimal effects were found on the pre-fire flexural strengths of the composites due to low loading of the flame retardants. However, when transferred to glass-fiber reinforced composites, the fire residues diminish significantly. Further studies are required to improve theoretical and experimental estimations of the post-fire mechanics of the composites.
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.
The transfer of flame-retardant epoxy resin formulations to composites for structural and lightweight applications in the energy and transport sector can be complex and requires systematic investigation. Here, uncoated and silane-coated ammonium polyphosphate (APP, Si-APP) intumescent compounds are transferred to prepregs using a Bisphenol A diglycidyl ether (DGEBA) resin matrix to 0/90o bidirectional glass fibers with an aerial weight of 600 g/m2. Inorganic silicates (InSi) are added to improve the fire residues of the composites after combustion and the total amount of flame retardants in the resin formulations was 10% by weight. The prepregs' fiber volume content (FVC) is corroborated using in-process measurements and thermogravimetric analysis. This was found to be approximately 60% for the composites containing APP, which is ideal for load-bearing applications with high mechanical strength. However, the Si-APP containing prepregs showed an inconsistent FVC potentially due to interactions with the commercial sizing of the glass fibers. The composites subsequently prepared are analysed for potential filtration effects of the additives via SEM after immobilization in a cured resin and platinum sputtering. The inter-laminar shear strength and the mechanical strength of the composites are compared via three-point bending tests. Additionally, the fire performance of the composites is analysed using cone calorimetry. It was found there was minimal impact of the loading of the flame retardants on the delamination of the composites and the flexural strength. However, the high density of the glass fibers possibly results in a suppression of the mode of action of the flame retardants in the composites. Therefore, the fire residues of the composites are further compared using SEM, and the flame-retardant modes of action upon transfer are investigated.
PGDrome
(2023)
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.
Bei Geräten und Maschinen zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen gemäß 2014/34/EU muss in der europäischen Union eine Zündgefahrenbewertung durchgeführt werden. Dabei müssen unter anderem die Gefahren von nichtelektrischen Zündquellen betrachtet werden, zu denen auch die mechanischen Schlagvorgänge gehören.
Bei mechanischen Schlagvorgängen kommt es infolge des Zusammenstoßes zweier Werkstücke bzw. Bauteile zu einer Umwandlung der kinetischen Energie. Dabei erhöht sich die Temperatur der Werkstoffe an der Kontaktstelle und es kommt unter Umständen zu einem Abtrennvorgang kleiner Partikel erhöhter Temperatur. Sowohl die heißen Kontaktstellen (Zündquelle "heiße Oberflächen") als auch die abgetrennten Partikel (Zündquelle "mechanisch erzeugte Funken") können eine wirksame Zündquelle für ein explosionsfähiges Gasgemisch darstellen.
Zur Festlegung von Grenzwerten wurden in der Norm DIN EN ISO 80079-36:2016 die Gasgemische anhand ihrer Explosionsgruppe klassifiziert und zu jeder Gruppe die maximale Energie des Schlagvorgangs festgelegt, unter derer die Entstehung einer wirksamen Zündquelle als unwahrscheinlich angenommen werden kann.
Im Rahmen des BMBF-geförderten Forschungsprojekts ReMin – REALight werden in einem Projektteam aus Industriepartnern und Forschungseinrichtungen unter Koordination der Bauhaus-Universität Weimar leichte Gesteinskörnungen aus Bau- und Abbruchabfällen und industriellen Nebenprodukten auf thermischem Weg hergestellt. Die Aufgabe der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist es, diese im Drehrohrofen erzeugten Blähgranulate für gebundene Anwendungen in Beton und Mörtel umfassend zu charakterisieren. Gemeinsam mit der Opus Denkmalpflege GmbH wird die Applikation feiner, gebrochener Blähgranulate in leichten Steinergänzungsmörteln für die Restaurierung von Sandsteinobjekten untersucht. Hierzu wird ein zweischichtiges Mörtelsystem bestehend aus einem Füll- und einem Deckmörtel entwickelt. Erste Ergebnisse der Rezepturentwicklung verschiedener kalkhaltiger Leichtmörtel mit gebrochenen Blähgranulaten werden vorgestellt. Die neuen Leichtmörtel sind hinsichtlich der entwickelten Druckfestigkeit gleichwertig gegenüber herkömmlichen Restauriermörteln.
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 cycle, used as fertiliser 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 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 has 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 hydration heat than OPC, and its hydraulic reaction was delayed. However, adding gypsum has 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 has economic and ecological benefits for both the cement and steel industries.
Die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR-Spektroskopie) stellt eine innovative und wirkungsvolle Methode zur Charakterisierung von Bitumen und bitumenhaltigen Bindemitteln dar. So erlaubt die FTIRCharakterisierung nicht nur eine Bewertung des Alterungsfortschritts eines Bindemittels, sondern zudem auch die Identifizierung von im Bitumen enthaltenen Additiven und Schadstoffen wie z. B. polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), die Ableitung verschiedener physikalischer und chemischer Kennwerte sowie weiterhin eine Klassifizierung von Bindemitteln nach verschiedenen übergeordneten Eigenschaften wie der Raffinerie, dem Alterungszustand und auch der Alterungsempfindlichkeit.
Es werden das EU-finanzierte FE-Projekt ODYSSEUS, ausgewählte Ergebnisse zum Thema Home-made-explsosives (HMEs) und precursers, aktuelle Fragestellungen und ein Ausblick vorgestellt.
Leather is a widely used material for thousands of years and in modern days it is produced on industrial scale. This production produces high amounts of organic waste during the tannery process. These fibers can become a resource and act as a multi-functional bio-filler in flame retardant composites.
This project investigates two leather fibers towards their ability to enhance the flame-retardancy in different composites. These composites use ammonium polyphosphate (APP) or aluminum trihydroxide (ATH) as flame retardants. Different silicon based synergists support polymers with ATH to reduce the load of flame retardant. The different modes of action (charring, gas phase activity, barrier effect) can be quantified of each composite.
The new composites form a stable char layer resulting in an increase in residue, lower peak heat release rates (pHRR) and higher limiting oxygen index (LOI). In addition, the ratings in the UL94-classification increased up to V-0.
Das gesellschaftliche Ziel der Defossilisierung der Energieversorgung erfordert eine disruptive Veränderung der Wärmebereitstellung. In Berlin und in den größten Brandenburger Städten Potsdam und Cottbus werden noch über 80 % der Nutzwärme über fossile Energieträger bereitgestellt. Die notwendigen Veränderungen erfordern Lösungen, die den tiefen Untergrund der Region nutzen. Allein die Nutzung der tiefen Geothermie kann mindestens 25% des Wärmebedarfs in Deutschland decken. Die Infrastruktur zur Verteilung dieser erneuerbaren Wärme ist bereichsweise vorhanden. Sie muss allerdings lokal und in ländlichen Gebieten weiter ausgebaut werden.
Für die Sektoren Strom und Verkehr steht zwar Energie insbesondere aus Sonne und Wind bereit, aber wegen des zeitlich variablen Angebots besteht ein erheblicher Bedarf an großtechnischen Speichern für Strom und Wärme oder auch für Energieträger (z. B. Wasserstoff). Die saisonale oder temporale Überproduktion an Strom und Wärme aus erneuerbaren Energien zwingt dazu, eine urbane Speicherinfrastruktur aufzubauen, um eine grundlastfähige und bedarfsgerechte Lieferung zu realisieren. Hinzu kommt die Aufgabe das Treibhausgas Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu reduzieren und unterirdisch dauerhaft zu lagern. Auch hier werden Speichertechnologien und ‐räume benötigt.
Die nachhaltige energetische Nutzung des unterirdischen Raumes ist geeignet, entscheidende Beiträge zu einer zukünftigen Energiewirtschaft ohne fossile Brennstoffe zu leisten. Diese große interdisziplinäre Aufgabe erfordert die Zusammenarbeit vieler Fach‐, und Forschungseinrichtungen, die im Raum Berlin‐
Brandenburg vorhanden sind und in einer regionalen Forschungsallianz gebündelt werden sollen. Für die Region Berlin‐Brandenburg ergibt sich daraus die Chance, eine Schlüsselrolle in der Grundlagen‐ und angewandter Forschung zur Transformation des Energiesystems zu übernehmen und weltweit als Vorbild zu dienen.
Im vorliegenden Papier werden die Formen einer nachhaltigen Geoenergienutzung, das geologische Potenzial der Region Berlin Brandenburg und dessen bisherige geoenergetische Nutzung dargestellt. Aus diesem Wissen wird der Ist‐Zustand hinsichtlich des energiewirtschaftlichen Potenzials und der sich daraus ergebenden Nutzungsoptionen abgeleitet, um darauf aufbauend Maßnahmen darzustellen, mit denen spürbare Beiträge zur Dekarbonisierung erreicht werden können. Daraus ergeben sich Handlungsempfehlungen für die Region, verbunden mit einem möglichen Beitrag der GEB² zum Risikomanagement, Investitionen in Schlüsseltechnologien, der Aus‐ und Weiterbildung, sowie der Akzeptanzerhöhung für geoenergetische Projekte.
A safety or security related assessment of explosions, accidental and intentional scenarios alike, often necessitate performance of replication-tests. Such test results are necessary to clarify the causes within the scope of forensic investigations. To gain important insights into the behavior of structures and materials under such loading, field tests may also be performed in accordance with different test standards. To determine the resistance of building-structures after explosions, estimation of the residual load-bearing capacity in addition to the assessment of dynamic structural response and damage to the building components is important. In most cases an evaluation of structural integrity is based only on the visual damage, resulting in an overestimation of the residual capacity.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) operates the Test site for Technical Safety (TTS) on an area measuring about 12 km2 in the Federal State of Brandenburg for execution of true-to-scale explosion tests. At the TTS, building component testing was performed to assess the suitability of different non-destructive testing methods to characterize the dynamic structural response and damage resulting from the detonation of high explosives.
Different blast-loading scenarios were realized by varying the net explosive mass and the standoff distance with all scenarios representing a near-field detonation. The test object was a reinforced concrete wall 2 m high, 2.5 m wide and 20 cm thick, fixed at both vertical edges. The dynamic loading of the wall was characterized with 8 piezoelectric pressure sensors flush-mounted on the front surface, thus measuring the reflected pressures from the shock wave. The tests were conducted with the aim of characterizing the global behavior of the wall under dynamic shock loading and the resulting local damage pattern, respectively. High speed digital image correlation was implemented in combination with multiple acceleration sensors to observe the rear surface of the wall to chart the dynamic deflection during the loading and to determine the residual deformation after the loading had ceased. In addition, one test specimen was instrumented with fiber optic sensor cables, both fixed to the rebars and embedded in the concrete-matrix, respectively. Firstly, these sensors were interrogated during the blast test by a distributed acoustic sensing (DAS) device using a particularly high sampling rate to measure the shock-induced vibrations in the structure with high temporal resolution. This delivers information on dynamics of compression and tension cycles from within the structure. Secondly, the local damage-pattern emerging during the series of blasts was determined via distributed fiber optic strain sensing (DSS) by interrogating the embedded fiber optic sensors with a high spatial resolution DSS device after each blast. This enabled the characterization of non-visual damage to the structure, in particular with regard to the formation of localized cracks in the concrete matrix. The DSS was further complimented by a structure-scanner based on ultrasonic measurements.
Our contribution describes this new test approach in detail. Results of the three datasets, namely dynamic shock loading, global behavior of the test object and the local damage pattern will be presented. The suitability of the implemented measurement methods will be discussed in combination with the challenges in their application for technical safety evaluation of building components under explosive loading.
Safety characteristics like the lower explosion limit, the highest concentration for a given substance mixed with air that does not result in a self-propagating flame, or the maximum explosion pressure, the highest pressure that can be reached after ignition for a given combustible substance mixed with air at any concentration, are widely used in the industry to either prevent an explosion or to mitigate the effects of it. Safety characteristics are not physical constants, are determined experimentally and depend on the chosen experimental parameters such as the ignition energy or turbulence.
For the determination of the safety characteristics lower explosion limit (LEL), limiting oxygen concentration (LOC), maximum explosion pressure (pmax) and maximum rate of pressure rise ((dp/dt)max) of gases and vapors the gas is filled via partial pressures into a test vessel and then ignited under quiescent conditions with a weak (2 J - 20 J) ignition source. For dusts, the same safety characteristics are determined under turbulent conditions to elevate
the dust homogeneously and it is ignited with two chemical igniters with an ignition energy of 1000 J each (LEL and LOC) or 5000 J each (pmax and (dp/dt)max). For the determination of safety characteristics of hybrid mixtures (a mixture containing a combustible dust and a flammable gas) there is no existing standard.
In the last 40 years most of the research on their safety characteristics was performed with dust testing equipment that was modified for the addition of flammable gas. Because of the different mixing procedures of gases and dusts with air and because of different ignition energies and sources that are normally used for the standard tests of gases or dusts, the results were hardly reproducible. Statements about the different safety characteristics were contradictory and left the reader or the person responsible for designing safety measures for a process plant or a facility behind with no clear suggestion about the behavior of hybrid
mixtures.
This thesis is aimed on determining the influence of the different ignition sources and energies on the safety characteristics pmax, (dp/dt)max, lower explosion limit, and limiting oxygen concentration of hybrid mixtures.
Several test series were conducted to characterize different standardized ignition sources, that are already in use for the determination of safety characteristics of single-phase substances (gases, liquids, dusts). The burning duration, the igniting volume and the net energy were investigated.
It was shown, that the chemical igniters and the exploding wire are suitable ignition sources for the determination of safety characteristics of hybrid mixtures in general. Their burning duration was long enough to ignite dusts and quick enough, that the decay of the turbulence or sedimentation of the dusts did not occur. Both ignition sources produced comparable results for the determination of pmax, LEL and (dp/dt)max of dusts when they had the same ignition energy. A reduced ignition energy of the exploding wire and the chemical igniters did not affect the pmax and (dp/dt)max. The LEL changed with lower energies. However, for the determination of the LOC of hybrid mixtures the exploding wires with an overall energy of 2 kJ produced the best results.
The influence of the different mixing procedures that have already been used for hybrid mixtures and the requirements for them were also investigated experimentally for the gas concentration and the determined safety characteristics and compared to each other. It was shown, that the partial pressure method works for mixing hybrid mixtures but the pressures should be measured very accurately and the gas concentration should be validated.
Furthermore, the influence of the turbulence that is inevitable when testing dusts, on the safety characteristics of gases was determined. It was found that the chemical igniters and exploding wires produced comparable results for the determination of pmax, LEL and (dp/dt)max under turbulence. For the LOC only exploding wires with two times 1 kJ worked.
Finally, the safety characteristics of hybrid mixtures were determined with different ignition energies and sources and the data were compared. It was discovered, that the pmax of hybrid mixtures was the same value than the higher determined one of the single substances while (dp/dt)max of hybrid mixtures was about 10 % to 25 % higher than the value of the stoichiometric gas mixture under turbulence. The point was found at the stoichiometric gas concentration with very little amounts of dust.
To prove the key findings of this work and for the establishment of a standardized procedure for the determination of safety characteristics of hybrid mixtures, an international round robin test was conducted with eleven participating facilities in seven countries. The results were comparable within a reasonable range and are presented in this dissertation in an extra chapter.
Based upon the observations in this work a reliable solution for a new standardizable ignition source to determine the safety characteristics of hybrid dust-gas-mixtures is proposed.
Short overview is given of BAM's research within the topic "Flame Retardancy of Polymeric Materials". Fire science is identified as a crucial compentenc of BAM following our mission "Safety in Technology and Chemistry". In the area of polymers we work interdisciplinary, in the dimensions from nm to 2m, and we love to combine experiment and simulation. Multimethodical examples are given to describe the burning phenomena and flame-retardant modes of action. Further some examples are presented for tailored bench-scale fire testing and assessing concepts. Our goal is to provide the fundaments for a evidenced-based development of future materials.
Im Vortrag wird der Stand der Weiterentwicklung der ISO 16103 dargestellt, in der Regelungen zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Recycling-Kunststoffen und daraus hergestellter Gefahrgutverpackungen enthalten sind. Darüber hinaus wird auf die Verbindungen zu den UN Model Regulations und zum ADR eingegangen und welche Konsequenzen sich daraus für die Zulassung und die Anerkennung des Qualitätssicherungsprogramms ergeben.
We evaluate masked block-structured grids for ocean domains which allow to represent small-scale geometric features without resorting to very small blocks or excessive mesh resolution. The considered approach aims to combine the geometric flexibility of unstructured meshes with the computational efficiency of stencil-based discretizations and is implemented and tested in a quadrature-free discontinuous Galerkin shallow water solver. We investigate the accuracy and the computational performance of the scheme on a range of realistic ocean domains meshed with blocks of different size and provide some comparisons to results obtained on unmasked block-structured grids and unstructured meshes.
Safety characteristics are widely used in industrial processes to avoid explosive atmospheres (primary explosionprotection) or to mitigate the consequences of an explosion (constructive explosion protection). Several laboratory parameters influence the determined values when performing the test series such as the beginning pressure and the pre-ignition pressure rise, the ignition source, the ignition energy, the burning duration and volume or the concentration of the combustible substance.
In the different standards for the determination of safety characteristics of dusts there is no statement about the scattering or the deviation when parameters are chosen or occur on the borders of their allowed range. Thus, two laboratories might determine values that are hardly comparable for the same given substance.
This article summarizes some of the influential factors that cause a deviation and shows the inherent scattering of dust tests when all other parameters are kept constant. It also provides some advice how to minimize the deviation and the scattering with little effort.
Asphalt is one of the most common materials used in road construction. It is subject to both chemical and structural aging processes during use. At least to our knowledge, it is not currently known whether these aging processes also lead to a measurable change in the thermal properties of asphalt. If so, these changes could be exploited for non-destructive testing of the aging condition in situ. Photothermal analysis of a component surface involves looking at the time course of the surface temperature during and after pulse-like heating with an expanded laser beam. In the case of concrete surfaces, this method works well under laboratory conditions. It allowed the determination of the thermal effusivity. Now it should be investigated whether the photothermal signal allows conclusions to be made regarding the aging state of the asphalt. Within the scope of this paper, 2 asphalt specimens were investigated: a closed asphalt with 3% void content (SMA 11S) and an open-pore asphalt with 25% void content (PA 8). Both samples were artificially degraded according to a standardized procedure, leaving a portion of the surface unaffected. Subsections from both areas were then separated for photothermal testing. It was found, that the photothermal method is apparently not sensitive enough to detect aging on asphalt in general. However, it is noteworthy that both asphalt types heat up significantly faster than would be expected from the theory of heat conduction, which might be explained by the specific microstructure.
EU project ODYSSEUS
(2023)
Impact resistance of reinforced concrete (RC) structures can be significantly improved by strengthening RC members with thin composite layers featuring high damage tolerance. Indeed, to limit the well-known vulnerability of cement-based materials against impact loading, the synergistic effects of short fibres and continuous textile meshes as hybrid reinforcement has been proved to be highly beneficial. This paper addresses the characterisation of novel cement-based hybrid composites through accelerated drop-weight impact tests conducted on rectangular plates at different impact energies. Two distinct matrices are assessed, with particular interest in a newly developed limestone calcined clay cement (LC3)-based formulation. Important parameters quantifying energy dissipation capability, load bearing capacity and damage are cross-checked to compute the ballistic limit and estimate the safety-relevant characteristics of the different composites at hand. Although textiles alone can improve the damage tolerance of fine concrete to some extent, the crack-bridging attitude of short, well-dispersed fibres in hybrid composites imparts a certain ductility to the cement-based matrices, allowing a greater portion of the textile to be activated and significantly reducing the amount of matrix spalling under impact.
Gas source localization (GSL) helps mitigate the impact of industrial accidents and natural disasters. While GSL may be dangerous and time-consuming when performed by humans, swarms of agile and inexpensive nano aerial robots may increase the safety and efficiency of gas source localizations. Since the small payloads of nano aerial robots limit the sensing and computing resources, strategies adapted from biological swarms, such as colonies of social insects, are used to coordinate robot swarms. Most swarm GSL strategies are based on the assumption that the maxima of gas concentrations are sufficiently close to the gas sources. However, prior studies have indicated that the occurrence of “bouts”, a metric for the intermittency of gas distributions, may advantageously be used as a more accurate gas source proximity indicator. This paper presents a swarm GSL strategy employing bouts as source proximity indicators and a bio-inspired pheromone system for communication. Nano aerial robots, deployed in this study, act as agents and emit pheromone markers in an artificial environment upon detecting bouts. Leveraging the concept of artificial potential fields, the agents switch between exploiting the knowledge of the swarm by following pheromone gradients and exploring the search space by targeting a random point. The agents are repelled by each other and by walls to avoid collisions. The swarm GSL strategy is implemented into three nano aerial robots and validated in a real-world experiment in an indoor environment with a single gas source. The results indicate that the the swarm GSL strategy presented in this paper is capable of GSL in indoor environments and that the intermittency of gas distributions is a better source proximity indicator than the mean concentration.
Technische Regeln im Arbeitsschutz – wie TRBS für die Betriebssicherheitsverordnung und TRGS für die Gefahrstoffverordnung – sind nicht zwingendes Recht, sondern konkretisierende Empfehlungen mit Vermutungswirkung. In Gerichtsurteilen werden sie eher selten herangezogen. Wie diese – und Branchenregelungen von Verbänden – von der Rechtsprechung diskutiert werden, zeigt ein Urteil des Verwaltungsgerichts Münster.