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Analyse des thermisch induzierten Feuchtetransports in gefügedichten Betonen
(2021) Stelzner, Ludwig; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
Beton, insbesondere hochfester Beton, neigt im Brandfall zu explosionsartigen Abplatzungen, die zu einer Reduzierung des tragfähigen Querschnitts und im schlimmsten Fall zu einem Bauteilversagen führen können. Als Ursache für explosionsartige Betonabplatzungen werden gegenwärtig thermohydraulische sowie thermomechanische Schädigungsprozesse angesehen. Zur Analyse der thermohydraulischen Schädigungsprozesse ist die Kenntnis der ablaufenden Transport-, Umlagerungs- und Freisetzungsprozesse des im Beton vorhandenen Wassers von zentraler Bedeutung. Daher liegt der Fokus der vorliegenden Dissertation auf der zerstörungsfreien Analyse des thermisch induzierten Feuchtetransports sowie der Feuchteumlagerung in Hochleistungsbeton (HPC). Insbesondere zielt die Arbeit auf den zerstörungsfreien Nachweis der Ausbildung einer Feuchteakkumulationszone im Betoninneren infolge der einseitigen thermischen Beanspruchung, entsprechend der „moisture clog“-Theorie, ab. Die experimentellen Arbeiten umfassen dabei Brandversuche an kleinformatigen Bauteilen, die zerstörungsfreie Verfolgung der Feuchteverteilung in miniaturisierten Prüfkörpern und die ergänzenden Baustoffuntersuchungen. Der Schwerpunkt liegt auf der Verfolgung der Feuchteverteilung und Feuchteumlagerung im miniaturisierten Prüfkörper mittels unterschiedlicher zerstörungsfreier Prüftechnik. Im Rahmen der Brandversuche an kleinformatigen Bauteilen wurde sowohl die Abplatzneigung der verwendeten Betonrezeptur als auch die Wirksamkeit einer Polypropylenfaserzugabe zur Vermeidung derartiger Abplatzungen nachgewiesen. Neben der visuellen Begutachtung der Prüfkörperoberflächen vor und nach der Brandbeanspruchung erfolgte ein Zustands- und Schadensmonitoring während der Brandversuche mit verschiedenartigen, zerstörungsfreien Prüftechniken sowie die Analyse der äußeren und inneren Gefügeveränderungen nach dem Brand. Feuchtetransport- und Feuchteumlagerungsprozesse konnten während der Brandversuche nur anhand des über Risse aus den Prüfkörpern austretenden Porenwassers vermutet werden. Aufschluss über den Feuchtezustand im Prüfkörper nach dem Brandversuch lieferten die begleitend durchgeführten Radarmessungen. Mithilfe dieser konnte ein zusätzlicher Reflektor im Prüfkörper horizontal zur brandbeanspruchten Oberfläche erfasst werden, der auf einen Permittivitätssprung infolge der Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationsfront im Prüfkörper zurückgeführt wird. Zur Verifizierung der Ergebnisse der Radarmessungen wurde zusätzlich an einem aus den Brandprüfkörpern gewonnenen Segment die Permittivitätsverteilung über die Prüfkörpertiefe mittels eines Feuchtigkeitsmessgeräts bestimmt. Die Messungen bestätigten den vermuteten Permittivitätssprung, der mit der Ausbildung einer Trocknung- und Dehydratationsfront einhergeht. Im Rahmen der Analyse des thermisch induzierten Feuchtetransports an miniaturisierten Prüfkörpern mittels verschiedenartiger zerstörungsfreier Prüftechnik wurden die Feuchtetransportvorgänge und Feuchteumlagerungsprozesse mittels Röntgen-Computer Tomographie und Neutronen-Computer Tomographie simultan zur einseitigen Erwärmung sowie mittels 1H-Nuclear Magnetic Resonance (1H-NMR) vor und nach der Erwärmung verfolgt. Grundlage für die durchgeführten Untersuchungen bildet der entwickelte miniaturisierte Prüfkörper mit zweischaliger Umhüllung. Die Kombination aus Glaskeramik- bzw. Invarumhüllung und einer Dämmschale aus Hochtemperaturaluminiumsilikatwolle ermöglicht die Abbildung eines einseitig erwärmten, flächigen Bauteils in miniaturisierter Form unter Einhaltung der thermischen, hygrischen und mechanischen Randbedingungen. Aus den Ergebnissen der simultan zur Erwärmung durchgeführten tomografischen Untersuchungen können folgende Rückschlüsse auf die Feuchteverteilung und den thermisch induzierten Feuchtetransport gezogen werden: - Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationszone ausgehend von der erwärmten Betonseite - Die erfasste Trocknungs- und Dehydratationsfront ist durch einen starken Feuchtegradient im Beton gekennzeichnet. - Eine Feuchteakkumulation tritt unmittelbar vor der Trocknungs- und Dehydratationsfront auf und geht mit einer teilweisen Vollsättigung der sichtbaren Makroporen des Betons einher. - Eine Polypropylenfaserzugabe führt zu einer schnelleren und tieferen Entwicklung der Trocknungs- und Dehydratationszone. - Die Faserzugabe verringert die Feuchteakkumulation während der Erwärmung, kann sie jedoch nicht verhindern. Auf Basis der tomografischen Untersuchungen konnten die örtlich und zeitlich aufgelösten Feuchtedifferenzen erstmals quantitativ abgeschätzt werden. Die begleitend zur Erwärmung durchgeführten 1H-NMR Messungen erlauben die vergleichende Betrachtung der Feuchteverteilung im miniaturisierten Prüfkörper vor und nach der Erwärmung im abgekühlten Zustand. Neben der tiefenaufgelösten Ermittlung des erfassbaren Feuchtegehalts wurde zusätzlich die Feuchteverteilung anhand der transversalen Relaxationszeit (T2-Zeit) porengrößenabhängig analysiert. Dabei wurde erstmals gezeigt, dass es neben der Ausbildung einer Trocknungs- und Dehydratationszone zu einer Feuchteakkumulation und einer Feuchteumlagerung von den Mikroporen zu den Mesoporen in tieferen Prüfkörperbereichen kommt. Diese Umlagerungsprozesse umfassen den Gelporen- und Interhydratporenbereich. Es wird vermutet, dass diese Umlagerungsprozesse im Zusammenhang mit der thermisch bedingten Änderung der Mikrostruktur stehen. Sowohl der erfassbare Gesamtfeuchtegehalt als auch die T2-Zeit abhängigen Feuchtegehalte wurden mittels Referenzproben quantifiziert. Im Rahmen der ergänzenden Baustoffuntersuchungen wurde die temperaturabhängige Feuchtetransport- und Feuchtespeicherkapazität sowie das temperaturabhängige Dehydratationsverhalten des verwendeten Betons charakterisiert. Die Permeabilitätsmessungen an verschiedenartig temperierten Betonzylindern verdeutlichen die Zunahme der Gaspermeabilität mit zunehmender Konditionierungstemperatur. Signifikant zeichnet sich dabei die sprunghafte Erhöhung der Permeabilität der Faserbetone beim Erreichen der Faserschmelztemperatur ab. Dies erklärt die zerstörungsfrei ermittelte, beschleunigte Feuchteabgabe der Faserbetone während der einseitigen Erwärmung. Neben der Permeabilität nimmt mit zunehmender Temperaturbeanspruchung ebenfalls die Gesamtporosität der Betone zu. Die Änderung der Porosität geht dabei mit einer Abnahme der Gelporen im Größenbereich von Ø 4-10 nm und einer Zunahme und Vergröberung der Poren im Kapillarporenbereich (Ø 10-400 nm) einher. Diese Porenstrukturänderungen sind auf die einsetzende Dehydratisierung und Zersetzung der Zementsteinphasen zurückzuführen. Zur Charakterisierung des Trocknungs-, Dehydratations- und Zersetzungsverhaltens des untersuchten Betons wurden thermogravimetrische Untersuchungen an zermahlenen Betonproben durchgeführt. Dabei zeichneten sich drei Temperaturbereiche mit erhöhtem Masseverlust ab. Diese können der Abgabe des physikalisch gebundenen Wassers und der ersten Dehydratation der C-S-H Phasen, der Zersetzung des Portlandits sowie der Entsäuerung des vorhandenen Calciumcarbonats zugeordnet werden. Die Interaktion zwischen dem temperaturabhängigen Trocknungs- und Dehydratationsverhalten und der Permeabilität des Betongefüges spielt für die Feuchtefreisetzung und die Feuchteabgabe eine zentrale Rolle. Aus diesem Grund wurden zusätzlich Erwärmungsversuche an Betonzylindern durchgeführt und der Masseverlust der Prüfkörper kontinuierlich gemessen. Die Faserbetone wiesen dabei ab dem Erreichen der Faserschmelztemperatur einen verstärkten Masseverlust auf. Dieser wird auf die verstärke Feuchteabgabe infolge der Permeabilitätserhöhung zurückgeführt. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass für die Analyse des thermohydraulischen Schädigungsmechanismus sowohl der Feuchtetransport, die Feuchteumlagerung als auch die temperaturabhängige Feuchtefreisetzung eine entscheidende Rolle spielen.
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Einfluss des Tragverhaltens von Dübelbefestigungen auf die Bauwerk-Komponenten-Wechselwirkungen bei Erdbebenbeanspruchung
(2019) Dwenger, Fabian; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
Befestigungen mit nachträglich montierten Dübeln haben sich im Hochbau in den letzten Jahrzehnten als flexibel einsetzbare Verbindungsmethode zwischen Komponenten und Stahlbetontragwerken bewährt. Auch im kerntechnischen Bereich wurden nachträglich montierte Dübel zur Befestigung z. B. von Rohrleitungen an Stahlbetonstrukturen eingesetzt. Aufgrund der hohen sicherheitstechnischen Bedeutung von Integrität und Funktionsfähigkeit kerntechnischer Komponenten werden an deren lastabtragende Befestigungen ebenfalls hohe Anforderungen gestellt. Dies gilt insbesondere für außergewöhnliche Einwirkungen z. B. im Falle eines Erdbebens. Durch die Erdbebenerregung des Reaktorgebäudes und der daran befestigten Komponenten sind auch die Befestigungen schwingenden Belastungen ausgesetzt. Kommt es infolge der Erdbebeneinwirkung auf das Tragwerk zu Rissbildung im Beton, können Risse im Verankerungsgrund auch zu einer signifikanten Anzahl von Rissöffnungszyklen führen, die das Last-Verschiebungsverhalten der Dübel beeinflussen. Die detaillierte Untersuchung des Tragverhaltens von Dübelbefestigungen bei schwingender Belastung und bei Öffnen und Schließen von Rissen war in den letzten Jahren Gegenstand zahlreicher Forschungsvorhaben auch in Deutschland, nachdem in deutschen Kernkraftwerken fehlerhaft montierte Dübel festgestellt wurden und dadurch Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Auswirkungen auf Komponenten entstanden. Die in dieser Dissertation vorgestellten Untersuchungen leisten insbesondere zur numerischen Untersuchung des Tragverhaltens des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung einen Beitrag. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand realitätsnah gewählter numerischer Modelle den Einfluss des lokalen Befestigungstragverhaltens auf das strukturdynamische und –mechanische Verhalten des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden zunächst nach Darlegung der Problemstellung (Kapitel 1), Vorgehensweise und Zielsetzung (Kapitel 2) die notwendigen Grundlagen der relevanten Themengebiete im Stand von Wissenschaft und Technik (Kapitel 3) erarbeitet. Für die Entwicklung eines numerischen Modells des Tragverhaltens einer Befestigung werden zunächst vereinfachte (Rechen-)Modelle und Modellansätze, die in der Literatur zu finden sind, erläutert (Kapitel 4). Anhand dieser analytischen Rechenmodelle wird eine erste Abschätzung der zu erwartenden Dübelverschiebungen infolge Erdbebeneinwirkung durchgeführt. Anschließend wird entsprechend der Regeln des Kerntechnischen Ausschusses (KTA) eine Erdbebensimulation jeweils für ein Reaktorgebäude und für eine Rohrleitungskomponente durchgeführt (Kapitel 5). Um eine numerische Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu ermöglichen, wird ein numerisches Modell für eine Befestigung mit nachträglich montierten Dübeln auf Basis der zuvor dargestellten vereinfachten Rechenmodelle entwickelt (Kapitel 6). Darüber hinaus werden zulässige Modellvereinfachungen vorgenommen, um den Modellierungs- und Simulationsaufwand bei den Erdbebensimulationen zu reduzieren. Das numerische Modell für die Befestigung wird anschließend bei der numerischen Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung verwendet (Kapitel 7). Abschließend werden die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit diskutiert (Kapitel 8) und zusammengefasst (Kapitel 9) und ein Ausblick auf weitere Untersuchungen gegeben, die an diese Arbeit anknüpfen können (Kapitel 10).
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Entwicklung von intervallarithmetischen Methoden zur Berücksichtigung von Unsicherheiten in der Ökobilanzierung
(2022) Hein, Helen Luisa; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
Die Ökobilanzierung gilt als wissenschaftlich anerkanntes Verfahren, mit dem potentielle Umweltwirkungen von technischen Systemen abgeschätzt werden können. Hierfür wird eine Vielzahl von Informationen aus unterschiedlichen Bereichen der Ingenieur- und Naturwissenschaften benötigt. Zur Erfassung der technischen Systeme sind sehr sensible Herstellerdaten sowie tiefgreifende Informationen zu vor- und nachgelagerten Prozessen notwendig. Diese sind oftmals nicht umfassend verfügbar. Die Abbildung der Umweltwirkungen basiert auf mitunter sehr komplexen Modellen, deren Ergebnisse von signifikanten Unsicherheiten geprägt sein können. Dies hat zur Folge, dass die Sicherheit der Ergebnisse von Ökobilanzen häufig in Frage gestellt wird. Es fehlt ein ingenieur- und praxistaugliches Verfahren, mit dem Unsicherheiten umfassend und transparent berücksichtigt werden können. Problematisch hierbei sind die Heterogenität der Unsicherheit sowie der relative Ansatz, der mit der Methodik der Ökobilanzierung einhergeht. So eignen sich je nach Art der Unsicherheit unterschiedliche Methoden zu deren Analyse. Die Zusammenführung diverser Verfahren ist mitunter zwar möglich, erschwert aber die Interpretation der Ergebnisse. Durch den relativen Ansatz fehlt darüber hinaus die sichere Seite: eine Veränderung eines Kennwerts verändert nicht nur diesen, sondern auch den relativen Bezug und die Beurteilung aller anderen Kennwerte, die mit diesem im Verhältnis stehen. Unsichere Daten können daher nicht mit Sicherheitsfaktoren wie bei statischen Bemessungen auf der sicheren Seite liegend belegt werden, da sonst alle Systeme, welche diese Kennwerte verwenden, zu optimistisch oder zu pessimistisch eingeschätzt werden können. Vor diesem Hintergrund sollte in dieser Arbeit die Methodik der Ökobilanzierung um einen intervallbasierten Ansatz erweitert werden. Mit diesem sollen Unsicherheiten in Form von Intervallen erfasst werden, wobei die Unter- und Obergrenzen die Grenzen zum Unmöglichen oder Irrelevanten darstellen. Dies verhindert Über- oder Unterschätzungen, indem bei unsicheren Daten die gesamte Bandbreite des Möglichen und Relevanten einbezogen wird. Aus den resultierenden Ergebnissen können robuste Aussagen über potentielle Umweltwirkungen abgeleitet werden. Die Lösung intervallarithmetischer Probleme weist eine hohe Komplexität auf. Im Zuge der Berechnung können Intervalle durch mehrfaches Einsetzen zu sehr aufgeweitet werden, was die Aussagekraft der Resultate reduziert. Der Fokus lag daher auf der Entwicklung und Implementierung eines intervallbasierten Berechnungsverfahrens, welches unter Berücksichtigung des Rechenzeitaufwands möglichst enge Ergebnisintervalle ermittelt. Hierfür wurden diverse Gleichungslöser implementiert und mit Testreihen auf Basis fiktiver Produktsysteme untersucht. Es ließ sich kein einzelner Gleichungslöser identifizieren, der hinsichtlich der Intervallweiten und der Rechenzeit für alle Arten und Dimensionen von Produktmatrizen besonders geeignet ist. Stattdessen stellt die Kombination mehrerer Gleichungslöser eine gute Alternative dar. Es wurde ein allgemeingültiges Verfahren abgeleitet, das unter Berücksichtigung der vorliegenden Dimension und Art der Produktmatrix geeignete Gleichungslöser aufruft. Hierfür wurde auch ein Algorithmus entworfen, mit dem der Rechenaufwand durch Splitten großer Matrizen in kleinere Submatrizen reduziert werden kann. Das entwickelte Verfahren zur intervallbasierten Ökobilanzierung kann den Grundstein für eine neue Generation von Ökobilanzen darstellen, mit denen belastbare und abgesicherte Ergebnisse ermittelt werden können.
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Instrumented monitoring of moisture and salt by electrical impedance measurements
(2018) Lehmann, Frank; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
The determination of the moisture content in building materials is a contro versially discussed subject. The only scientiﬁcally accepted reference is the gravimetric method, i.e. the moisture assessment of a sample of building material by drying. Yet, even here, disagreements arise from the question of the “correct” drying temperature, which results from the multiple deﬁnitions in use for the dry material state. The signiﬁcance of moisture for a virtually inconceivable number of matters in civil engineering reﬂects in the nonetheless numerous approaches for its measurement. Some of them are successfully established in practice, despite of the debates on their accuracy and reproducibility. The reason lies in the urgent need for suitable moisture measurement methods. Their use is not totally condemnable, but requires a profound understanding of the underlying physical concepts and the knowledge of each method’s application, possibilities and limitations. The measurement of a material’s electrical impedance for the determination of its moisture content are often viewed especially critical. This objection is justiﬁed primarily by the strong inﬂuence of salts and other conductive inclusions, such as clay or metals. However, the method has some unique features, which, if applied right, can give valuable insight into processes within the considered material or investigated structure. In contrast to many other methods, it is possible to realize an instrumented monitoring of an object outside of laboratory conditions. The measurement location remains ﬁxed wherever chosen and therefore allows the comprehension of gradual processes, such as drying or accumulation of salts, while oﬀering the possibility to continuously take the ever-changing ambient conditions into account. The focus of this research work lies on putting impedance spectroscopy into practical application. The method itself has long been studied, but only the latest developments of fully integrated impedance converters have made it possible to incorporate impedance functionality into structural health monitoring systems. Their scope regarding accuracy or frequency range is certainly reduced compared to laboratory devices. However, this evolution provides the opportunity for a permanent instrumentation of structures outside of laboratory conditions to assess moisture developments therein. Special attention was set in the research to the development and optimization of suitable impedance electrodes, which show both suﬃcient durability for instrumented monitoring and minimize the inﬂuence of the electric double layer. It was found that nickel-graphite silicon electrodes are well suited. To be capable of understanding impedance data, which is inﬂuenced under natural conditions by many factors that do not or only in other ways occur in a protected laboratory environment, it is necessary to study these eﬀects on the impedance. The two main sources of material moisture are the humidity from the air and capillary water. The present thesis regards impedance measurements for qualitative moisture monitoring of porous building materials, particularly sandstone. Long-term measurements were carried out to research the gradually adapting material moisture of diﬀerent sandstones caused by a change in the ambient relative humidity between 54 and 100 %. The considered sandstone varieties were selected from southern Germany. In detail Abbacher green sandstone, Burgpreppacher sandstone, Main sandstone white-grey, Sander reed sandstone and Trebgaster new red sandstone. Further measurements were performed to study the detectability of water fronts during the capillary rise of water and the subsequent drying process, as well as the inﬂuence of temperature changes. To begin with, the scientiﬁc motivation for the present work is presented in chapter 1. Chapter 2 introduces the basic concepts of porosity, water storage and transport therein, and the eﬀects of soluble salts in this water. Chapter 3 gives an overview of electrical impedance monitoring with special respect to measurements on porous materials. Possibilities for the temperature compensation of impedance data are presented. The developed device for impedance monitoring is described in chapter 4. Its conception in the global context of other moisture measurement options and with regard to the speciﬁc ﬁeld of monitoring of protected historic structures is examined. The optimization of the impedance electrodes and the choice of a suitable measurement frequency are discussed. Chapter 5 presents the impedance monitoring of sandstone in the hygroscopic and over-hygroscopic moisture range. A look at the time-dependent data collected for diﬀerent sandstone types during a long-term experiment with stepwise variation of the ambient relative humidity is followed by an analysis of the impedance regarding material moisture and its distribution within the porous network. The measurement of capillary rise of water and a reﬂection on possible electrode conﬁgurations along with their consequences for the detection of capillary water fronts are regarded thereafter. The chapter closes with a description of the procedure for temperature compensation of impedance data. An example of applied impedance monitoring is presented in the concluding chapter 6, which regards both the hygroscopic and over-hygroscopic moisture range. Two more application examples follow, which show a perspective for other applications. The ﬁrst pictures the monitoring of hydrating screed, the second illustrates the use of impedance monitoring for the assessment of self-healing concrete.
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Das Oxidationsverhalten und die elektrochemische Charakterisierung von Stählen in Nitratschmelzen bei hohen Temperaturen
(2019) Rückle, Dagmar; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
Thermische Energiespeicher werden häufig in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt und basieren auf der Verwendung von Salzschmelzen als Speichermedium. Zur Steigerung der Energieeffizienz sind kontinuierliche Weiterentwicklungen der Technik sowie das Einführen neuer Prozessparameter, wie z.B. höhere Prozesstemperaturen, notwendig. Diese Änderungen wirken sich jedoch häufig auch auf die Anforderungen an die einzusetzenden Werkstoffe aus. Ziel dieser Arbeit war es, die veränderten Anforderungen an die Werkstoffe hinsichtlich des Korrosionsverhaltens zu untersuchen, um die Lebensdauer solcher Kraftwerke zu erhöhen und substantielle wissenschaftliche Ergebnisse in diesem Anwendungsgebiet zu erhalten. Das Korrosionsverhalten der Stähle wurde mittels Oxidationsversuchen und gravimetrischer Auswertung bei 560°C untersucht, um die Abtragsraten für verschiedene nichtrostende Stähle und einen hochwarmfesten Stahl in unterschiedlichen Nitratsalzmischungen in Abhängigkeit von der Auslagerungsdauer isotherm und zyklisch bestimmen zu können. Im Anschluss wurden mittels diverser elektronenmikroskopischer und röntgenografischer Untersuchungsmethoden (FIB, REM, EDX; XRD) die Eigenschaften der gebildeten Oxidschichten hinsichtlich Beschaffenheit, Haftfestigkeit, chemischer Zusammensetzung und der vorliegenden Phasen untersucht, das Wachstumsverhalten der Oxidschichten analysiert sowie der erfolgte korrosive Angriff begutachtet. Weiterhin wurden durch TEM-Untersuchungen die Einflüsse der Nitratsalzschmelze auf die Struktur des Grundwerkstoffs identifiziert. Mittels zwei verschiedener elektrochemischer Prüfmethoden, Stromdichte-Potential-Kurven (I/E) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), wurde das Korrosionsverhalten der Stähle in-situ bei Temperaturen zwischen 410 und 560 °C und in Abhängigkeit von der Reinheit der Salzschmelze analysiert sowie die Stabilität und Eigenschaften der gebildeten Oxidschichten evaluiert. Die Korrosionsbeständigkeit der untersuchten Cr,Ni-Stähle erwies sich gegenüber der des hochwarmfesten Cr-Stahls speziell in Salzschmelzen, die Chloridgehalte über 0,5 Gew.-% aufweisen, deutlich überlegen. Der Effekt der Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens vom Chloridgehalt ist der Ausbildung von Fe- bzw. Cr-Chloriden und deren unterschiedlichem Einfluss auf die Stabilität der Oxidschichten zuzuschreiben. Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der Oxidschichten ergab für alle untersuchten Stähle Cr,Fe-reiche Oxide, die sowohl als vorwiegend Cr-reiche oder Fe-reiche Oxide sowie als Mischoxide vorkommen. Die Schichten weisen außerdem eine hohe Porosität und eine schlechte Haftung auf dem Grundmaterial auf. Bei längeren Auslagerungszeiten (3000 h) wurden Auswirkungen der natriumhaltigen Schmelze, sowohl auf das Grundmaterial als auch auf die Oxidschicht, beobachtet. Es entstehen zum einen zusätzlich Na,Fe- reiche Oxidschichten, die aus einer Reaktion mit der Schmelze resultieren und zum anderen wurden im Grundwerkstoff Gefügeveränderungen identifiziert. Beim hochwarmfesten Stahl 1.4903/T91 bildeten sich in der kompletten Matrix nadelförmige Cr-Nitride, während bei 1.4404 in Ni-reichen Körnern an der Grenze zwischen Oxid und Grundwerkstoff Cr,N-reiche runde Ausscheidungen beobachtet wurden. 1.4571 zeigt nach den Auslagerungen eine Sensibilisierung der Korngrenzen, obwohl dieser Stahl mit Titan stabilisiert ist. Durch den zusätzlichen Stickstoffeintrag aus der Schmelze können sich direkt sensibilisierend wirkende Chromnitride an der Korngrenze bilden oder alternativ ist durch die Bildung von Titannitriden nicht mehr genug ungebundenes Titan vorhanden und es bilden sich trotz der Stabilisierung Chromkarbide. Weiterhin wurde die Stabilität der Salzschmelze untersucht. Es wurden Änderungen des Nitrat/Nitrit-Verhältnisses, bedingt durch Zersetzungsreaktionen der Salzschmelze beobachtet und die Tendenz von Chrom zur Lösung in der Salzschmelze festgestellt. Diese unerwünschten Effekte können zu veränderten Eigenschaften der Salzschmelze hinsichtlich ihrer Wärmespeicherkapazität, ihrer generellen Stabilität und ihrer Korrosivität führen. Durch elektrochemische Untersuchungen konnte die Abhängigkeit der Korrosionsbeständigkeit vom Cl--Gehalt bestätigt werden sowie eine eindeutige Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von der gewählten Temperatur nachgewiesen werden. Die Beständigkeit ist bei 410°C deutlich höher als bei 560°C. Sie sinkt also mit zunehmender Temperatur. Sowohl durch Aufnahme von I/E-Kurven als auch mittels EIS war keine bedeutende Unterscheidung der Werkstoffe unter den gleichen Bedingungen möglich. Allerdings konnte mittels EIS erstmalig die Stabilität und Beständigkeit der Werkstoffe in Nitratsalzschmelzen bei 560°C abhängig von der Dicke und Beschaffenheit der Oxidschichten sowohl qualitativ als auch quantitativ dargestellt werden. Das vorgeschlagene Ersatzschaltbild ermöglicht trotz der Komplexität der Bedingungen eine gute Adaptierung der berechneten Kennwerte auf das vorliegende Korrosionssystem. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass auch andere physikalische Prozesse, die in dieser Arbeit nicht bedacht wurden, eine Rolle spielen könnten. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie eignet sich daher prinzipiell sehr gut, um bei hohen Temperaturen auch in komplexen Elektrolyten einen ersten Eindruck vom jeweiligen Korrosionssystem zu erhalten, sollte aber grundsätzlich durch mikroskopische Analysen ergänzt werden um eine vollständige Aussage treffen zu können. Die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse erweitern den bisher in der Fachliteratur präsentierten Kenntnisstand des Korrosionsverhaltens von verschiedenen anwendungsrelevanten Stählen in Nitratsalzschmelzen und ermöglichen damit für Planer und Konstrukteure eine gezieltere Materialauswahl.
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State of the art of the co-incineration of waste-derived fuels and raw materials in clinker/cement plants
(2021) Schönberger, Harald; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
The treatise is about the co-incineration of waste-derived fuels and raw materials in clinker/cement production plants and its impact on emissions to air. Depending on the incineration conditions, emissions to air can exceed existing requirements. This is demonstrated and explained by both conventional parameters such as dust, nitrogen oxides, sulphur dioxide, carbon monoxide, volatile organic carbon, mercury and other heavy metals, ammonia and hydrogen chloride and special organic pollutants such as benzene, polychlorinated dibenzo-p-dioxins and furans (PCCD/F), polychlorinated biphenyls (PCB), hexachlorobenzene (HCB) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH).
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Variation of mechanical properties in oak boards and its effect on glued laminated timber : application to a stochastic finite element glulam strength model
(Göttingen : Cuvillier Verlag, 2022) Tapia Camú, Cristóbal; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
The renewable material wood and hereof derived structural engineered wood products (EWPs) is widely acknowledged as being the major pillar of sustainable building construction. Due to the strongly increasing demand and technical assets the wood resource hardwoods, previously less used as compared to softwoods, is gaining a high momentum for EWPs. Here, the species white oak (Quercus robur, petraea) representing beside beech (Fagus sylvatica) the largest hardwood stocks in Europe is investigated. This work addresses the need of improved understanding and modeling of the variability of stiffness and strength along and between boards and the resulting impact on the size-effect of glued laminated timber (GLT) made of oak. A set of 53 oak boards (Quercus robur) was used to study the variation of mechanical properties along the board's main axis. For each board, detailed information regarding size and position of knots was obtained, which was then used to digitally reproduce the geometry of the knots. The modulus of elasticity (MOE) parallel to the fiber was measured in tension along each board in 15 consecutive segments of 100 mm in length. The boards were tested in tension until failure and the remnants were then tested in secondary tension tests, when possible. Thus, multiple values for tensile strength were obtained per board. Based on the MOE results, a first order autoregressive [AR(1)] model for the simulation of local MOE profiles within board was developed. The model considers the non-stationarity of the MOE profiles by means of a two step method. Firstly, a Gaussian AR process is conducted and then mapped to the normalized MOE distribution. In a second step, the result in scaled to fit a specified global MOE value. The tensile strength data was analyzed by means of survival analysis, where different parametric and regression type statistical models were fitted. The tensile strength models were coupled to the localized MOE AR(1) model by means of a cross-correlation coefficient, thus obtaining a modified vector autoregressive (VAR) model for the local MOE and tensile strength along board. Numerical simulations with the fitted tensile strength models predicted a relatively high size effect, i.e. length effect, characterized by a size-effect exponent of around 0.23 at the 5%-quantile level. A stochastic finite element model for the analysis of GLT beams was developed. The model considers the local variation of mechanical properties within each lamination, simulated by the derived VAR model, as well as the stochastic distribution of finger-joints connecting adjacent boards. A simple energy-based failure mechanism is considered for the evolution of tensile damage in wood and finger-joint elements. The model was calibrated with experiments of oak GLT beams of three different cross-sections tested at the MPA, University of Stuttgart, and then applied to simulate a second database of oak GLT beams tested at FCBA, France. The results obtained with the model are in good agreement with the experiments. In particular, the size effect of beam depth is correctly represented. The influence of the used material models for wood and finger-joints was analyzed parametrically. It is shown that the lower tail of the local tensile strength distribution, which can be estimated rather accurately by survival analysis dominates the GLT bending strength. This is fortunate, as the lower tails can be estimated by means of survival analysis in a rather accurate manner, while the upper tails require further assumptions. The author hopes that the presented work contributes to stimulate the discussion on modelling of structural timber elements made of hardwoods.
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Warmbeton : Mischungsentwicklung mit verbesserter Übertragbarkeit in den Realmaßstab
(2019) Schließer, Agnes; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
Warmbeton vereint tragende und wärmedämmende Eigenschaften in einem Baustoff. Damit ist die monolithische Ausführung von Außenwänden und der Verzicht auf eine zusätzliche Wärmedämmschicht möglich. Die Entwicklung und Verbesserung solcher Baustoffe wird von der klimaschutzpolitischen Forderung nach einem annähernd klimaneutralen Gebäudebestand in Deutschland gefördert. Findet die Entwicklung neuer Betone ausschließlich im Labor statt, sind unter den dort herrschenden optimalen Bedingungen sehr gute Betoneigenschaften einstellbar. Für eine erfolgreiche Übertragung in den Realmaßstab ist bereits von Beginn der Mischungsentwicklung an auf ein robustes Frischbetonverhalten zu achten, das über die Betrachtung der Packungsdichte abzuschätzen ist. Wird ebenfalls frühzeitig der von Mischerbautyp und -größe abhängige Energieeintrag in die Mischung betrachtet, ist die Übertragung vom Labor- auf den Produktionsmischer bei nahezu gleichbleibender Betongüte möglich. Unter Berücksichtigung dieser Einflussgrößen gelang die Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit eines Warmbetons auf einen Bemessungswert von lediglich 0,125 W/(m·K). In der vorliegenden Arbeit werden Mischungsentwicklung und Betoneigenschaften zusammengefasst.
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Zur experimentellen Bestimmung der Wärmedehnzahl von Beton im Straßenbau
(2024) Spilker, Alexandra; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)
Rechnerische Analysen im Zuge der Dimensionierung und Substanzbewertung gewinnen im Betonstraßenbau zunehmend an Bedeutung. Eine hinreichende Kenntnis über das im nationalen Betonstraßenbau spezifische thermische Ausdehnungsverhalten des Baustoffs Beton ist für eine adäquate Berücksichtigung bei der Modellbildung essenziell. Den aktuellen Ansätzen liegen ingenieurtechnische Annahmen zugrunde, die auf allgemeinen Richtwerten aus den 1960er Jahren basieren. Eine systematische und gezielte Verknüpfung mit aktuelleren Erkenntnissen sowie auf den nationalen Betonstraßenbau ausgerichtete labortechnische Untersuchungen fehlen. Derzeit existieren national und europäisch jedoch keine standardisierten oder genormten Verfahren zur experimentellen Bestimmung der Wärmedehnzahl von Beton. Diese Arbeit verfolgt zusammenfassend folgende konkrete Zielstellungen: a) Erstellung einer geschlossenen Abhandlung zur Thematik der Wärmedehnzahl von Betonen mit spezifischer Ausrichtung auf den nationalen Straßenbau und die Verwendung des Kennwertes für rechnerische Analysen b) Schaffung von Grundlagen für die Aufnahme eines Prüfverfahrens zur Bestimmung der Wärmedehnzahl in die TP B-StB c) Überprüfung vorhandener Literaturwerte hinsichtlich der spezifischen Verwendbarkeit im Betonstraßenbau d) Bewertung des aktuellen Dimensionierungsansatzes in den RDO Beton In Kontext der Verwendung von Wärmedehnzahlen für rechnerische Analysen im Betonstraßenbau ergibt sich eine sehr hohe Bedeutung in Bezug auf zwei Komplexe, die für die Dauerhaftigkeit von Fahrbahndecken aus Beton entscheidend sind. Zum einen beeinflusst die Wärmedehnzahl maßgeblich das Längs- und Querdehnungsverhalten der Decke. Zum anderen stellt sie einen maßgebenden Parameter für die rechnerische Dimensionierung dar. Darüber hinaus hängt der maßgebende Anteil der mechanischen Beanspruchung von Fugenfüllsystemen bei Decken in Plattenbauweise insbesondere auch von der Wärmedehnzahl des Betons ab. Zur Bewertung der Genauigkeit experimentell bestimmter Wärmedehnzahlen wurden Sensitivitätsanalysen mit den rechnerischen Verfahren zur Dimensionierung und Substanzbewertung durchgeführt. Im Ergebnis sollte bei der Bestimmung von Wärmedehnzahlen zur Nutzung als Eingangsdaten in die Berechnungen eine relativ hohe Genauigkeit von ± 0,3 ∙ 10-6/K angestrebt werden. Es wurden zwei Prüfansätze zur experimentellen Bestimmung der Wärmedehnzahl entwickelt, angewendet und kritisch analysiert. Zur Messung der thermisch bedingten Längenänderung werden ein Setzungsdehnungsmesser mit digitaler Messuhr (Prüfansatz 1) sowie induktive Wegaufnehmer (Prüfansatz 2) verwendet. Es zeigt sich, dass insbesondere unter Verwendung von induktiven Wegaufnehmern eine sehr gute Reproduzierbarkeit der Messergebnisse erzielt werden kann. Um die Richtigkeit der Prüfergebnisse beurteilen zu können, wurden Bezugswerte an Referenzmaterialien anhand von Dilatometermessungen an verschiedenen Instituten ermittelt. Für den hier betrachteten Temperaturbereich zwischen 0 °C und 40 °C ergeben sich mittlere Wärmedehnzahlen für eine Edelstahl- bzw. Aluminium-Legierung in Höhe von 15,40 · 10-6/K bzw. 21,69 · 10-6/K. In Vergleichsuntersuchungen wurde eine sehr gute Annäherung der Prüfergebnisse bei Verwendung von Prüfansatz 1 (PA1) sowie von Prüfansatz 2 (PA2) mit einer Aluminium-Legierung als Kalibriermaterial an die Bezugswerte erzielt. Die Abweichungen liegen zwischen 0,07 bis 0,21 · 10-6/K. Eine erste allgemeine Einschätzung zur Genauigkeit der Prüfergebnisse zeigt, dass bei Verwendung von PA2 die geforderte Genauigkeit des Prüfergebnisses von ± 0,3 · 10-6/K bei einem Konfidenzniveau von 95 % auch bei sehr kleinen Stichproben erfüllt wird. Bei PA1 kann bei größeren Stichproben dieser Genauigkeitsanforderung entsprochen werden. Vor dem Hintergrund einer höheren Praktikabilität wird der PA1 für die umfassenden Bestandsuntersuchungen herangezogen. Den Bestandsuntersuchungen lag eine Stichprobe von 58 Bestandsstrecken aus dem BAB-Netz zugrunde. Die Probekörper wurden auf den maßgebenden lufttrockenen Zustand konditioniert. Es ergaben sich Wärmedehnzahlen der Straßenbetone für die einzelnen untersuchten Schichten zwischen 7,4 - 12,2 ∙ 10-6/K, wobei - wie zu erwarten - die niedrigen Dehnungswerte bei kalkreichen Gesteinskörnungen und die höheren Werte bei Kiesen mit einem hohen Anteil an Quarzgestein festgestellt wurden. Der aktuell für den Regelfall in der rechnerischen Dimensionierung vorgesehene Richtwert für die Wärmedehnzahl von 11,5 ∙ 10-6/K wird in 7,5 % der untersuchten Betone überschritten. Die verfügbaren Literaturwerte können in Form der angegeben Mittelwerte nur als Orientierung herangezogen werden. Für die im Straßenbau zum Einsatz kommenden Kiese, welche hinsichtlich der Gesteinsart heterogen zusammengesetzt sind, liegen keine Literaturwerte vor. Orientierungsmessungen zum Einfluss der Betonfeuchte auf die Wärmedehnzahl zeigen, dass bei wassergesättigten Proben im Vergleich zu lufttrockenen die Wärmedehnzahl durchschnittlich um 2,7 ∙ 10-6/K geringer ausfällt. Bei der Bestimmung der Wärmedehnzahl an wassergesättigten Probekörpern sollte das Prüfergebnis nach aktuellem Wissensstand um 25 % erhöht werden. Aufbauend auf dieser Arbeit sollte zur Überführung eines Prüfverfahrens in die TP B-StB zunächst eine Arbeitsanleitung für einen Prüfansatz oder mehrere Prüfansätze erarbeitet und anschließend ein Ringversuch zur Bestimmung der Präzisionskenndaten durchgeführt werden. Zur Qualitätssicherung wird es als zwingend erforderlich angesehen, durch eine zentrale Stelle Referenzprismen aus Metall mit zugehörigem Bezugswert für die Wärmedehnzahl zur Verfügung zu stellen. Perspektivisch sollten die Bestandsuntersuchungen systematisch fortgesetzt werden, um zum einen ein verbessertes Verständnis zur zeitlichen Entwicklung der Wärmdehnzahlen von Straßenbetonen in situ zu erlangen und zum anderen die Datenbasis insbesondere von Betonen mit hohem thermischen Dehnungsvermögen zu erhöhen. Darüber hinaus sollten vor dem Hintergrund des hohen Einflusses aus dem Feuchtegehalt des Betons die realen Feuchteverteilungen über die Deckenhöhe sowie innerhalb einer Fahrbahnplatte (Plattenmitte, Plattenrand) eruiert werden, um Rückschlüsse auf die feuchtebedingten Streuungen der Wärmedehnzahl im Bauteil ziehen zu können.