The Directive 97/23/EC of the European Parliament and of the Council of 29 May 1997 on the approximation of the laws of the Member States concerning pressure equipment (European Commision, 1997) is the basis of the legal framework for protection of pressure equipment within the European Union. Codes and standards are useful to comply with the legal and regulatory responsibilities stipulated in PED Directive regarding the protection of pressure equipment against overpressure, sizing, and selection safety relief devices. Rupture disk devices are primary relief devices to protect vessels, pipe, and equipment against overpressure. A rupture disk bursts once the so-called burst pressure is reached in the protected system, thereby discharging flow and preventing further increase in pressure. Currently, rupture disks are sized with standards and codes assuming the worst-case scenario at burst pressure. There is however no standardized procedure for sizing rupture disks with two-phase flow and there lacks suited test-facilities, test-sections, and reliable experimental data for model validation. Sizing rupture disk vent-line systems with current characteristic numbers comes with significant uncertainties, especially for high-velocity compressible flows (Schmidt, 2015). Zero-Emission and Green Safety are current trends for organizations that seek to attain innovative protection concepts beyond regulatory compliance. A procedure to size a rupture disk vent-line should accurately determine the discharge rate and pressure-drop across a rupture disk, from the point of rupture disk activation to the point when the system depressurizes fully. This procedure is critical for further safety considerations, such as for modeling the dispersion of toxic gases released during emergency-relief and calculating the emissions to the environment with time. Over-dimensioning is one measure taken today to mitigate uncertainties encountered while sizing with current methods. This is not always an option, as over-dimensioning the rupture disk vent-line system leads to unnecessary financial costs. It may also cause malfunction of the collecting systems downstream when the fluids discharged are more than the design limits. Emissions to the environment are thereby potentially higher than necessary, causing excessive harm to the environment. Under-dimensioning, on the other hand, may lead to hazardous incidents with loss of human life and equipment. This work has therefore focused on the investigation of the mass flow rate and pressure-drop through rupture disk devices with compressible gas and two-phase flow. The experimental focus was in the design, construction, and commissioning of a high-capacity, high-pressure industry-scale test facility for testing small- to large-diameter rupture disks and other fittings with gas flow. The resulting test facility is suited to test safety devices and pipe fittings at near realistic flow conditions at pressures up to 150 bar. This work also presents the design of a pilot plant for testing rupture disks with air/water two-phase flow. These test facilities open-up new frontiers for capacity testing because they have precise and state-of-the-art measurement and instrumentation. Experimental results from these facilities deliver reliable experimental data to validate proposed sizing procedures for rupture disk devices. The theoretical focus was on the development of a reliable rupture disk sizing procedure for compressible gas and two-phase flow. This required phenomenological studies of flow through rupture disks with both experiments and CFD studies. Better suited rupture disk characteristic numbers and model parameters for determining the mass flow rate and pressure-drop across rupture disks are identified. The proposed sizing procedure with compressible gas and two-phase flow predicts the dischargeable mass flow rate and pressure-drop across a rupture disk within ±4 % of measured value. Experimental validation has been undertaken with different types of rupture disks. The procedure is suited for determine the mass flow rate and pressure-drop through rupture disk seamlessly, from the point of rupture disk activation (worst-case scenario) to the point when the system fully depressurizes beyond regulatory compliance.

Mehrschichtige Stahlbetonwandtafeln bestehen aus einer Trag- und Vorsatzschale aus Stahlbeton sowie einer innenliegenden Dämmschicht. Die als Fassade fungierende Vorsatzschale ist in der Regel nichttragend und dient als Wetterschutzschicht für die Wärmedämmung sowie zur Gestaltung des Gebäudes. Trotz der nichttragenden Funktion werden diese Fassaden massiv ausgeführt, da die innenliegende Bewehrung vor Korrosion geschützt werden muss. Das widerspricht dem Trend zu immer größeren, filigranen Sichtbetonfassaden, die ein Minimum an Fugen aufweisen. Durch innovative Entwicklungen im Bereich der Betontechnologie sowie in der Verankerungstechnik wird der Bau von filigranen, unbewehrten, energieeffizienten und nachhaltigen Architekturbetonfassaden mit wenigen Zentimetern Bauteildicke als Vorsatzschale von mehrschichtigen Stahlbetonwand-tafeln ermöglicht. Dieses Potential eröffnet sich durch die Verwendung von Ultrahochleistungsbetonen, die sich unteranderem durch ihre hohe Zug- und Biegezugfestigkeit auszeichnen. Durch Verbindungsmittel aus glasfaserverstärktem Kunststoff wird die Fassade mehrfach statisch unbestimmt befestigt. Aufgrund des vergleichsweise geringen Elastizitätsmoduls können die sonst kritischen Belastungen infolge Zwangs reduziert werden. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines abgesicherten Bemessungskonzeptes um unbewehrte, punktgestützte Fassaden als Vorsatzschicht in mehrschichtigen Stahlbetonwandtafeln bemessen zu können. Dabei liegt der Fokus auf der Berücksichtigung von Zwangseinwirkungen, Expositionen und geometrischen Einflüssen. Es werden umfangreiche, kleinmaßstäbliche Versuche durchgeführt, um den Maßstabseffekt, den Einfluss der Tragrichtung, des verwendeten Gesteins sowie Expositionen infolge Temperatur, Feuchtigkeit und Frost-Tau-Wechseln auf den Materialwiderstand zu untersuchen. In Großversuchen werden ausgewählte Expositionen sowie geometrische Parameter am Gesamtsystem erforscht. Weiterhin wird der Einfluss der lokalen und globalen Steifigkeit der Unterkonstruktion analysiert. In einem nächsten Schritt erfolgen die numerische Simulation des Fassadensystems und die Modellverifizierung anhand der Ergebnisse der Großversuche. Mithilfe einer Parameterstudie wird der Einfluss einer globalen und lokalen Steifigkeitsänderung der Unterkonstruktion untersucht. Ein weiterer Fokus liegt auf der Spannungsverteilung im Bereich einspringender Bauteilecken. Die Ergebnisse münden in einem Bemessungskonzept und Konstruktionsregeln für die Fassadenplatte, Verbindungsmittel sowie die Verankerung. Für die Fassade wird ein Biege- und Normalkraftnachweis eingeführt. Die Verbindungsmittel werden auf Biegung und Zug, Schub und Stabilität nachgewiesen. Hinsichtlich der Verankerung wird ein Zug-, Querzug- und Drucknachweis geführt. Das Bemessungskonzept basiert auf einer Kombination der Bemessung von Glas- und Betonwerksteinfassaden, beinhaltet Geometriefaktoren wie im Holzbau und berücksichtigt erstmalig und planmäßig auch Zwangseinwirkungen. Die Berechnungsmodelle werden anhand der Versuchsergebnisse plausibilisiert. Ein semiprobabilistisches Teilsicherheitskonzept mit der Bestimmung des Teilsicherheitsbeiwertes für UHPC (engl. Ultra High Performance Concrete) sowie ein Resttragfähigkeitsnachweis runden die Arbeit ab.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Neuentwicklung der Betriebselektronik für eine Rasterkraftsonde die im Frequenzmodulationsverfahren betrieben wird. Rasterkraftsonden haben das Potenzial zukünftige Messaufgaben der Fertigungsmesstechnik, die durch Tastschnittgeräte und Optische Messgeräte nicht mehr gelöst werden, zu lösen. Als Grundlage für die Entwicklung eines Sensors zum Messen rauer, technischer Oberflächen dient die Akiyama-Sonde: bei dieser handelt es sich um eine Rasterkraftsonde deren Auslenkung sensorlos, ohne zusätzliche Bauteile, detektiert werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zunächst die Eignung der Akiyama-Sonde zum Messen technischer Oberflächen untersucht. Anschließend wurde eine neue Betriebselektronik für die Sonde entwickelt. Die neuentwickelte Elektronik zeichnet sich durch einen sehr einfachen Aufbau aus: in Kern besteht sie nur aus einem FPGA, einem Analog-Digital-Umsetzer und einem Digital-Analog-Umsetzer. Methodisch wurde bei der Entwicklung ein modellbasiertes Vorgehen gewählt: Zunächst wurde die Akiyama-Sonde in ihrem Arbeitspunkt modelliert. Basierend auf dem Modell erfolgte der virtuelle Entwurf der Betriebselektronik. Ein physikalischer Prototyp wurde somit erst spät im Entwicklungsprozess benötigt. Abschließend wurde anhand von Experimenten die Fähigkeit der neuen Betriebselektronik zum Messen von Auslenkungen im Nanometer-Bereich nachgewiesen.

This work describes the development of a continuum phase field model that can describe static as well as dynamic wetting scenarios on the nano- and microscale. The model reaches this goal by a direct integration of an equation of state as well as a direct integration of the dissipative properties of a specific fluid, which are both obtained from molecular simulations. The presented approach leads to good agreement between the predictions of the phase field model and the physical properties of the regarded fluid. The implementation of the model employs a mixed finite element formulation, a newly developed semi-implicit time integration scheme, as well as the concept of hyper-dual numbers. This ensures a straightforward and robust exchangeability of the constitutive equation for the regarded fluid. The presented simulations show good agreement between the results of the present phase field model and results from molecular dynamics simulations. Furthermore, the results show that the model enables the investigation of wetting scenarios on the microscale. The continuum phase field model of this work bridges the gap between the molecular models on the nanoscale and the phenomenologically motivated continuum models on the macroscale.

Das Ermüdungsverhalten hochfester Stähle wird durch nichtmetallische Einschlüsse im Werkstoff bestimmt, die unter zyklischer Beanspruchung zu Rissinitiierung führen. Bisher noch nicht vollständig verstandene Ermüdungsvorgänge führen auch noch bei sehr hohen Lastspielzahlen über 10^7 Zyklen zu Versagen (Very high cycle fatigue - VHCF) und somit zum Verlust der „klassischen“ Dauerfestigkeit. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zur Klärung dieses Phänomens Ermüdungsversuche mit dem hochfesten Stahl 100Cr6 durchgeführt und die VHCF-Rissinitiierung untersucht. Zusätzlich zum natürlichen Versagen durch Einschlüsse wurde die VHCF-Rissinitiierung unter definierten Bedingungen mit künstlichen Defekten nachgestellt und untersucht. Um einen Einblick in die VHCF-Ermüdungsvorgänge zu erhalten, wurde die lokale Mikrostruktur im Bereich der Rissinitiierung mittels REM, FIB, TEM und APT analysiert. Auf Basis der beobachteten Veränderungen der lokalen Mikrostruktur um Defekte und der damit einhergehenden frühen Rissausbreitung im VHCF-Bereich kann der zugrundeliegende Mechanismus, der schlussendlich für die VHCF-Schädigung verantwortlich ist, aufgeklärt werden. Durch bruchmechanische Bewertung der rissinitiierenden Defekte aus Einstufen- und VHCF-Laststeigerungsversuchen konnten zudem Schwellenwerte des Spannungsintensitätsfaktors für VHCF-Versagen in hochfesten Stählen abgeleitet werden, die die Grenzen der VHCF-Schädigung bis zu 10^9 Zyklen festlegen.