FG Bautechnikgeschichte
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Institute
BTU
(Re)constructing history – how building archaeology can profit from the knowledge of engineering
(2017)
Angesichts der zunehmenden Sanierungs- und Ertüchtigungs-maßnahmen an bestehenden Brückenbauwerken muss auch der Zustand der vorhandenen historischen Brückenlager beurteilt werden. Mangels verlässlicher Grund¬lagen bleiben hierbei oft Fragen unbeantwortet, zum Beispiel zu den Möglichkeiten einer minimal-invasiven Untersuchung des Lager¬werkstoffs. Gerade hier setzen die Einbaugegebenheiten werk¬stoff-lich und statisch-konstruktiv bedingte Grenzen für eine Probenentnahme.
Am Beispiel des ab ca. 1880 üblicherweise für Lager verwendeten Werkstoffs Stahlguss zeigt der Beitrag die Möglich¬keit auf, mittels Kleinstzugproben und durch Rückgriff auf den thermo-elastischen Effekt wichtige Aus¬sagen zum Werkstoffverhalten zu erhalten. Der Artikel erläutert Methodik und diskutiert Ergebnisse thermomechanischer Messungen zur verlässlichen Bestimmung der Streckgrenze des Werkstoffs, die wiederum präzise Aussagen zu dessen Tragfähigkeit ermöglicht. Damit zeigt der Beitrag eine interessante und viel-versprechende Option für eine minimal-invasive Bauteiluntersuchung auf – auch über den Werkstoff Stahlguss hinaus.
Für die Versuche stand eine Vielzahl historischer Brücken¬lager zur Verfügung; als Referenzwerte dienten Ergebnisse aus standardisierten Zugversuchen mit normgerechten Flachproben.
Grundlage für den Beitrag bilden Untersuchungen im Rahmen einer Masterarbeit, die 2014 aufbauend auf Erkenntnissen eines zuvor ab¬ge-schlos¬senen DFG-Forschungsprojekts „Realitätsnahe statisch-konstruk-tive Bewertung histo¬rischer Brückenlager“ an der BTU Cottbus-Senftenberg entstand.
Weitreichende Wirtschafts- und Bildungsreformen schufen im 19. Jahrhundert die Grundlagen für die rasche Entwicklung Deutschlands von einem rückständigen Agrarland zu einer führenden Industrienation. Die deutsche Brückenbaukunst erhob sich über ihr vormals unbedeutendes Niveau und setzte insbesondere hinsichtlich statisch-konstruktiver Kriterien neue Maßstäbe. Baustatische Methoden begannen, die bis dahin weitgehend empirischen Entwurfsansätze abzulösen. Der Beitrag thematisiert den zunehmenden Einfluss mathematisch geschulter Ingenieure bei der wissenschaftlichen Durchdringung eines wichtigen konstruktiven Brückendetails – der Bemessung beweglicher Brückenlager aus Eisen und Stahl. Dabei steht die Dimensionierung der sensiblen Kontaktbereiche zwischen den Lagerwalzen und -platten im Mittelpunkt der Auseinandersetzung. Hierfür vertrauten die Brückenbauer lange Zeit einfachen, empirisch begründeten Formeln. Doch seit den 1860er Jahren erschienen unterschiedliche mathematisch-mechanisch hergeleitete Ansätze, um auch bei der Bemessung der Kontaktbereiche dem inzwischen gestiegenen Anspruch von Wissenschaftlichkeit gerecht zu werden. Kern der Auseinandersetzung im Beitrag bildet die noch im 19. Jahrhundert zur mathematisch exakten Beschreibung von Kontaktvorgängen entwickelte Theorie des Physikers Heinrich Hertz. Der Beitrag zeichnet nach, wie sich seine Theorie für die Bemessung von Brückenlagern im 20. Jahrhundert durchsetzen konnte. Das Ergebnis war eine bemerkenswerte Verflechtung von Theorie und Empirie, die bis heute die Lagerbemessung prägt.
This paper describes the experimental calibration of an existing Wiegmann–Polonceau roof truss based on modal parameters. Dynamic tests allowed the determination of the natural frequencies and mode shapes of the global truss and of individual truss members. The global and local modal configurations as well as coupled vibration of truss members are discussed. In addition, as truss members are axially loaded, the effect of stress stiffening on the modal parameters is considered. Moreover, several finite element models with different modelling assumptions for the details of the connections and member geometrical characteristics such as gusset plates and turnbuckles were developed. A suitable numerical model was chosen to represent the truss structural behavior. This paper focuses on the local measurement and analysis strategies applied to single truss members. The possibility of using a local analysis method, namely methods that consider individual members as part of a structure, is demonstrated to assess the behavior of the global truss structure. The comparison of the results after calibration reveals a very good correlation between the experimentally identified and numerically estimated modal parameters of the historic truss.
Safety evaluation of truss structures depends upon the determination of the axial forces and corresponding stresses in axially loaded members. Due to presence of damages, change in intended use, increase in service loads or accidental actions, structural assessment of existing truss structures is necessary. Precise identification of the stresses plays a crucial role for the preservation of historic truss structures. The assessment measures require non-destructiveness, minimum intervention and practical applicability.
Motivated by the preservation of existing truss−type constructions composed of axially loaded slender members, the present work aims to develop a non-destructive methodology to identify the axial forces or corresponding stress states in iron and steel truss structures. The approach is based on vibration measurements and the finite element method combined with optimization techniques.
After a state of the art review, numerical and experimental studies were carried out on different partial systems of truss-type structures. The examined aspects included the effects of structural loading on the dynamic performance of truss structures, modelling of joint connections, mode pairing criteria, selection of updating parameters and definition of an objective function, as well as the use of different optimization techniques.
A methodology consisted of a two-stage model updating procedure using optimization techniques was proposed for the determination of multiple member axial forces and estimation of the joint flexibility of truss-type constructions. In the first stage optimization, the validation criterion is based on the experimentally identified global natural frequencies and mode shapes of the truss. Additionally, the axial forces in selected individual members of the truss are used. They are estimated from the natural frequencies and five amplitudes of the corresponding local mode shapes of the members using an analytically−based algorithm. Based on the results of the identified axial forces in the first stage, a second optimization procedure for the joint stiffness is performed. In this stage, the modal parameters of the global natural frequencies and mode shapes are used as validation criterion.
From the results of the investigated systems, the identified axial forces by the proposed methodology agree well with the experimentally measured axial forces. Furthermore, recommendations are given in the work for a guideline of measuring concepts and assessment strategies applied to existing iron and steel truss-type structures.
This paper is concerned with the inverse identification of the stress state in axially loaded slender members of iron and steel truss structures using measured dynamic data. A methodology is proposed based on the finite element model updating coupled with nature-inspired optimization techniques, in particular the particle swarm optimization. The numerical model of truss structures is calibrated using natural frequencies and mode shapes from vibration tests, as well as additional information of the axial forces in selected truss members based on the experimentally identified modal parameters. The results of the identification are the axial forces or corresponding stresses in truss structures and the joint rigidity in relation to pinned and rigid conditions. Attention is given to several examined aspects, including the effects of the axial tensile and compressive forces on the dynamic responses of trusses, mode pairing criteria, as well as modeling assumptions of joints and the use of a joint rigidity parameter. Considering the pairing of modes, it is performed by adapting an enhanced modal assurance criterion that allows the selection of desired clusters of degrees-of-freedom. Thus, information extracted from the measurements related to specific modes is utilized in a more beneficial way. For modeling of joints, the numerical model of a truss structure includes rotational springs of variable stiffness to represent semi-rigid connections. Moreover, a fixity factor is introduced for practical estimation of the joint flexibility. The effectiveness of the proposed methodology is demonstrated by case studies involving simulated and laboratory experimental data.