TY - JOUR A1 - Viefhues, Eva A1 - Döhler, M. A1 - Hille, Falk A1 - Mevel, L. T1 - Statistical subspace-based damage detection with estimated reference N2 - The statistical subspace-based damage detection technique has shown promising theoretical and practical results for vibration-based structural health monitoring. It evaluates a subspacebased residual function with efficient hypothesis testing tools, and has the ability of detecting small changes in chosen system parameters. In the residual function, a Hankel matrix of Output covariances estimated from test data is confronted to its left null space associated to a reference model. The hypothesis test takes into account the covariance of the residual for decision making. Ideally, the reference model is assumed to be perfectly known without any uncertainty, which is not a realistic assumption. In practice, the left null space is usually estimated from a reference data set to avoid model errors in the residual computation. Then, the associated uncertainties may be non-negligible, in particular when the available reference data is of limited length. In this paper, it is investigated how the statistical distribution of the residual is affected when the reference null space is estimated. The asymptotic residual distribution is derived, where its refined covariance term considers also the uncertainty related to the reference null space estimate. The associated damage detection test closes a theoretical gap for real-world applications and leads to increased robustness of the method in practice. The importance of including the estimation uncertainty of the reference null space is shown in a numerical study and on experimental data of a progressively damaged steel frame. KW - Damage detection KW - Uncertainty quantification KW - Statistical tests KW - Ambient excitation KW - Vibration measurement PY - 2022 DO - https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.108241 SN - 0888-3270 VL - 164 SP - 108241 PB - Elsevier Ltd. AN - OPUS4-52998 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Viefhues, Eva A1 - Döhler, M. A1 - Simon, Patrick A1 - Herrmann, Ralf A1 - Hille, Falk A1 - Mevel, L. ED - Cunha, A. ED - Caetano, E. T1 - Stochastic subspace-based damage detection of a temperature affected beam structure N2 - Structural health monitoring (SHM) of civil structures often is limited due to changing environmental conditions, as those changes affect the structural dynamical properties in a similar way like damages can do. In this article, an approach for damage detection under changing temperatures is presentedand applied to a beam structure. The used stochastic subspace-based algorithm relies on a reference null space estimate, which is confronted to data from the testing state in a residual function. For damage detection the residual is evaluated by means of statistical hypothesis tests. Changes of the system due to temperature effects are handled with a model interpolation approach from linear parameter varying system theory. From vibration data measured in the undamaged state at some few reference temperatures, a model of the dynamic system valid for the current testing temperature is interpolated. The reference null space and the covariance matrix for the hypothesis test is computed from this interpolated model. This approach has been developed recently and was validated in an academic test case on simulations of a mass-spring-damper. In this paper, the approach is validated experimentally on a beam structure under varying temperature conditions in a climate chamber. Compared to other approaches, the interpolation approach leads to significantly less false positive alarms in the reference state when the structure is exposed to different temperatures, while faults can still be detected reliably. T2 - 10th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure, SHMII 10 CY - Online meeting DA - 30.06.2021 KW - Damage detection KW - Subspace methods KW - Temperature effects KW - Model interpolation KW - Climate chamber KW - Laboratory beam structure PY - 2021 SP - 1 EP - 6 AN - OPUS4-52999 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Viefhues, Eva A1 - Döhler, M. A1 - Simon, Patrick A1 - Herrmann, Ralf A1 - Hille, Falk A1 - Mevel, L. T1 - Stochastic subspace-based damage detection of a temperature affected beam structure N2 - Structural health monitoring (SHM) of civil structures often is limited due to changing environmental conditions, as those changes affect the structural dynamical properties in a similar way like damages can do. In this article, an approach for damage detection under changing temperatures is presentedand applied to a beam structure. The used stochastic subspace-based algorithm relies on a reference null space estimate, which is confronted to data from the testing state in a residual function. For damage detection the residual is evaluated by means of statistical hypothesis tests. Changes of the system due to temperature effects are handled with a model interpolation approach from linear parameter varying system theory. From vibration data measured in the undamaged state at some few reference temperatures, a model of the dynamic system valid for the current testing temperature is interpolated. The reference null space and the covariance matrix for the hypothesis test is computed from this interpolated model. This approach has been developed recently and was validated in an academic test case on simulations of a mass-spring-damper. In this paper, the approach is validated experimentally on a beam structure under varying temperature conditions in a climate chamber. Compared to other approaches, the interpolation approach leads to significantly less false positive alarms in the reference state when the structure is exposed to different temperatures, while faults can still be detected reliably T2 - 10th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure, SHMII 10 CY - Online meeting DA - 30.06.2021 KW - Damage detection KW - Subspace methods KW - Temperature effects KW - Model interpolation KW - Climate chamber KW - Laboratory beam structure PY - 2021 AN - OPUS4-53000 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Baeßler, Matthias A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Aktivitäten in Forschung und Zulassung im Bereich Windenergie N2 - Die vielfältigen Tätigkeiten der BAM im Bereich technischer Sicherheit von Windenergieanlagen werden vorgestellt und im Bereich aktueller Entwicklungen in der Fügetechnik detailliert. T2 - Arbeitskreis Gründungsstrukturen und Stahlbau der WAB CY - Online meeting DA - 13.04.2021 KW - BAM Windenergie Fügetechnik PY - 2021 AN - OPUS4-53026 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Zur Prognose von Erschütterungen aus Bahntunneln N2 - Zur Erschütterungsausbreitung an oberirdischen Bahnlinien gibt es gute Übereinstimmungen zwischen Messungen und der Theorie geschichteter Böden. Bei der Interpretation der Ergebnisse spielt die Rayleigh-Welle eine große Rolle. Je nach Frequenz und Wellenlänge hat die Rayleigh-Welle eine bestimmte Eindringtiefe und erreicht damit mehr oder weniger steife Bodenschichten. Damit bekommt man eine frequenzabhängige Bodensteifigkeit für die Erschütterungsprognose. Für die Wellenausbreitung in der Tiefe statt an der Bodenoberfläche müssen eigene Gesetzmäßigkeiten gefunden werden. Es werden die Punktlastlösungen im Frequenz-Wellenzahlbereich und durch Integration über die Wellenzahlen berechnet. Man erhält die Wellenfelder, die Terzspektren für verschiedene Entfernungen und Frequenzen. Es wird die Tiefenlage und das Bodenmodell (homogen, geschichtet und kontinuierlich zunehmende Steifigkeit) variiert. Die Rayleigh-Welle verliert ihre Bedeutung und stattdessen kann die Vollraumlösung zur Interpretation und Prognose verwendet werden. Es werden die Halbraumlösung mit und ohne Rayleigh-Welle und die Vollraumlösung in der Tiefe diskutiert und verglichen. Neben der Wellenausbreitung (der Transmission) werden auch Effekte der Erschütterungsanregung (der Emission) und der Übertragung in Gebäude (der Immission) mit Hilfe der Finite-Element-Randelement-Methode berechnet. Die Verteilung der dynamischen Achslast durch die Tunnelsohle ergibt eine Minderung gegenüber der Punktlastanregung. Bei der Immission hat man keine Freifeldanregung wie an der Bodenoberfläche. Man muss entweder neben der Wellenamplitude (Verschiebung oder Schwinggeschwindigkeit) in der Tiefe auch die Spannung der ankommenden Welle berücksichtigen, oder man muss die Freifeldamplituden nach Bodenaushub berechnen. Die Rechenergebnisse deuten darauf hin, dass man als Freifeldanregung die zweifache Vollraumlösung ansetzen kann. T2 - Wiener Dynamik Tage 2021 CY - Vienna, Austria DA - 22.7.2021 KW - Erschütterungsausbreitung KW - Tunnel KW - Halbraum KW - Vollraum PY - 2021 SP - 1 EP - 11 PB - Steinhauser Consulting Engineers (STCE) CY - Wien AN - OPUS4-53253 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wiehle, Philipp A1 - Brinkmann, M. T1 - Tragfähigkeit von Lehmmauerwerk - Experimentelle und numerische Analyse T1 - Load-bearing capacity of earth masonry – An experimental and numerical analysis N2 - Die Bemessung von tragendem Lehmmauerwerk erfolgt in Deutschland auf Basis der Lehmbau Regeln. Das dort verankerte Nachweisverfahren beruht auf einem globalen Sicherheitskonzept, welches aus zuverlässigkeitstheoretischer Sicht nicht mehr dem Stand der Technik entspricht. Auf Grund dessen wird das Bemessungskonzept für Lehmmauerwerk vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) voraussichtlich 2023 außer Kraft gesetzt. Ein statischer Nachweis von tragenden Lehmbauten wäre in Deutschland dann ausschließlich mit einer Zustimmung im Einzelfall (ZiE) oder vorhabenbezogener Bauartgenehmigung (vBg) möglich. Beides ist mit erheblichem Mehraufwand und höheren Kosten verbunden, was für den Lehmmauerwerksbau einen entscheidenden Nachteil im Vergleich zum konventionellen Mauerwerksbau darstellt. Um eine unkomplizierte Praxisanwendung von Lehmmauerwerk zu ermöglichen, werden innerhalb eines Forschungsvorhabens, welches von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), dem Institut für Massivbau der Technischen Universität Darmstadt sowie dem Ingenieurbüro ZRS durchgeführt wird, auf Basis der Produktnormen für Lehmsteine und Lehmmauermörtel Grundlagen für ein aktualisiertes Bemessungskonzept entwickelt. Im Rahmen des Projekts wird ebenfalls untersucht, inwiefern die Bemessungsregeln nach den vereinfachten Berechnungsmethoden für unbewehrtes Mauerwerk gemäß DIN EN 1996-3 / NA auf den Lehmmauerwerksbau übertragbar sind. Falls eine Anwendung des normativen Nachweisverfahrens bei Lehmmauerwerk möglich ist, wäre zukünftig eine Aufnahme von Lehmsteinen und Lehmmauermörtel in den nationalen Anhang des Eurocode 6 denkbar, was eine bedeutsame Erweiterung des Anwendungsbereichs von Lehmmauerwerk zur Folge hätte. Diverse wissenschaftliche Untersuchungen konnten zeigen, dass bemessungsrelevante Festigkeits- und Verformungseigenschaften von Lehmmauerwerksbaustoffen stark von der vorherrschenden Materialfeuchte abhängen, welche im hygroskopischen Wassergehaltsbereich im Wesentlichen von der relativen Luftfeuchte (RLF) bestimmt wird. Auch die Zwischenergebnisse des laufenden Forschungsvorhabens zur Entwicklung eines Bemessungskonzepts für Lehmmauerwerk ergaben eine deutlich erkennbare Abhängigkeit zwischen der Materialfeuchte und den relevanten Festigkeits- und Verformungseigenschaften. Eine detaillierte Kenntnis des feuchteabhängigen Materialverhaltens von Lehmsteinen, -mörtel und -mauerwerk ist zwingend erforderlich, um ein konsistentes und zuverlässiges Bemessungskonzept für Lehmmauerwerk zu entwickeln. Im Rahmen des laufenden Forschungsprojektes werden deshalb umfangreiche Versuche zum Drucktragverhalten von Lehmsteinen und -mörtel sowie Lehmmauerwerk nach Konditionierung bei unterschiedlichen RLF durchgeführt und analysiert. Weiterhin werden auf Basis der experimentellen Ergebnisse numerische Modelle kalibriert, welche die detaillierte Analyse der Biegedrucktragfähigkeit von Lehmmauerwerk ermöglichen. In diesem Beitrag werden zunächst die bisherigen Zwischenergebnisse bezüglich der experimentell ermittelten feuchteabhängigen Materialkennwerte von Lehmsteinen, -mörtel und -mauerwerk dargelegt. Darauf aufbauend werden numerische Untersuchungen zur Bestimmung der Systemtragfähigkeit von Lehmmauerwerk unter Feuchteeinflusses durchgeführt und erläutert. N2 - The structural design of load-bearing earthen masonry in Germany is based on the Lehmbau Regeln. The verification procedure outlined in these regulations is based on a global safety concept that no longer corresponds to the state of the art from a reliability theory perspective. As a result, the structural design concept for earthen masonry will most likely be discontinued by the German Institute for Building Technology (DIBt) in 2023. A structural verification of load-bearing earthen buildings would then only be possible in Germany with an approval for individual cases (ZiE) or a project-related permit type (vBg). Both methods are associated with considerable additional work and higher costs, which is a decisive disadvantage for earthen masonry construction compared to conventional masonry construction. In order to enable a straightforward practical application of earthen masonry, the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), the Institute for Solid Construction of the Technical University of Darmstadt and ZRS Engineers are laying the groundwork for an updated structural design concept based on the product standards for earth blocks and earthen masonry mortar. The project will also investigate the extent to which the design rules based on the simplified calculation methods for unreinforced masonry according to DIN EN 1996-3 / NA can be transferred to earthen masonry construction. If the normative verification procedure can be applied to earthen masonry, it would be conceivable to include earth blocks and earthen masonry mortar in the national appendix of Eurocode 6 in the future, which would result in a significant expansion of the field of application of earthen masonry. Various scientific studies have shown that the strength and deformation properties of earthen masonry building materials relevant to structural design are strongly dependent on the prevailing material moisture level, which is essentially determined by the relative humidity (RH) in the hygroscopic water content range. The interim results of the current research project for the development of a structural design concept for earthen masonry also showed a clearly recognisable dependency between the material moisture level and the relevant strength and deformation properties. Detailed knowledge of the moisture-dependent material behaviour of earth blocks, earthen mortar and masonry is absolutely essential to developing a consistent and reliable structural design concept for earthen masonry. Within the framework of the current research project, extensive tests on the pressure load bearing capacity of earth blocks and earthen mortar as well as earthen masonry after conditioning at different RH levels are therefore being carried out and analysed. Furthermore, numerical models are being calibrated on the basis of the experiment results, which facilitate a detailed analysis of the bending pressure bearing capacity of earthen masonry. This paper presents, firstly, the interim results obtained so far concerning the experimentally determined moisture-dependent material characteristics of earth blocks, earthen mortar and masonry. Based on this material, numerical investigations for determining the system bearing capacity of earthen masonry under the influence of moisture are carried out and explained. T2 - LEHM 2020 CY - Weimar, Germany DA - 30.10.2020 KW - Lehm KW - Earth KW - Tragfähigkeit KW - Mauerwerk KW - Feuchte KW - Load-bearing KW - Moisture KW - Strength PY - 2020 SP - 1 EP - 12 PB - Dachverband Lehm CY - Weimar AN - OPUS4-53231 LA - mul AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Auersch, Lutz ED - Degrande, G. ED - al., et T1 - Predicted and measured amplitude-speed relations of railway ground vibrations at four German sites with different test trains N2 - The present contribution evaluates four measuring series made by the Federal Institute of Material Research and Testing for the relations between train speed and ground vibration amplitudes. This experimental evaluation is supported by the simulation of the train passages at the different sites by using appropriate excitation mechanisms and forces as well as layered soil models which have been derived from impact measurements at each site. KW - Train speed KW - Ground vibration KW - Excitation forces KW - Layered soils PY - 2021 SN - 978-3-030-70288-5 DO - https://doi.org/10.1007/978-3-030-70289-2_43 SN - 1612-2909 VL - 150 SP - 411 EP - 419 PB - Springer Nature Switzerland AG CY - Cham AN - OPUS4-52611 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - GEN A1 - Müller, R. A1 - Brechbühl, Y. A1 - Lutzenberger, S. A1 - Said, Samir A1 - Auersch, Lutz A1 - Guigou-Carter, C. A1 - Villot, M. A1 - Müller, R. ED - Degrande, G. ED - al., et T1 - Vibration Excitation at Turnouts, Mechanism, Measurements and Mitigation Measures N2 - There is a strong need for cost-effective mitigation measures for turnouts. SBB has initiated a series of examinations using different methodologies to gain a deeper understanding of the excitation mechanisms at low frequencies, in addition to that obtained in the RIVAS project. To date it is not yet clear what constitutes a complete measurement data set that would enable understanding most of the vibration excitation mechanisms in turnouts. Increasing vibration at turnouts in comparison to normal track is observed for all measured frequencies. The different methodologies are presented in the paper. Under-sleeper pads (USP) are a cost-effective method to reduce vibration at frequencies above 63 Hz (1/3 octave), but there is probably no improvement for frequencies below 63 Hz. A first test of new frog geometry did not show relevant improvements in Vibration emission in comparison to a reference frog geometry. Axle box acceleration measurements are an interesting method to identify defects in a turnout. A specialized measurement system of rail roughness could identify certain geometry Problem areas for some frogs. Noise increases also are observed at turnouts for frequencies ranging between 80 to 1000 Hz. The use of railway source models to calculate contact forces for ballasted track and turnouts seems promising, in particular for understanding the influence of ground. KW - Turnout KW - Switch KW - Vibration excitation KW - Vibration measurements PY - 2021 SN - 978-3-030-70288-5 DO - https://doi.org/10.1007/978-3-030-70289-2_42 SN - 1612-2909 VL - 150 SP - 403 EP - 410 PB - Springer Nature Switzerland AG CY - Cham AN - OPUS4-52612 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Zur Prognose von Erschütterungen aus Bahntunneln N2 - Zur Erschütterungsausbreitung an oberirdischen Bahnlinien gibt es gute Übereinstimmungen zwischen Messungen und der Theorie geschichteter Böden. Bei der Interpretation der Ergebnisse spielt die Rayleigh-Welle eine große Rolle. Je nach Frequenz und Wellenlänge hat die Rayleigh-Welle eine bestimmte Eindringtiefe und erreicht damit mehr oder weniger steife Bodenschichten. Damit bekommt man eine frequenzabhängige Bodensteifigkeit für die Erschütterungsprognose. Für die Wellenausbreitung in der Tiefe statt an der Bodenoberfläche müssen eigene Gesetzmäßigkeiten gefunden werden. Es werden die Punktlastlösungen im Frequenz-Wellenzahlbereich und durch Integration über die Wellenzahlen berechnet. Man erhält die Wellenfelder, die Terzspektren für verschiedene Entfernungen und Frequenzen. Es wird die Tiefenlage und das Bodenmodell (homogen, geschichtet und kontinuierlich zunehmende Steifigkeit) variiert. Die Rayleigh-Welle verliert ihre Bedeutung und stattdessen kann die Vollraumlösung zur Interpretation und Prognose verwendet werden. Es werden die Halbraumlösung mit und ohne Rayleigh-Welle und die Vollraumlösung in der Tiefe diskutiert und verglichen. Neben der Wellenausbreitung (der Transmission) werden auch Effekte der Erschütterungsanregung (der Emission) und der Übertragung in Gebäude (der Immission) mit Hilfe der Finite-Element-Randelement-Methode berechnet. Die Verteilung der dynamischen Achslast durch die Tunnelsohle ergibt eine Minderung gegenüber der Punktlastanregung. Bei der Immission hat man keine Freifeldanregung wie an der Bodenoberfläche. Man muss entweder neben der Wellenamplitude (Verschiebung oder Schwinggeschwindigkeit) in der Tiefe auch die Spannung der ankommenden Welle berücksichtigen, oder man muss die Freifeldamplituden nach Bodenaushub berechnen. Die Rechenergebnisse deuten darauf hin, dass man als Freifeldanregung die zweifache Vollraumlösung ansetzen kann. T2 - Wiener Dynamik Tage 2021 CY - Vienna, Austria DA - 22.07.2021 KW - Erschütterungsausbreitung KW - Tunnel KW - Halbraum KW - Vollraum PY - 2021 AN - OPUS4-53254 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz ED - Carletti, E. ED - Crocker, M. ED - Pawelczyk, M. ED - Tuma, J. T1 - Dynamic measurements during drop tests on stiff foundations N2 - Measurements at the foundation, the surrounding soil and nearby buildings have been done during several drop tests of different containers on different foundations. The first measurements have been done on a big foundation where it should be guaranteed that the foundation is rigid and the container is tested properly. It was controlled that the foundation does not absorb more than 2 percent of the energy of the container. Most of the drop energy is lost in shock absorbers. Later on, a smaller drop test facility has been built on the ground but inside an existing building. It had to be controlled by prediction and measurements that the drop test will not damage the building. Tests from different heights on soft, medium, and stiff targets have been done to find out rules which allow to identify acceptable and unacceptable drop tests. Later on, the biggest drop test facility has been built for masses up to 200 t. It was necessary for the design of the foundation to estimate the forces which occur during the drop tests. On the other hand, the acceptable tests should be selected and controlled by measurements where the impact duration is important. Different sensors, accelerometers, accelerometers with mechanical filters, geophones (velocity transducers), strain gauges, and pressure cells have been applied for these tasks. The signals have been transformed to displacements which proved to be best suited for the interpretation of the impact mechanism. Modell calculations have been used to check and understand the dynamic measurements. The simplest law is the conservation of the momentum which is a good approximation if the impact is short. If the soil under the foundation has an influence on the deceleration of the container, the maximum foundation velocity is lower than the simple estimation. The amplitudes of the foundation could also be estimated from the ground vibrations and their amplitude-distance law. T2 - 27th International Congress on Sound and Vibration (ICSV27) CY - Online meeting DA - 11.07.2021 KW - Drop test KW - Vibration measurement KW - Container loading KW - Foundation load PY - 2021 SN - 978-83-7880-799-5 SN - 2329-3675 SP - 1 EP - 8 PB - Silesian University Press CY - Gliwice, Poland AN - OPUS4-53255 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -