TY - JOUR A1 - Auersch, Lutz T1 - Vehicle Dynamics and Train‑Induced Ground Vibration—Theoretical Analyses and Simultaneous Vehicle, Track, and Soil Measurements N2 - Ground vibrations near railway lines are generated by the forces that are acting between wheel and rail. It seems to be a straight forward assumption that the vehicle dynamics are important for the level and the frequencies of the excitation forces. Different vehicle dynamics phenomena are analysed for their role in the excitation of ground vibrations: rigid body modes of the bogies, elastic (bending) modes of the car body, and elastic modes of the wheelset. The theoretical analyses use rigid body models, simplified elastic models, and detailed elastic models. Some of these problems are vehicle–track interaction problems where 3D finite‑element boundary‑element models have been used for the track and soil. It is shown that the rigid or flexible vehicle modes are well in the frequency range of ground vibrations (4 to 100 Hz). They have an influence on the excitation force but the additional forces are rather small and can be neglected in ground vibration prediction. The theoretical results are checked by experimental results of a simultaneous measurement of vehicle, track, and ground vibrations. KW - Rigid vehicle model KW - Flexible car body KW - Flexible wheelset KW - Dynamic loads KW - Ground vibration PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-569796 DO - https://doi.org/10.3390/vehicles5010013 VL - 5 IS - 1 SP - 223 EP - 247 PB - MDPI CY - Basel AN - OPUS4-56979 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz A1 - Said, Samir T1 - Damage detection by flexibility functions and quasi-static moving load tests N2 - The contribution shows measurement examples of cars, floors, foundations, railway tracks, a footbridge, and a railbridge. Vibrations may include modes and waves. Namely in soil-structure interaction, modes are damped, shifted and prevented so that alternatives for the modal analysis are necessary: The approximation of the whole spectrum (flexibility function) and of the whole train passage (moving-load response). T2 - Symposium Emerging Trends in Bridge Damage Detection, Localization and Quantification CY - Luxembourg, Luxembourg DA - 05.05.2023 KW - Flexibility KW - Movin load test KW - Frequency response function KW - Cars KW - Floors KW - Foundations KW - Railway tracks KW - Footbridge KW - Railbridge KW - Damage detection PY - 2023 AN - OPUS4-57951 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Frequenz- und bodenabhängige Prognose und Minderung von Bahnerschütterungen N2 - Die Prognose und Minderung von Bahnerschütterungen haben eine lange Tradition in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Im Jahr 2006 wurde eine Prognose-Software fertiggestellt, die viele Forschungs- und Messergebnisse zusammenfasst. Sie umfasst die Teilbereiche Emission (die Anregung durch die Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund-Wechselwirkung), die Transmission (die Ausbreitung durch den Boden) und die Immission (die Übertragung vom Freifeld in ein Gebäude). Die Prognose geschieht in allen Teilen mit einfachen Formeln, die veröffentlicht sind und zur Anwendung für Jedermann zur Verfügung stehen. Es werden Beispiele zur Emission und zur Transmission gezeigt. Im Bereich Transmissionsprognose werden zu den Anregungskräften (aus dem Emissionsteil) die Bodenerschütterungen als Schwinggeschwindigkeitsterzspektren berechnet. Das Ergebnis hängt stark von der Bodensteifigkeit, -dämpfung und -schichtung ab. Dies wurde später mit einer Messkampagne in der Schweiz an 10 Messorten bestätigt (Bild 1). Die Berechnung erfolgt näherungsweise für einen geschichteten Boden mit einer frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeit (Dispersion) oder einem tiefenabhängigen Wellengeschwindigkeitsprofil. Die Anregungskräfte werden im Prognosebereich Emission mit einem 2-dimensionalen Gleismodell berechnet (Bild 2). 1-dimensionale Modelle liefern meist falsche Ergebnisse und 3-dimensionale Modelle (zum Beispiel mit der kombinierten Finite-Element-Randelement-Methode) sind für eine Erschütterungs¬prognose sicherlich zu aufwändig. Das 2-dimensionale Modell wurde an 3-dimensionale Ergebnisse so angepasst, dass die Ergebnisse für viele Gleise und Böden annähernd zutreffen. Auch Minderungs¬maßnahmen am Gleis können mit diesem Modell sehr gut berechnet werden. Die Prognoseverfahren wurden in den folgenden Jahren weiter verfeinert. Es wurde die quasi-statische Anregung durch die bewegten statischen Zuglasten mit einer Näherungsformel ergänzt, so dass auch das tieffrequente Nahfeld realistisch erfasst werden kann. Mit der Berücksichtigung der Achsfolge (insbesondere zwischen den Achsen im Drehgestell) ergeben sich zwei typische Minima in den Erschütterungsspektren, die oft auch in den Messungen beobachtet werden. Der Amplitudenanteil zwischen diesen beiden Minima ist oft stärker angehoben, so dass hier eine zusätzliche Erschütterungsanregung vermutet wird. Dieser Anteil kann rein empirisch prognostiziert werden, so wie das in den englischen Prognosen (zuletzt für das Highspeed2-Projekt) enthalten ist. Die Begründung dieses Anteils ist allerdings nicht die Achsfolge, sondern die Zerstreuung der statischen Achslastimpulse durch einen unregelmäßigen Gleisuntergrund und Boden. Die messtechnische Ermittlung eines Minderungseffektes ist komplizierter als allgemein angenommen. Es reicht nicht aus, jeweils an einem Messpunkt in der Nähe eines Gleises mit und ohne Minderungs¬maßnahme die Erschütterungen zu messen und aus dem Verhältnis der Amplituden (beziehungsweise aus der Differenz der Pegel) „die Einfügedämmung“ zu ermitteln. Es wird an Beispielen gezeigt, wie man hier sinnvoller vorgehen kann. 1. Zunächst ist es wichtig, nicht nur die Einfügedämmung sondern auch die Originalspektren mit und ohne Minderung zu dokumentieren und zu veröffentlichen, damit man kontrollieren kann, ob wesentliche Amplituden und Frequenzbereiche reduziert sind oder ob es sich um eher zufällige Minderungen oder Verstärkungen handelt. (Beispiel Unterschottermatte/Raron, Müller/SBB) 2. Der Messpunkt sollte nicht im Nahbereich des Gleises liegen, da ansonsten eine zu günstige, falsche Einfügedämmung bestimmt wird. (Beispiel Tunnel/ Leipzig/Breitsamter) 3. Um Zufälligkeiten zu vermeiden, sollte man an mehr als einem Punkt messen. (Beispiel Unterschotterplatte/Altheim/Auersch) 4. Man sollte eigentlich immer auch die Bodenkennwerte (Steifigkeit, Dämpfung, Amplituden-abnahme, Übertagungsfunktion) messen. Selbst bei nahegelegene Messquerschnitten kann man Überraschungen erleben. (Beispiel erste ICE-Messungen/bei Würzburg/Auersch) 5. Bei verschiedenen Bodenkennwerten kann man eine Korrektur durchführen. (Beispiel Gleis-tröge/Mistler) Am besten bestimmt man ein äquivalentes Kraftspektrum zu jedem Messort und jedem Messzug (Beispiel Feste Fahrbahn/Gardelegen/Auersch) 6. Prinzipiell gibt es nicht die Einfügedämmung einer Maßnahme. Die Einfügedämmung ist immer boden- und referenzsystemabhängig. Die „beste“ Einfügungsdämmung erhält man mit einem steifen Untergrund (Beispiel Unterschottermatte/Tunnel/München Gasteig/Wettschureck) Das heißt aber nicht, dass die Maßnahme durch einen künstlich versteiften Untergrund besser wird (Beispiel Unterschottermatten/RRT2006/Auersch) Es werden Messbeispiele gezeigt, die alle neben einer hochfrequenten dynamischen Minderung auch eine mittelfrequente quasi-statische Minderung aufweisen. Dabei wird der mittelfrequente Zerstreuanteil der statischen Achslastimpulse durch die breitere Lastverteilung und damit die Impulsdehnung der Achslastimpulse reduziert. Diese Impulsdehnung lässt sich mit dem 2-dimensionalen Gleismodell berechnen. Die Minderungswirkung hängt aber wiederum vom Referenzsystem und dessen unregel¬mäßiger Steifigkeitsverteilung ab. Je unregelmäßiger der Boden und Gleisuntergrund des Referenz¬systems, desto stärker ist die Minderungswirkung. T2 - 24. Symposium für Baudynamik und Erschütterungsmessungen CY - Dübendorf, Switzerland DA - 09.06.2023 KW - Bahnerschütterungen KW - Erschütterungsprognose KW - Erschütterungsminderung KW - Elastische Gleiselemente KW - Gleiströge KW - zerstreute Achslastimpulse PY - 2023 AN - OPUS4-57952 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Frequenz- und bodenabhängige Prognose und Minderung von Bahnerschütterungen N2 - Die Prognose und Minderung von Bahnerschütterungen haben eine lange Tradition in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. Im Jahr 2006 wurde eine Prognose-Software fertiggestellt, die viele Forschungs- und Messergebnisse zusammenfasst. Sie umfasst die Teilbereiche Emission (die Anregung durch die Fahrzeug-Fahrweg-Untergrund-Wechselwirkung), die Transmission (die Ausbreitung durch den Boden) und die Immission (die Übertragung vom Freifeld in ein Gebäude). Die Prognose geschieht in allen Teilen mit einfachen Formeln, die veröffentlicht sind und zur Anwendung für Jedermann zur Verfügung stehen. Es werden Beispiele zur Emission und zur Transmission gezeigt. Im Bereich Transmissionsprognose werden zu den Anregungskräften (aus dem Emissionsteil) die Bodenerschütterungen als Schwinggeschwindigkeitsterzspektren berechnet. Das Ergebnis hängt stark von der Bodensteifigkeit, -dämpfung und -schichtung ab. Dies wurde später mit einer Messkampagne in der Schweiz an 10 Messorten bestätigt. Die Berechnung erfolgt näherungsweise für einen geschichteten Boden mit einer frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeit (Dispersion) oder einem tiefenabhängigen Wellengeschwindigkeitsprofil. Die Anregungskräfte werden im Prognosebereich Emission mit einem 2-dimensionalen Gleismodell berechnet. 1-dimensionale Modelle liefern meist falsche Ergebnisse und 3-dimensionale Modelle (zum Beispiel mit der kombinierten Finite-Element-Randelement-Methode) sind für eine Erschütterungs¬prognose sicherlich zu aufwändig. Das 2-dimensionale Modell wurde an 3-dimensionale Ergebnisse so angepasst, dass die Ergebnisse für viele Gleise und Böden annähernd zutreffen. Auch Minderungs¬maßnahmen am Gleis können mit diesem Modell sehr gut berechnet werden. Die Prognoseverfahren wurden in den folgenden Jahren weiter verfeinert. Es wurde die quasi-statische Anregung durch die bewegten statischen Zuglasten mit einer Näherungsformel ergänzt, so dass auch das tieffrequente Nahfeld realistisch erfasst werden kann. Mit der Berücksichtigung der Achsfolge (insbesondere zwischen den Achsen im Drehgestell) ergeben sich zwei typische Minima in den Erschütterungsspektren, die oft auch in den Messungen beobachtet werden. Der Amplitudenanteil zwischen diesen beiden Minima ist oft stärker angehoben, so dass hier eine zusätzliche Erschütterungsanregung vermutet wird. Dieser Anteil kann rein empirisch prognostiziert werden, so wie das in den englischen Prognosen (zuletzt für das Highspeed2-Projekt) enthalten ist. Die Begründung dieses Anteils ist allerdings nicht die Achsfolge, sondern die Zerstreuung der statischen Achslastimpulse durch einen unregelmäßigen Gleisuntergrund und Boden. Die messtechnische Ermittlung eines Minderungseffektes ist komplizierter als allgemein angenommen. Es reicht nicht aus, jeweils an einem Messpunkt in der Nähe eines Gleises mit und ohne Minderungsmaßnahme die Erschütterungen zu messen und aus dem Verhältnis der Amplituden (beziehungsweise aus der Differenz der Pegel) „die Einfügedämmung“ zu ermitteln. Es wird an Beispielen gezeigt, wie man hier sinnvoller vorgehen kann. 1. Zunächst ist es wichtig, nicht nur die Einfügedämmung sondern auch die Originalspektren mit und ohne Minderung zu dokumentieren und zu veröffentlichen, damit man kontrollieren kann, ob wesentliche Amplituden und Frequenzbereiche reduziert sind oder ob es sich um eher zufällige Minderungen oder Verstärkungen handelt. (Beispiel Unterschottermatte/Raron, Müller/SBB) 2. Der Messpunkt sollte nicht im Nahbereich des Gleises liegen, da ansonsten eine zu günstige, falsche Einfügedämmung bestimmt wird. (Beispiel Tunnel/ Leipzig/Breitsamter) 3. Um Zufälligkeiten zu vermeiden, sollte man an mehr als einem Punkt messen. (Beispiel Unterschotterplatte/Altheim/Auersch) 4. Man sollte eigentlich immer auch die Bodenkennwerte (Steifigkeit, Dämpfung, Amplituden-abnahme, Übertagungsfunktion) messen. Selbst bei nahegelegene Messquerschnitten kann man Überraschungen erleben. (Beispiel erste ICE-Messungen/bei Würzburg/Auersch) 5. Bei verschiedenen Bodenkennwerten kann man eine Korrektur durchführen. (Beispiel Gleis-tröge/Mistler) Am besten bestimmt man ein äquivalentes Kraftspektrum zu jedem Messort und jedem Messzug (Beispiel Feste Fahrbahn/Gardelegen/Auersch) 6. Prinzipiell gibt es nicht die Einfügedämmung einer Maßnahme. Die Einfügedämmung ist immer boden- und referenzsystemabhängig. Die „beste“ Einfügungsdämmung erhält man mit einem steifen Untergrund (Beispiel Unterschottermatte/Tunnel/München Gasteig/Wettschureck) Das heißt aber nicht, dass die Maßnahme durch einen künstlich versteiften Untergrund besser wird (Beispiel Unterschottermatten/RRT2006/Auersch) Es werden Messbeispiele gezeigt, die alle neben einer hochfrequenten dynamischen Minderung auch eine mittelfrequente quasi-statische Minderung aufweisen. Dabei wird der mittelfrequente Zerstreuanteil der statischen Achslastimpulse durch die breitere Lastverteilung und damit die Impulsdehnung der Achslastimpulse reduziert. Diese Impulsdehnung lässt sich mit dem 2-dimensionalen Gleismodell berechnen. Die Minderungswirkung hängt aber wiederum vom Referenzsystem und dessen unregelmäßiger Steifigkeitsverteilung ab. Je unregelmäßiger der Boden und Gleisuntergrund des Referenzsystems, desto stärker ist die Minderungswirkung. T2 - 24. Symposium für Baudynamik und Erschütterungsmessungen CY - Dübendorf, Sitzerland DA - 09.06.2023 KW - Bahnerschütterungen KW - Erschütterungsprognose KW - Erschütterungsminderung KW - Elastische Gleiselemente KW - Gleiströge KW - Zerstreute Achsimpulse PY - 2023 SP - 1 EP - 32 PB - Ziegler Consultants CY - Zürich AN - OPUS4-57953 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Auersch, Lutz T1 - The dynamic train-track interaction on a bridge and in a tunnel compared with the simultaneous vehicle, track, and ground vibration measurements at a surface line N2 - The vehicle–track interaction generates forces and consequently vibrations in the environment. The interaction has been analysed by the simultaneous measurements of vehicle, track and ground vibrations during test runs with varied train speeds. The special effects of the passage over a bridge and through a tunnel are studied and compared with the measurements on a conventional ballasted surface line. The maximum amplitudes, narrow band and one-third octave band spectra are presented for the axle-box accelerations and for the track, bridge and ground vibrations. The different frequencies and frequency bands are related to wheel out-of-roundness, track alignment errors, the sleeper passage and the wheelset–track resonance. An axle impulse component has been observed at the track, at the near-field soil and as a scattered version in the far field. Specific results can be found for the bridge track, where clearly speed-dependent bridge resonances occur due to the axle sequence of the train, and for the tunnel track where soft rail pads are responsible for a strong amplification around the wheelset–track resonance. On the other hand, the axle impulses are strongly reduced by the tunnel track, and the scattered axle impulse component is not as relevant as for the surface track. As a consequence, a strong mid-frequency amplitude reduction of the tunnel compared to the surface line has been measured for low and high train speeds by the Federal Institute of Material Research and Testing (BAM) and by other institutes. KW - Vehicle–track interaction KW - Ground vibration KW - Tunnel-to-surface reduction KW - Bridge resonance KW - Axle sequence PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-585139 DO - https://doi.org/10.3390/app131910992 VL - 13 IS - 19 SP - 1 EP - 23 PB - MDPI CY - Basel, Schweiz AN - OPUS4-58513 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Auersch, Lutz T1 - Site-specific amplitude-distance laws, wave velocities, damping, and transfer functions of the soil from hammer impacts and application to railway-induced ground vibration – Similarities and mid-frequency differences N2 - The propagation of ground vibrations is theoretically analysed with frequency-wavenumber and simplified methods. Experimental methods are presented which can characterise the site-specific ground vibrations by wave velocities, stiffness and damping. Measurements with hammer and train excitation have been performed at several sites. The one-third octave spectra show the stiffness-dependent amplitudes and the low- and high-frequency filter effects due to the layering and the damping of the soil. Specific train effects, an additional high-frequency filter, the sleeper passage frequency, and an amplified mid-frequency component can be clearly found. The attenuation with distance is analysed in detail where the theoretical exponential and the empirical frequency-dependent power law are considered. Hammer and train excitation show the same site-specific effects which are mainly due to the stronger or weaker damping of the soil. The train attenuation is generally weaker than the hammer attenuation. The attenuation exponent of the power law, which is strongly dependent on the site and the frequency, is reduced for the train vibration by 0.3 to 0.5 in agreement with the theory. Reasons are discussed for the overall power law and for the dominating mid-frequency component. KW - Hammer impact KW - Train passage KW - Layered soil KW - Attenuation KW - Filter effects KW - Randomly heterogeneous soil KW - Scattering PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-585020 DO - https://doi.org/10.1007/s42417-023-01095-0 SN - 2366-2557 SP - 1 EP - 17 PB - Springer AN - OPUS4-58502 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Impacts Between Different Drop Masses and Different Targets in Different Scales N2 - The Federal Institute of Material Research and Testing has performed many impact tests from very small laboratory tests to very big “free-field” tests with heavy containers on stiff 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. Later on, a smaller drop test facility has been built on the ground 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 oc-cur during the drop tests. In addititon, the acceptable tests should be selected and controlled by measurements where the impact duration is important. Dif-ferent sensors, accelerometers, accelerometers with mechanical filters, geo-phones (velocity transducers), strain gauges, and pressure cells have been ap-plied for these tasks. Signal transformations and model 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 esti-mation. T2 - Experimental Vibration Analysis for Civil Engineering Structures (EVACES 2023) CY - Milano, Italy DA - 30.08.2023 KW - Drop test KW - Vibration measurements KW - Container loading KW - Foundation load PY - 2023 SN - 978-3-031-39116-3 DO - https://doi.org/10.1007/978-3-031-39117-0_60 SN - 2366-2557 SP - 592 EP - 602 PB - Springer Nature Switzerland CY - Cham, Schweiz AN - OPUS4-58503 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Auersch, Lutz T1 - Impacts between different drop masses and different targets in different scales N2 - The Federal Institute of Material Research and Testing has performed many impact tests from very small laboratory tests to very big “free-field” tests with heavy containers on stiff 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. Later on, a smaller drop test facility has been built on the ground 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 oc-cur during the drop tests. In addititon, the acceptable tests should be selected and controlled by measurements where the impact duration is important. Dif-ferent sensors, accelerometers, accelerometers with mechanical filters, geo-phones (velocity transducers), strain gauges, and pressure cells have been ap-plied for these tasks. Signal transformations and model 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 esti-mation. T2 - 10th International Conference on Experimental Vibration Analysis for Civil Engineering Structures CY - Milano, Italy DA - 30.08.2023 KW - Drop test KW - Vibration measurements KW - Container loading KW - Foundation load PY - 2023 AN - OPUS4-58504 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Andrés Arcones, Daniel A1 - Weiser, M. A1 - Koutsourelakis, F. A1 - Unger, Jörg F. T1 - A Bayesian Framework for Simulation-based Digital Twins of Bridges N2 - Simulation-based digital twins have emerged as a powerful tool for evaluating the mechanical response of bridges. As virtual representations of physical systems, digital twins can provide a wealth of information that complements traditional inspection and monitoring data. By incorporating virtual sensors and predictive maintenance strategies, they have the potential to improve our understanding of the behavior and performance of bridges over time. However, as bridges age and undergo regular loading and extreme events, their tructural characteristics change, often differing from the predictions of their initial design. Digital twins must be continuously adapted to reflect these changes. In this article, we present a Bayesian framework for updating simulation-based digital twins in the context of bridges. Our approach integrates information from measurements to account for inaccuracies in the simulation model and quantify uncertainties. Through its implementation and assessment, this work demonstrates the potential for digital twins to provide a reliable and up-to-date representation of bridge behavior, helping to inform decision-making for maintenance and management. T2 - Eurostruct 2023 CY - Vienna, Austria DA - 25.09.2023 KW - Digital Twins KW - Bayesian Inference KW - Bridge Monitoring KW - Uncertainty Quantification PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-586803 UR - https://eurostruct.org/eurostruct-2023/ DO - https://doi.org/10.1002/cepa.2177 SN - 2509-7075 VL - 6 IS - 5 SP - 734 EP - 740 PB - Ernst & Sohn CY - Berlin AN - OPUS4-58680 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Andrés Arcones, Daniel A1 - Weiser, M. A1 - s Koutsourelakis, F. A1 - Unger, Jörg F. T1 - A Bayesian Framework for Simulation-based Digital Twins of Bridges N2 - Simulation-based digital twins have emerged as a powerful tool for evaluating the mechanical response of bridges. As virtual representations of physical systems, digital twins can provide a wealth of information that complements traditional inspection and monitoring data. By incorporating virtual sensors and predictive maintenance strategies, they have the potential to improve our understanding of the behavior and performance of bridges over time. However, as bridges age and undergo regular loading and extreme events, their structural characteristics change, often differing from the predictions of their initial design. Digital twins must be continuously adapted to reflect these changes. In this article, we present a Bayesian framework for updating simulation-based digital twins in the context of bridges. Our approach integrates information from measurements to account for inaccuracies in the simulation model and quantify uncertainties. Through its implementation and assessment, this work demonstrates the potential for digital twins to provide a reliable and up-to-date representation of bridge behavior, helping to inform decision-making for maintenance and management. T2 - EUROSTRUCT 2023 CY - Vienna, Austria DA - 25.09.2023 KW - Digital Twin KW - Simulation Models KW - Uncertainty Quantification KW - Model Bias PY - 2023 UR - https://eurostruct.org/eurostruct-2023/ AN - OPUS4-58663 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Andres Arcones, Daniel A1 - Weiser, M. A1 - Koutsourelakis, F.-S. A1 - Unger, Jörg F. T1 - Evaluation of Model Bias Identification Approaches Based on Bayesian Inference and Applications to Digital Twins N2 - In recent years, the use of simulation-based digital twins for monitoring and assessment of complex mechanical systems has greatly expanded. Their potential to increase the information obtained from limited data makes them an invaluable tool for a broad range of real-world applications. Nonetheless, there usually exists a discrepancy between the predicted response and the measurements of the system once built. One of the main contributors to this difference in addition to miscalibrated model parameters is the model error. Quantifying this socalled model bias (as well as proper values for the model parameters) is critical for the reliable performance of digital twins. Model bias identification is ultimately an inverse problem where information from measurements is used to update the original model. Bayesian formulations can tackle this task. Including the model bias as a parameter to be inferred enables the use of a Bayesian framework to obtain a probability distribution that represents the uncertainty between the measurements and the model. Simultaneously, this procedure can be combined with a classic parameter updating scheme to account for the trainable parameters in the original model. This study evaluates the effectiveness of different model bias identification approaches based on Bayesian inference methods. This includes more classical approaches such as direct parameter estimation using MCMC in a Bayesian setup, as well as more recent proposals such as stat-FEM or orthogonal Gaussian Processes. Their potential use in digital twins, generalization capabilities, and computational cost is extensively analyzed. T2 - 5th ECCOMAS Thematic Conference on Uncertainty Quantificationin Computational Sciences and Engineering CY - Athen, Greece DA - 12.06.2023 KW - Model bias KW - Bayesian Uncertainty Quantification KW - Digital Twins KW - Gaussian Processes KW - Statistical Finite Element Method PY - 2023 UR - https://2023.uncecomp.org/ SP - 1 EP - 15 AN - OPUS4-58227 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Andres Arcones, Daniel A1 - Weiser, M. A1 - Koutsoureladkis, D.-S. A1 - Unger, Jörg F. T1 - Evaluation of Model Bias Identification Approaches Based on Bayesian Inference and Applications to Digital Twins N2 - In recent years, the use of simulation-based digital twins for monitoring and assessment of complex mechanical systems has greatly expanded. Their potential to increase the information obtained from limited data makes them an invaluable tool for a broad range of real-world applications. Nonetheless, there usually exists a discrepancy between the predicted response and the measurements of the system once built. One of the main contributors to this difference in addition to miscalibrated model parameters is the model error. Quantifying this socalled model bias (as well as proper values for the model parameters) is critical for the reliable performance of digital twins. Model bias identification is ultimately an inverse problem where information from measurements is used to update the original model. Bayesian formulations can tackle this task. Including the model bias as a parameter to be inferred enables the use of a Bayesian framework to obtain a probability distribution that represents the uncertainty between the measurements and the model. Simultaneously, this procedure can be combined with a classic parameter updating scheme to account for the trainable parameters in the original model. This study evaluates the effectiveness of different model bias identification approaches based on Bayesian inference methods. This includes more classical approaches such as direct parameter estimation using MCMC in a Bayesian setup, as well as more recent proposals such as stat- FEM or orthogonal Gaussian Processes. Their potential use in digital twins, generalization capabilities, and computational cost is extensively analyzed. T2 - 5th ECCOMAS Thematic Conference on Uncertainty Quantificationin Computational Sciences and Engineering CY - Athens, Greece DA - 12.06.2023 KW - Digital Twin KW - Simulation Models KW - Uncertainty Quantification KW - Model Bias PY - 2023 UR - https://2023.uncecomp.org/ AN - OPUS4-58226 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Agasty, Amit A1 - Costard, René A1 - Rosenbusch, Sjard Mathis A1 - Kadoke, Daniel A1 - Kind, Thomas A1 - Hicke, Konstantin A1 - Hüsken, Götz T1 - Structural behavior and damage assessment of a reinforced concrete wall by various NDT methods and embedded sensors under blast-loading N2 - 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. T2 - 26th International Symposium on Military Aspects of Blast and Shock (MABS26) CY - Wollongong, Australia DA - 03.12.2023 KW - Blast tests KW - Reflected pressure KW - Embedded sensors KW - Distributed fiber optic sensors KW - Acceleration sensors KW - Digital image correlation KW - Ultrasonic structure-scanner PY - 2023 AN - OPUS4-58927 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Agasty, Amit A1 - Rosenbusch, Sjard Mathis A1 - Costard, René T1 - Numerical analysis of structures under blast loading N2 - Blast tests are indispensable for investigations of accidental or intentional explosions and to evaluate the level of protection to people and equipment within critical infrastructure. Current capabilities for detailed blast effects assessment are limited to performing full-scale field testing, which, for complex scenarios, are highly resource intensive. In this regard, reliable numerical simulations are an effective alternative option. A discussion of the scope and challenges of using numerical tools for a technical-safety assessment of reinforced concrete structures under blast loading is presented. Different coupling possibilities between shock wave simulations and structural simulations with the help of practical examples is given. An outlook on the development of new methods for structural simulations currently being researched at BAM concludes the presentation. T2 - Exerter Final Conference, 2023 CY - Soest, The Netherlands DA - 24.04.2023 KW - Coupling KW - Numerical Simulation KW - Blast KW - Structural Analysis KW - FSI PY - 2023 AN - OPUS4-57458 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF ED - Schraut, Katharina ED - Adamczyk, Burkart ED - Adam, Christian ED - Stephan, D. ED - Simon, Sebastian ED - von Werder, Julia ED - Meng, Birgit T1 - Production of a hydraulic material from post treated steelmaking slags N2 - 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. T2 - The 16th International Congress on the Chemistry of Cement 2023 (ICCC2023) CY - Bangkok, Thailand DA - 18.09.2023 KW - Steelmaking slag KW - Alite KW - Clinker substitute KW - Hydraulic reactivity PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-590522 UR - https://www.iccc-online.org/archive/ SP - 432 EP - 436 CY - Bangkok AN - OPUS4-59052 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF ED - Ebell, Gino T1 - Sammelmappe zum Sachkundelehrgang zur Durchführung von Potentialfeldmessungen 2023 N2 - Durch das alkalische Milieu des Porenwassers im Beton ist der Stahl normalerweise dauerhaft vor Korrosion geschützt. Unter ungünstigen Umgebungsbedingungen (Chlorideintrag, Karbonatisierung) kann die passive Deckschicht auf der Stahloberfläche zerstört werden. Der Korrosionsprozess ist initiiert. Die entstehenden Korrosionsprodukte werden zunächst vom Porengefüge des Betons aufgenommen, ohne dass es zu sichtbaren Schäden am Bauwerk führt. Im fortgeschrittenem Stadium der Korrosion können sich dann Risse und Abplatzungen bilden. Um notwendige Sanierungsmaßnahmen sowohl aus sicherheitstechnischen Gründen als auch aus wirtschaftlichen Erwägungen rechtzeitig einzuleiten, sind frühzeitige und weitestgehend zerstörungsfreie Prüfverfahren zur Ermittlung der aktuellen Korrosionswahrscheinlichkeit der Stahlbewehrung von großer Bedeutung. Deshalb finden Methoden und Verfahren zur laufenden bzw. regelmäßigen Korrosionsüberwachung von Stahlbetonbauwerken ständig größere Beachtung, sowohl im Bereich Forschung und Entwicklung als auch in der Praxis. Die elektrochemische Potentialfeldmessung ist ein etabliertes und weit verbreitetes Verfahren zur Beurteilung des Korrosionszustandes der Bewehrung in Stahlbetonbauwerken. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Bereiche korrodierender Bewehrung zerstörungsfrei lokalisiert werden. In der Regel kommt diese Methode bei der Detektion von chloridinduzierter Korrosion zum Einsatz. Der Lehrgang vermittelt den Teilnehmenden in kompakter Form einen zusammenfassenden Überblick über die notwendigen Grundlagen zum Verständnis der Messmethode, der Vorbereitung und Durchführung der Messungen, der notwendigen Begleituntersuchungen sowie der Interpretation der gewonnenen Daten. Der erste Tag ist der theoretischen Ausbildung gewidmet, am zweiten Tag folgt dann die praktische Anwendung der Lerninhalte. Am dritten Tag folgt die Abnahme der praktischen und theoretischen Prüfung zur Erlangung des Sachkundenachweises. T2 - Sachkundelehrgang zur Durchführung von Potentialfeldmessungen CY - Berlin, Germany DA - 24.04.2023 KW - Potentialfeldmessung KW - Korrosion PY - 2023 SP - 1 EP - 85 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-57492 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -