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Fatigue is one of the most prevalent issues, which directly influences the service life expectancy of concrete structures. Fatigue has been investigated for years for steel structures. However, recent findings suggest that concrete structures may also be significantly subjected to fatigue phenomena that could lead to premature failure of certain structural elements. To date, fatigue of reinforced concrete has been given little focus. Knowledge on the influence factors and durability/capacity effects on this material should be improved. Current technological means to measure fatigue in civil structures like bridges and wind turbines (both onshore and offshore) are outdated, imprecise and inappropriate.
Meanwhile, this topic has got much more attention as time-variant loading on concrete structures plays an increasing role, e.g. in bridges with increasing traffic and heavier trucks, and for wind turbines for renewable energy production, e.g. for offshore wind turbine support structures affected by wind and waves.
The European Innovative Training Networks (ITN) Marie Skłodowska-Curie Actions project INFRASTAR (Innovation and Networking for Fatigue and Reliability Analysis of Structures - Training for Assessment of Risk) provides research training for 12 PhD students. The project aims to improve knowledge for optimizing the design of new structures as well as for more realistic verification of structural safety and more accurate prediction of the remaining fatigue lifetime of existing concrete structures.
First, the INFRASTAR research framework is detailed. Then it will be exemplified through the presentation of the major results of the four PhD students involved in the work package dealing with auscultation and monitoring. This includes the development and improvement of Fiber Optics (FO) and Coda Wave Interferometry (CWI) for crack sizing and imagery, new sensor technologies and integration, information management, monitoring strategy for fatigue damage investigation and lifetime prediction.
The vulnerability of low quality concrete to changing weather conditions is well known. The constant exposure to temperature changes, biological activity, and humidity ends up in damage to buildings and structures which contain this material. It is therefore necessary to take preventive measures to control the extent of the damage done by weathering and possible penetration of adverse chemicals into structures which need public safety.
The Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), in cooperation with the small enterprise LinTech GmbH, is working on a project to monitor humidity changes in concrete by analyzing the changes in signal strength (RSSI) from Bluetooth Low Energy sensors. In this paper, we show results which demonstrate the influence of changing water content in concrete on the received RSSI. We observed that as water content in concrete decreases, the received RSSI improves. However, the damping effect is not linearly proportional to water content, rather exponentially proportional. This suggests that changes in the received signal strength are more easily observed when water content in concrete is higher. Finally, we reconstructed a RSSI distribution map using computed tomography
The vulnerability of low quality concrete to changing weather conditions is well known. The constant exposure to temperature changes, biological activity, and humidity ends up in damage to buildings and structures which contain this material. It is therefore necessary to take preventive measures to control the extent of the damage done by weathering and possible penetration of adverse chemicals into structures which need public safety.
The Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), in cooperation with the small enterprise LinTech GmbH, is working on a project to monitor humidity changes in concrete by analyzing the changes in signal strength (RSSI) from Bluetooth Low Energy sensors. In this paper, we show results which demonstrate the influence of changing water content in concrete on the received RSSI. We observed that as water content in concrete decreases, the received RSSI improves. However, the damping effect is not linearly proportional to water content, rather exponentially proportional. This suggests that changes in the received signal strength are more easily observed when water content in concrete is higher. Finally, we reconstructed a RSSI distribution map using computed tomography.
The damage detection and repair control have become important tasks for ballast and slab tracks. Measurements which compare the damaged and the repaired status of the same track section at different times, or which compare a damaged and an intact track section at the same time, have been successfully performed at some sites in Germany. The loss of contact between the sleeper and the track plate, between the track plate and the base plate, and between the base plate and the base layer have been analysed. The soil properties of each site have been measured and have been used to establish realistic track-soil models. Theoretical results of the wavenumber domain and the finite-element boundary element method have been compared with the experimental results. The observed experimental and theoretical results, changes in the time histories of displacements and velocities due to train passages and in the transfer functions (receptances) due to hammer impacts, are encouraging that these measurements can be used to detect track damage.
Rohrleitungssysteme sind aufgrund ihrer Funktion und Ausdehnung für den Betrieb, die Verfügbarkeit und die Sicherheit von Industrieanlagen von besonderer Bedeutung. Die bisher in definierten Intervallen durchgeführten, wiederkehrenden Prüfungen zur Sicherstellung leckagefreier Rohrleitungen sind kostenintensiv und mit einem erhöhten Aufwand verbunden.
Mit dem interdisziplinären Forschungsprojekt AGIFAMOR (Ageing Infrastructures – Akustisches Monitoring von Rohrleitungen) arbeitet die BAM an der Entwicklung und Erprobung einer örtlich und zeitlich kontinuierlichen Zustandsüberwachung von Rohrleitungen basierend auf einem faseroptischen akustischen Messsystem, welches einen vergleichsweise geringen Installationsaufwand der Sensoren erfordert. Mit diesem Verfahren sollen vor allem betriebsbedingte Schädigungen infolge von Korrosion sowie daraus entstehende Pittings oder Risse erkannt und damit Leckagen verhindert werden.
Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie zum Teilaspekt „Detektion von Risswachstum“ wurde ein 2,5 m langes, definiert vorgekerbtes Stahlrohr mit der faseroptischen Sensorik (FOS) ausgestattet und quasistatisch unter 4-Punkt-Biegung belastet. Mit fortschreitender Belastung wächst, ausgehend vom vorhandenen Außenumfangskerb, ein Riss im Stahlrohr bis zum Erreichen der Leckage – in der Praxis ein gefährliches Schadensszenario.
Parallel zur FOS erfolgten Messungen mit Schallemissionssensoren, Beschleunigungssensoren und Potentialsonden, deren Ergebnisse die Interpretation der FOS-Messergebnisse unterstützen sollen.
Pipelines and industrial piping systems are particularly relevant regarding technical safety, availability and maintenance. Large flow rates of hazardous substances imply that even smallest leakages can lead to high environmental impacts. Therefore, and to ensure the availability of infrastructure, an early detection and localization of potentially hazardous degradations to the walls (e.g. cracks, pittings, sedimentation, etc.) of the containments is necessary. However, in many cases it is not feasible to equip pipelines with a large number of point sensors at reasonable expense.
The principle of distributed fibre optic sensing relies on one single optical fibre, which simultaneously acts as a spatially continuous sensor as well as the signal transducer. Therefore, extensive structures can be provided with this type of sensor with comparatively low efforts.
As a consequence, monitoring oil and gas pipelines using distributed fibre optic sensors is on the upswing. Besides the established methods to measure temperature and strain, distributed acoustic sensing (DAS) has lately received considerable attention as a means to detect and localize third party threats to pipelines (approach of vehicles, digging, mechanical manipulation).
The so far not utilized potential of DAS as a means for continuous condition monitoring of pipes by detecting and localizing acoustic signals that point to certain damage scenarios, is currently under investigation in an interdisciplinary research project at BAM (AGIFAMOR, Ageing Infrastructures – Fibre Optic Monitoring of Pipes).
In order to qualify distributed acoustic fibre optic sensors for this application area, we especially focus on detecting and identifying the relevant acoustic emissions of interesting degradations as well as on the optimal way of application of the optical fibres to the specimen to achieve an optimal signal transmission of acoustic signals.
Das Themenfeldprojekt AGIFAMOR wird vorgestellt. Dabei handelt es sich um eine Machbarkeitsstudie zur Zustandsüberwachung von Rohrleitungen mittels verteilter faseroptischer Sensorik. Messprinzip sowie der aktuelle Stand der verteilten, faseroptischen Sensorik im Monitoring von Rohrleitungen werden erläutert. Eine Auswahl an Untersuchungen aus dem Projekt AGIFAMOR, u.a. auch die Ergebnisse aus den Vergleichsmessungen mit Schallemissions-Messtechnik werden präsentiert.
Acoustic Emission
(2018)
Das Phänomen Schallemission (eng. Acoustic Emission, AE) ist eine Begleiterscheinung bei aktiven Mechanismen und Prozessen wie sie in Werkstoffen auftreten, die einer Belastung durch Krafteinwirkung oder durch Änderung der Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Plastische Verformung, Risswachstum, Korrosion oder der Übergang zu einer anderen Phase generieren u.a. transiente elastische Wellen, die sich im Werkstoff und an der Materialoberfläche ausbreiten. Auftretende Auslenkungen von wenigen hundert Pikometern sind mit piezo-elektrischen AE Sensoren detektierbar. Aufzeichnungsraten von bis zu 40 MHz ermöglichen dabei zeitliche Auflösungen von einigen Nano- bis Mikrosekunden. Die Dechiffrierung der detektierten Informationen ist für die Material- und Versagenscharakterisierung sowie für Anwendungen in der Struktur- oder Prozessüberwachung ein zentraler Forschungsschwerpunkt.
Nach einem kurzen Überblick zu den Grundlagen werden ausgewählte Ansätze der AE Methode vorgestellt und diskutiert:
1) AE Monitoring von Pipelines als Referenzmessung für die Entwicklung eines akustischen faseroptischen Monitorings (AGIFAMOR)
2) Schwellwertfreie AE Messung im 4-Punkt-Rohrbiegeprüfstand BAM_9.1 (AGIFAMOR)
3) Kombination von AE mit Röntgen-Mikrotomografie und die Anwendung der frequenzbasierten Mustererkennung ermöglichen eine Zuordnung von AE und Mechanismen (Ergebnisse aus dem SNSF Projekt Nr. 127'134, Baensch 2014, Diss. ETH No. 22372)
Im Vortrag werden zunächst die zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien und technologischen Grundlagen von faseroptischer Sensorik, insbesondere verteilter faseroptischer akustischer Sensorik (DAS) präsentiert und die Vorzüge und Besonderheiten dieser neuen Sensorik für das Zustandsmonitoring diskutiert. Im Anschluß werden einige Anwendungen von DAS für das Infrastrukturmonitoring dargestellt. Im zweiten Teil werden die laufenden Forschungsaktivitäten der BAM zum Thema fasersensorischer Überwachung von Rohrleitungen mittels DAS fokussiert, das Projekt AGIFAMOR vorgestellt und bisher erlangte Ergebnisse präsentiert.