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Paper des Monats
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Unter zyklischen Belastungen findet im Beton, wie bei anderen Materialien auch, ein Ermüdungsprozess statt. Im derzeitigen Erkenntnisstand zum Materialverhalten des heterogenen Betons gibt es gerade bei dessen Ermüdungsverhalten momentan noch viele nicht oder nicht ausreichend geklärte Fragestellungen. Deshalb befasst sich der vorliegende Beitrag mit der experimentellen Untersuchung des Ermüdungsverhaltens von Beton, speziell unter hochzyklischen Druckschwellbelastungen. Im Fokus der Untersuchungen stehen dabei die während der gesamten Lebensdauer im Materialgefüge ablaufenden Prozesse, die zu Veränderungen im Materialverhalten und schließlich auch bis zum Ermüdungsversagen führen können. Ziel ist es, eine möglichst realitätsnahe Beschreibung des im Materialgefüge ablaufenden Ermüdungsprozesses zu entwickeln.
The saturated sand surrounding an offshore pile
foundation under quasi-static cyclic lateral load can show the
physical phenomena of macromechanical densification and
convective granular flow. Based on the results from physical
model tests at different geometrical scales, this paper
provides a certain quantification of such phenomena and discusses
their causes and consequences. The progressive sand
densification leads to subsidence of the soil surface and a significant
stiffening of the pile behaviour. Conversely, the ratcheting
convective motion of two closed cells of soil beneath
the pile-head is responsible for an endless grain migration at
the soil surface, the inverse grading of the convected material
and a direct shear of the sand at the distinct boundary of the
revolving soil domain. In this respect, and from a macromechanical
perspective considering the soil as a continuum, it
appears that the convecting material tends to follow gradient
lines of shear stress during its ratcheting motion. Concluding
the paper, the practical relevance of these phenomena and
their extrapolation to other conditions are briefly discussed.
Gerammte Stahlrohrpfähle sind das wesentlichste Gründungselement für Offshore-Konstruktionen. Typischerweise kommen diese als Monopiles oder als Mehrpfahlgründungen für Jacket-Konstruktionen zum Einsatz. Für die verhältnismäßig leichten Windenergieanlagen auf See wird bei Mehrpfahlgründungen regelmäßig die Zugtragfähigkeit maßgebend in der Bemessung. Zusätzlich sind Effekte aus wiederholten zyklischen Belastungen zu beachten, die sich auch auf die Zugtragfähigkeit auswirken können. Auch hier ergibt sich eine Besonderheit dadurch, dass im extremwertverteilten Lastspektrum wenige große (Wechsel-)Last-Amplituden entscheidend sind.
Die gründungstechnischen Herausforderungen bei der Planung solcher Windparks auf See wurden von einer Reihe von Untersuchungen begleitet. Eine Versuchsserie zur Zugtragfähigkeit von großmaßstäblichen Pfählen wurde auf dem Testgelände der BAM nahe Horstwalde bei Berlin durchgeführt. Hierfür wurde ein Testfeld mit 10 Pfählen angelegt. Die Pfähle wurden monoton auf Zug und zyklisch belastet. Vergleichend wurden dynamische Pfahlprobebelastungen durchgeführt. Zwei der Pfähle wurden mit Dehnungssensoren instrumentiert und es konnte die Pfahl-Boden-Interaktion abschnittsweise ermittelt werden.
Anhand verschiedener Bespiele wird diskutiert, wie Temperaturbeanspruchungen in einer Bauwerksüberwachung sichtbar werden und wie sie zu bewerten sind. Insbesondere der Einfluss auf die Zustandsbewertung im Sinne der Standsicherheit stellt häufig eine große Schwierigkeit dar. Behelfsweise besteht eine grundlegende Möglichkeit darin, ein Tragwerk immer zu seiner schwächsten Phase, d.h. in der Regel im Sommer zu beurteilen. Wie aufgezeigt, können zudem statistische Verfahren geeignet sein, Tragfähigkeitsänderungen zu detektieren.
Als wesentliche Zukunftsaufgaben werden verbesserte Detektionsalgorithmen und physikalisch begründete Modelle zum mechanischen Verhalten angesehen.
Die Akzeptanz schwingungsbasierter Verfahren zur Detektion und Lokalisierung von Schäden in der praktischen Anwendung ist alleinig von der Fähigkeit abhängig, Einflüsse aus veränderlichen Umwelt- und Betriebsbedingungen, insbesondere aber die aus der Temperatur zu eliminieren. Da die in den letzten Jahren immer wichtiger werdenden stochastischen Verfahren zur Schadensde-tektion und -lokalisierung die (statistische) Charakteristik der Messdaten bereits implizit nutzen, sind hier Entwicklung, Anpassung und Anwendung statistischer Algorithmen zur Eliminierung der variierenden Umwelteinflüsse naheliegend.
Auf der anderen Seite wird der saisonale Einfluss auf Bauwerksmessungen in sehr vielen Veröf-fentlichungen dargestellt und es werden häufig verdachtsweise begründete physikalische Zu-sammenhänge für das Verhalten aufgezeigt. Im Regelfall sind die Aussagen aber nicht experi-mentell überprüft und von eher allgemeiner Natur („Asphalt reagiert temperaturabhängig“). Ob-jektspezifische Zusammenhänge, beispielsweise über Versuch an Repräsentanten in der Klima-kammer ermittelt, könnten jedoch sehr hilfreich sein.
Offshore-Windenergie betritt Neuland, gerade bei der Gründung. Denn Windenergie auf See kann die Erfahrungen der gängigen Offshore-Konstruktionen der Öl- und Gasindustrie nur bedingt nutzen. Mehr als dort, versucht man bei der Offshore-Windenergie, die Gründungsabmessungen – insbesondere die Pfahllängen – soweit wie möglich zu reduzieren. Denn dies kann bei der hohen Anzahl der Windenergieanlagen erhebliche wirtschaftliche Vorteile bringen. Andererseits wird die Standsicherheit der Gründungen durch den viel höheren Anteil an zyklischen Lasten gegenüber den gängigen Offshore- Strukturen in schwer einschätzbarer Weise zusätzlich gefährdet. Da Offshore-Windenergieanlagen in Serienfertigung produziert werden, wirkt sich hier jeder systematische Fehler bei der Gründung dann gleich als Serienfehler auf eine Vielzahl von Anlagen aus. Überwachung ist also angesagt – und das richtige Maß bei der Pfahlgründung, der am meisten verwendete Fundamenttyp bei Windenergieanlagen.
Schieflagen bitte vermeiden
(2016)
Vieles ist möglich, auch auf dem Meeresboden. Wind und Wellen rütteln gemeinsam an der Gründung, den Fundamenten der Offshore-Windenergieanlagen. Hinzu kommen die „ganz normale“ Strömung sowie die in der Nordsee besonders ausgeprägten Gezeiten von Ebbe und Flut. Zudem kann am Meeresboden Porenwasserüberdruck entstehen, der den Boden lockern und im schlimmsten Fall bei Monopiles die Stabilität der gesamten Anlage ändern kann. Selbst wenn ein solcher in den Meeresboden gerammter Pfahl bis zu 8 Meter Durchmesser hat. Über die Hälfte der geplanten Offshore-Anlagen in Nord- und Ostsee werden mit Ein-Pfahl-Gründungen geplant, über 40 % sollen als Mehrpfahl-Gründungen, zum Beispiel als Tripod, ausgeführt werden. Von daher verdienen Pfahlgründungen und ihre Belastungen besondere Aufmerksamkeit. Denn eines gilt es im Anlagenbetrieb unbedingt zu vermeiden: Eine drohende Schiefstellung der Anlage
Im Übersichtsvortrag wird anhand verschiedener Bespiele dargestellt, wie Temperaturbeanspruchungen in einer Bauwerksüberwachung sichtbar werden und wie sie zu bewerten sind. Insbesondere der Einfluss auf die Zustandsbewertung im Sinne der Standsicherheit stellt häufig eine große Schwierigkeit dar. Behelfsweise besteht eine grundlegende Möglichkeit darin, ein Tragwerk immer zu seiner schwächsten Phase, d.h. in der Regel im Sommer zu beurteilen. Wie aufgezeigt, können zudem statistische Verfahren geeignet sein, Tragfähigkeitsänderungen zu detektieren. Als wesentliche Zukunftsaufgaben werden verbesserte Detektionsalgorithmen und physikalisch begründete Modelle zum mechanischen Verhalten angesehen.
Mit der Fertigstellung von mehr und mehr Offshore-Windparks rückt die Betriebsphase in den Mittelpunkt des Interesses.
Hierbei sind auch die Groutverbindungen, die häufig so konzeptioniert sind, dass wenige Möglichkeiten zur Prüfung und
Instandhaltung bestehen, von Interesse. Naturgemäß können auch kaum Erfahrungen für diese Ziele vorliegen.
Der geplante Workshop hat folgende Schwerpunkte im Fokus:
– Wiederkehrende Prüfung – Instandhaltung und Reparaturkonzepte
– Inspektionskonzepte – Zerstörungsfreie Prüfung und
– Schadensszenarien – Condition Monitoring Systeme (CMS)
Beiträge aus dem Bereich Betrieb, Begutachtung, Forschung, Produktherstellung, Zertifizierung, behördliche Aufsicht und
Condition Monitoring sind vorgesehen. Diskutiert werden sollen die technischen Anforderungen an die Überwachung im Betrieb
im Hinblick auf die tatsächlich vorhandenen Probleme und Möglichkeiten.
Die Präsentation leitet in die Thematik ein.
In diesem Beitrag wird ein grundsätzliches Untersuchungskonzept für den Schienengebundenen Verkehr in Bezug auf das langzeitliche Verhalten am Brückenübergang vorgestellt. Das damit verbundene Ziel ist die Entwicklung eines numerischen Modells zu entwickeln, dass sowohl das Langzeitverhalten wie auch das kurzzeitdynamische Verhalten beschreibt, um konstruktive Lösungen zu entwickeln und zu optimieren. In einer ersten Phase wird der Brückenübergang mittels der FEM mit zwei unterschiedlichen Randmodellierungen für das FE-Gebiet modelliert. Die Ergebnisse der Modellierung mit einer Visko-Elastischen Randmodellierung und einer Randmodellierung mittels der Scaled-Boundary-Finite-Element Methode, werden miteinander verglichen. Unterschiede in der Wirkung auf kurzzeitdynamische Kenngrößen werden gezeigt, die heranzuziehen sind, um insbesondere Setzungen im Hinterfüllungsbereich des Brückenwiderlagers abzuschätzen.
Unter zyklischen Belastungen findet im Beton, wie bei anderen Materialien auch, ein Ermüdungsprozess statt, der letztlich im Versagen des Materials enden kann. Im derzeitigen Erkenntnisstand zum Materialverhalten des Betons gibt es gerade bei dessen Ermüdungsverhalten noch viele nicht oder nicht ausreichend geklärte Fragestellungen. Deshalb wurde in Laborversuchen das Ermüdungsverhalten von Beton unter Druckschwellbeanspruchungen untersucht. Im Fokus dieser Untersuchungen standen dabei die während der Lebensdauer im Materialgefüge ablaufenden Prozesse, die zur Schädigung des Gefüges und schließlich auch zum Ermüdungsversagen führen können.
In den Ermüdungsversuchen wurden versuchsbegleitend Dehnungsmessungen, Ultraschall-Laufzeitmessungen und Schallemissionsmessungen an den Proben zur Erfassung der Schädigungsevolution eingesetzt. Die Schallemissionsmessung ist dabei ein wichtiges Instrument, da sie die Rissentwicklungsprozesse detektiert, die die Ursache für die Materialschädigung sind. Mit ihr konnten die unterschiedlichen Phasen der Rissentwicklungen über die gesamte Lebensdauer der Betonproben festgestellt werden. Diese Phasen sind gekennzeichnet durch sich stabilisierende, stabile und instabile Rissprozesse, die entsprechende Auswirkungen auf das Materialverhalten haben. Ein Vergleich mit den Ergebnissen der anderen Messtechniken zeigt den entsprechenden Einfluss der Rissentwicklungen auf die Materialeigenschaften des Betons.
Seit 25 Jahren betreibt die Bundesanstalt für Materialprüfung intensive Forschung auf dem Gebiet der Eisenbahndynamik unter realistischer Einbeziehung des Gleisuntergrundes. Das umfaßt theoretisch/numerische Arbeiten, Feldmessungen und Labor-, Modell- und Elementversuche zu den folgenden Fragen:
-die Erschütterungs- und Körperschallweiterleitung durch den natürlichen Boden,
- das Schwingungsverhalten der verschiedenen Fahrwege auf speziellen Boden- und Schotterschichten,
- die dynamischen Kräfte während der Überfahrt des Fahrzeugs sowie
- das Setzungs- und Differenzsetzungsverhalten verschiedener Gleisstrukturen.
Es werden Rechen- und Meßergebnisse zum Vergleich der Festen Fahrbahn und des Schottergleises vorgestellt und daraus Möglichkeiten für die weitere Verbesserung von Bahnfahrwegen gefolgert. Eine wesentliche Rolle kommt dabei der Wechselwirkung von Platten und steifen Declcschichten mit dem umgebenden Boden zu, deren Theorie in der BAM in den 90er Jahren weiterentwickelt wurde.