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A toolbox with non-destructive testing methods for the condition assessment of railway bridges
(2006)
The unified economic structure of the European market requires a unified transport infrastructure to ensure seamless and barrierfree transportation of passengers and goods. The European commission is funding the European Integrated Project Sustainable Bridges to comply with future traffic demands. The main objective of the project is to reliably assess and upgrade the bridge infrastructure for the required increase of axle loads and transport volume. 32 Institutes from 12 countries develop unified procedures for the assessment and improvement of the existing railway bridge stock under the guidance and review of six major European railway companies.
Non destructive testing (NDT) is given a high priority. One of the work packages concentrates on the potential of advanced NDT-methods and creates a toolbox with advisable methods for the condition assessment of all types of railway bridges. Although NDT-methods are implemented in the quality assurance process in many industries, their application in the railway infrastructure is not common. Only a few countries have included selected NDT-methods into advanced condition assessment procedures for the management of their bridge stock.
This paper describes also current activities to enhance pulse-phase thermography, impulse-radar and acoustic methods. The advanced methods enable infrastructure owners to verify construction plans, to assess structures, repair and strengthening quality or to identify in-service damages. Latest development is an automated scanning system for combined acoustic and electromagnetic measurements. The results are then combined through data fusion techniques to further increase their value for the bridge owners.
Acoustic measurement methods
(2008)
Active Thermography
(2016)
Active thermography is a nondestructive testing method for identification of near surface defects and signs of early deterioration. The presentation explains the potential and Limits of the method and the equipment for application to concrete structures. Advanced data analysis can increase the quality of imaging of the measurement. The method is usually applied once for analysis of the current condition. If applied periodically, the method can be used for observation of a deterioration process.
Active thermography
(2017)
Active thermography is introduced as tool for diagnostics in civil engineering structures. Aside from basic information, examples for applications of active thermography in different types of structures was presented. Active thermography was applied in historic structures to reveal former components or even ancient openings. Other examples present active thermography as a tool for nondestructive detection of debonding in CFRP strengthened structures. The way is explained, how the system was optimized for different materials.
Adolf Martens (18501914) was a pioneer of materials engineering. After his studies in Berlin he joined a railway company being responsible for the technical equipment. His interest for the basic mechanisms of mechanical strength and fracture of metallic materials led him to the development of the basic concepts for metallography; his papers published between 1878 and 1889 laid the fundament of this technique. In 1880 Martens changed to the Royal Industrial Academy in Berlin and by 1884 he was designated as director of the Materials Testing Laboratory at the Technical University Berlin. Under his guidance this institution acquired an excellent reputation in all relevant areas of the German industry, forming the nucleus of the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) – the Federal Institute for Materials Research and Testing. Martens developed equipment in many different areas as mechanical testing of metallic materials and of paper, characterization of the wear behavior of materials and viscosity of lubricants. His overwhelming contribution to materials engineering was recognized as early as 1895 by Floris Osmond, who denominated martensite a metallographical constituent resulting from quenching of steels. In 2000 ISO designated the value obtained from the instrumented indentation method as Martens Hardness – HM.
Für den Entwurf neuer Bauwerke gewährleistet die Einhaltung aktuell gültiger Normenwerke eine ausreichende Sicherheit. Diese Normen und die zugehörigen Lieferbedingungen gelten ausschließlich für Neubauten aus heute produzierten Stählen. Technische Regeln für die Begutachtung alter Materialien, wie sie zuletzt im Beiblatt 2-"Altstahl im Hochbau" von 1948 zur DIN 1050 "Stahl im Hochbau" [35] verankert waren, sind zurückgezogen worden. Bei der Bewertung alter Baukonstruktionen greift man häufig auf vorhandene Materialinformationen aus Bauwerksunterlagen, Vorschriften und Berechnungen, z.B. im Verantwortungsbereich der Deutschen Bahn AG, zurück. Die geltende Richtlinie der Modulfamilie 805.001 der Deutschen Bahn AG [21] erlaubt in Abschnitt 2, Absatz (2) sogar ausdrücklich die Nutzung alter Berechnungen und Vorschriften, wenn bei gleich bleibender Nutzung nur Eingriffe von untergeordneter Bedeutung, wie kleine Reparaturen oder lokale Verstärkungen, vorgenommen werden. Ein Eingriff in die Tragsicherheit des Bauwerkes ist nicht zulässig. Für umfassendere Maßnahmen und für Bauwerke außerhalb des Zuständigkeitsbereiches der Deutschen Bahn AG oder für die Bewertung der Konstruktionen bei Umnutzung bzw. bei umfangreichen Maßnahmen ist diese Ausnahme nicht anwendbar. Daraus ergibt sich für den auf die Beurteilung und Bewertung von bestehenden Bauwerken spezialisierten Ingenieur der Bedarf, alte Materialien, Bauweisen und Vorschriften zu kennen und zu verstehen. Aufwändige Versuchsserien an originalen Vollwand- und Fachwerkträgern zur Ermittlung von Schadensmechanismen im einstufigen Ermüdungsversuch werden vorgestellt. Sie resultieren in erweiterten Kenntnissen über Versagenskriterien für genietete Bauteile. Die Weiterentwicklung und Erprobung einander ergänzender zerstörungsfreier und minimal-invasiver (zerstörungsarmer) Verfahren verbessert die Schadensfrüherkennung an ermüdungsbeanspruchten Stahlkonstruktionen, z.B. bei Inspektionen. Intensive Materialuntersuchungen zur Mikrostruktur und zu mechanischen Materialparametern tragen zum Verständnis bestimmter, für moderne Stähle untypischer, Schadensmechanismen bei. Die interdisziplinäre Kooperation mit den Laboratorien der Abteilungen V, VIII und S bei der Analyse von Rissentstehung und Risswachstum erweitert die verfügbaren Kenntnisse über das Versagensverhalten alter Stähle und Stahlverbindungen. Aufbauend auf einer Darstellung der Entwicklung alter Bauweisen und Bauwerke, einer Literatur- und Normenanalyse zu Lieferbedingungen von Stahl für das Bauwesen und zu konstruktiven Details, so wie sie um die Jahrhundertwende zwischen dem 19. und 20. Jh. üblich waren, werden Materialuntersuchungen an alten Stählen, Ermüdungsversuche und Messungen an bestehenden Brückenbauwerken aus alten Stählen präsentiert. Innerhalb des Projektes gab es eine enge Zusammenarbeit mit Brückenbetreibern, die gewährleistete, dass die Ergebnisse aus Prüfungen, Forschung und Entwicklung direkt in die Praxis, aber auch in interne Vorschriften der Brückeneigner überführt werden konnten. So wurde in der Subgroup Remaining Fatigue Life of Bridge Structures der Gruppe ECOBRIDGE der Europäischen Eisenbahn Vereinigung UIC unter Beteiligung der BAM eine Machbarkeitsstudie [1] zusammengestellt. Auf dieser Basis erarbeitete ein bilaterales Konsortium der Schweiz und Deutschlands im Auftrag der Schweizerischen Bundesbahn und der Deutschen Bahn mit Ermüdungsspezialisten der RWTH Aachen, der EPFL Lausanne und der BAM einen Vereinheitlichten Sicherheitsnachweis für die Beurteilung alter Eisenbahnbrücken aus Stahl [2]. Der Abschlussbericht liegt seit 2001 im federführenden Institut für Stahlbau der RWTH Aachen vor. Die Überführung der Forschungsergebnisse in eine Richtlinie der Europäischen Konvention für Stahlbau (EKS) mit empfehlendem Charakter liegt als Entwurf [4] vor. Die Veröffentlichung nach abschließender Begutachtung durch namhafte auf Altstahl und Ermüdung spezialisierte Fachkollegen durch die EKS ist in Vorbereitung.
The research project "Ultrasonic Net for Concrete Monitoring (UNeCOM)" aims at developing a methodology for an embedded ultrasonic network for the condition assessment of infrastructure constructions. Civil engineering structures made of concrete, which are located in tectonically active regions or undergo special loading conditions, may require continuous monitoring. It is important to assess the condition of the building and its stability to recognise and classify the effect of a seismic event or evolving damage at early stages before failure occurs. Embedded ultrasonic sensors offer the possibility to detect changes in the material and degradation mechanisms from inside the structure in areas which are difficult or impossible to inspect otherwise. In contrast to conventional ultrasonic testing methods, where the concrete surfaces are scanned with ultrasound probes, this new approach uses sensors, which are embedded into concrete, eliminating the effect of variable coupling conditions between sensors and concrete. This method allows an integral detection of changes in the concrete structure, for example due to seismic activities, to detect mechanical impacts, as well as degradation of the material due to overloading. Such methods have great relevance especially for the monitoring of constructions like power plants, bridges, offshore structures and other structures with high technical safety requirements. The sensor network can be controlled remotely through the internet which is also being used for data transfer. The embedded sensor network is designed to monitor structural damage and concrete degradation globally with high sensitivity.
Assessment of existing steel structures - A guideline for estimation of the remaining fatigue life
(2007)
In many countries and regions, traffic infrastructure projects suffer from low funding. The budget is tight for new infrastructure building and, thus, the importance of inspection, maintenance and assessment of the existing traffic infrastructure increases. A new fatigue assessment guideline for the estimation of the remaining fatigue life of steel bridges has been written by technical committee 6 of the European Convention of Constructional Steelwork (ECCS). It will be a useful tool for the complementation of bridge management systems, used commonly for condition assessment.
Design specifications and rules are harmonised throughout Europe. They are under constant development, but there is still a lack of forwarding and concentrating experiences as well as developing rules for the fatigue assessment on existing steel structures. This paper presents a guideline with a proposed fatigue assessment procedure for existing steel structures embedded in information about old materials and non-destructive testing methods for the evaluation of details (ECCS 2004, Assessment of existing steel structures). Particular attention is paid on remedial measures which are proposed for weak details and damages caused by fatigue. The developed fatigue assessment procedure can be applied to existing steel structures under cyclic loading in general, but the guideline concentrates on the existing traffic infrastructure made from old steel, because of the public importance. The proposed procedure summarizes, regroups and arranges the knowledge in the field of assessment on existing steel to be applied by practicing engineers. The procedure is a milestone in knowledge transfer from a state of scientific knowledge to state-of-the-art.
Assessment of existing steel structures - A guideline for estimation of the remaining fatigue life
(2007)
Assessment of existing steel structures - Recommendations for estimation of remaining fatigue life
(2008)
Die zunehmende Bedeutung der Nachhaltigkeit im Bauwesen wird in Zukunft das Bauen im Bestand gegenüber Neubauten in den Vordergrund rücken. Dies gilt auch für den Brückenbau, wo das Qualitätsmanagement seit langem Brücken von ihrem Entstehungsgang über den Betrieb bis in die Entsorgung begleitet.
Die starke Vergrößerung der Frachtvolumina für Straße und Schiene und die zunehmende Überalterung des Brückenbestandes fragen danach, ob die bestehenden Brücken für die veränderten Betriebsbedingungen noch geeignet sind und wie sie und ob sie dafür instandgesetzt werden könnten.
Für die erforderlichen Instandhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen oder einen eventuellen Ersatz durch einen Neubau ist aber die Frage der Restnutzungsdauer von entscheidender Bedeutung. Es ist daher nicht von ungefähr, dass sich Baulast-träger auf nationaler und internationaler Ebene frühzeitig zusammengetan haben, um nach geeigneten Methoden der Bestimmung der Sicherheit und Restnutzungsdauer bestehender Brücken zu forschen. Auch die internationalen technisch-wissenschaftlichen Verbände wie EKS und fib sowie die Standard-Organisationen ISO und CEN sind der Frage eines internationalen Austauschs und der Vereinheitlichung der Methoden nachgegangen.
Für Stahlbrücken hat insbesondere das technische Komitee6 - Ermüdung - der EKS Anregungen aufgegriffen, aus den verschiedenen nationalen Erfahrungen und dem vorhandenen Wissen technische Empfehlungen für die Beurteilung bestehender Stahlbrücken zu entwickeln [1], die sich als Grundlage für die von CEN/TC 250 - das CEN-Komitee für die Bearbeitung der Eurocode - geplante Erweiterung der Eurocode zur Instandhaltung und Instandsetzung des Brückenbestandes eignen.
Das Ergebnis ist ein technisch-wissenschaftlicher Bericht, der im Rahmen der Zusammenarbeit der europäischen Kommission (DG-Research - Joint Research Centre JRC) mit der EKS als Basispapier für eine zukünftige Eurocode-Erweiterung veröffentlicht wurde und schon jetzt als Empfehlung für eine Vorgehensweise nach dem Stand der Technik verwendet werden kann.
Der vorliegende Beitrag behandelt die Grundzüge dieses Berichtes [1], der vom e-bookshop der Kommission kostenfrei herunter geladen werden kann.
Trans-European corridors for transport of people and goods require strengthening of bridges to carry increased axle loads in terms of absolute axle loads and of their frequency. Most of the bridges along highways are reinforced or prestressed concrete bridges.
Since the late 1990s, CFRP laminates have been applied to box girder and T-beam bridges to increase the overall capacity. Although regular inspections are carried out, no special method was available to test the bond condition of CFRP laminates after being in Service for more than ten years. The German Center of Competence in Civil Engineering is aware of this need and funded a research project to investigate the bond condition by means of advanced non-destructive testing (NDT).