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This working paper summarises the current state of knowledge and research on the application of sensors in road pavements, designed to record input quantities and characteristics for structural assessment. In this working paper, sensors generally refer to technical equipment that can used to record the values of physical quantities and display them for interpretation.
The working paper deals with every type of sensor that is permanently connected to the road, i.e. sensors that are installed – in the bound and unbound courses of the superstructure as well as in the sub-base/sub-structure, – next to or above the road (for example on masts) and can contribute to structural recording and its subsequent assessment. This can also include sensors that are primarily used for a different purpose (e.g. traffic control). However, this working paper only describes the application of sensors that are installed primarily for other purposes for the sake of completeness; special publications (e.g. Notes on detection technologies in road traffic) are available for the respective installation situations.
AbstractDer Erhalt der bestehenden Verkehrsinfrastruktur ist eine große Herausforderung, da die Bauwerke fortwährend altern, die Verkehrsbeanspruchung zunehmend steigt und deren umfassender Ersatz mit Blick auf begrenzte Budgets und Ressourcen nicht möglich ist. An Bestandsbauten können tatsächliche Materialkennwerte, Geometrien oder Einwirkungen objektspezifisch erfasst werden. Die Nachrechnung von Bestandsbrücken erfolgt in Deutschland gemäß Nachrechnungsrichtlinie nach Stufen 1 und 2 mit dem semiprobabilistischen Teilsicherheitskonzept. Nur im Ausnahmefall wird eine messbasierte Bewertung oder eine wissenschaftliche Betrachtung gemäß Stufen 3 und 4 durchgeführt. Die Einbeziehung zusätzlicher Informationen aus der Zustandserfassung bietet jedoch viele Vorteile für eine realitätsnahe Bewertung. In probabilistischen Berechnungsmethoden können solche Kenntnisse direkt in der Berechnung berücksichtigt werden. Ziel dieses zweiteiligen Beitrags ist die Vorstellung der Potenziale und Vorteile bei der direkten Berücksichtigung der Ergebnisse von zerstörungsfreien Prüfverfahren bei der Zustandsbewertung von Brückenbauwerken. Das Konzept wird an einer Spannbetonbrücke vorgestellt. Der erste Teil befasst sich mit den Möglichkeiten zur Überführung der Eingangswerte der üblichen semiprobabilistischen Berechnung in stochastische Modelle. Ausgehend von der semiprobabilistischen Nachrechnung nach derzeitigem Regelwerk wird die probabilistische Modellierung aller relevanten Basisvariablen für die Grenzzustände der Tragfähigkeit Biegung, Querkraft und Torsion ausgeführt.
AbstractIm zweiten Teil dieses Beitrags werden die Grenzzustandsfunktionen für die Nachweise im Grenzzustand der Tragfähigkeit für Biegung mit Normalkraft, Querkraft mit Querkraftbewehrung und Torsion vorgestellt. Die Eingangsgrößen der mechanischen Widerstandsmodelle werden durch zahlreiche Abbildungen illustriert. Auf Grundlage der probabilistischen Modelle aus dem ersten Teil dieses Aufsatzes und der mechanischen Modelle aus diesem zweiten Teil werden die probabilistischen Nachweise geführt. Die Ergebnisse aus der Zuverlässigkeitsanalyse werden mit den semiprobabilistischen Berechnungsergebnissen verglichen. Mittels Parameterstudien wird gezeigt, welche Eingangsgrößen im Standsicherheitsnachweis die größten Einflüsse auf die Bauwerkszuverlässigkeit haben. Die Messung dieser Parameter ist entsprechend besonders nützlich. Auf dieser Basis wird abschließend gezeigt, welche Chancen sich aus der Durchführung von zerstörungsfreien Bauwerksprüfungen für die Nachrechnung ergeben.
NDT Data-Supported Structural Reassessments based on Regression Relations in Measuring Data Analysis
(2024)
Non-destructive Testing (NDT) provides valuable data about structural elements, supporting the assessment of existing infrastructures without incurring additional structural damage from inspections. Simultaneously, the uncertainty in measurement, which quantifies the quality of measurement results, plays a crucial role in decisions aimed at, e.g., optimizing maintenance strategies, rehabilitation works and Structural Health Monitoring (SHM) implementations. The Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) framework has already been considered for non-destructive concrete testing. Regarding that, extensive measurements with sophisticated scopes need to be conducted by experts as an obligatory process.
This study illustrates how NDT results describing the inner structure of a concrete element can effectively support the reassessment of bridges in operation. To achieve this, the study considers the various measurable positions of the resisting longitudinal tendons of a bridge structure to investigate the displacement change under dynamic service loads.
Furthermore, this study aims to simplify and optimize existing NDT data analysis procedures by employing regression analysis, enabling the detection of structural features. This regression analysis yields a modifier for determining the correct depth of an object within the structural element. The method is validated through laboratory experiments, including the use of an ultrasonic measurement system. As a result, it provides unbiased and accurately measured results, while ensuring that the measurement data can remain uncorrelated. Major advantages include efficient computation, a wider scope, and avoiding redundant information about the measuring process.
The findings demonstrate that employing the proposed NDT analysis method, with its enhanced practicability, can significantly augment the efficiency of NDT data-supported structural reassessments across various scenarios.
Relevant, abgesichert, vergleichbar – ZfP-Ergebnisse bei der Zuverlässigkeitsbewertung von Bauwerken
(2024)
Die Nachrechnung, d. h. die Zuverlässigkeitsbewertung von bestehenden Brücken, ist aufgrund der alternden Infrastruktur und sich verändernden Anforderungen an die Bauwerke eine fortwährend große Herausforderung in Wissenschaft, Praxis und Standardisierung. Ein wesentlicher Vorteil bei der Nachrechnung besteht gegenüber dem Neubauentwurf in der Möglichkeit, Informationen über den tatsächlichen Zustand der Bauwerke zu erheben – im Idealfall ohne wesentliche destruktive Eingriffe in die Bausubstanz. Deren Verwendung bei der Zuverlässigkeitsanalyse dient der Zuschärfung von Berechnungsmodellen und ermöglicht realitätsnähere Bauwerksbeurteilungen. Die Einbeziehung von Messdaten bei der Zuverlässigkeitsbewertung setzt jedoch voraus, dass die Qualität der gemessenen Informationen bekannt und deren Vergleichbarkeit sichergestellt ist. Darüber hinaus sollte die Relevanz der messbaren Informationen beziffert werden, um wirtschaftliche Inspektionen am Bauwerk gezielt durchführen zu können.
In diesem Beitrag wird am Beispiel von Ultraschall- und Radarmessungen an einer Spannbetonbrücke gezeigt, wie ZfP-Ergebnisse bei der Zuverlässigkeitsbewertung von Bestandsbauwerken mit probabilistischen Methoden genutzt werden können. Betrachtet werden innere geometrische Abmessungen wie die Lage der Bewehrung oder von Spanngliedern. Die Relevanz der messbaren Informationen wird anhand von Sensitivitätsanalysen beziffert. Messunsicherheitsbetrachtungen dienen der Bezifferung der Qualität der gemessenen Informationen und der Gewährleistung deren Vergleichbarkeit. Abschließend werden die möglichen Auswirkungen der Berücksichtigung von ZfP-Ergebnissen auf die Bauwerkszuverlässigkeit in einem Nachweis einer Spannbetonbrücke gemäß Eurocode demonstriert.
In reliability assessment of existing bridges, collected information about the structure can be utilized to modify partial safety factors and to refine characteristic values individually. In this way, uncertainties covered in initial calculation models and arising from assumptions can be reduced as well as biases identified and corrected. This allows for more realistic assessments and more appropriate decisions on actions to be taken. However, the on-site observation of information is generally associated with certain costs. For this reason, an efficient data-supported reassessment requires that only the individually relevant testing tasks are solved. Additional sensitivity analyses can further be used to specify the requirements on certain inspections, such as the testing result quality to be achieved, in order to avoid too imprecise or too expensive measurements on-site. In this contribution, the methodology for the demand-actuated definition of measurement objectives is demonstrated using the example of non-destructive concrete testing methods and findings from reassessments of two prestressed concrete bridges. Each case study includes the semi-probabilistic identification of structural weak points in ultimate and serviceability limit states, a comparison with respective probabilistic sensitivity analyses, and the subsequent derivation of parameters that are a) measurable and b) highly relevant in the individual reliability analyses.
This article presents two case studies for a full-probabilistic assessment of existing concrete bridges combined with the use of the finite element method for the evaluation of the internal forces. Since the structures already exist, additional information about material parameters and loading conditions can be collected. With a sensitivity analysis, the contribution of each parameter to the total uncertainty is examined and the relevance of their actual value and variation is shown. The first case study is a single-span reinforced concrete frame bridge on the German highway A92 constructed in the year 1985. With a span of around 5 m, but a width of 27 m and a skewness of 70 gon, the bridge is modelled as a three-dimensional finite element model. The second case study is a two-span reinforced concrete frame bridge from 1986 with span lengths of about 7,50 m each. The superstructure is a 45 cm thick slab and the base plate has a thickness of 80 cm. The assessment is performed based on the semi-probabilistic safety concept according to the codes first and secondly with a full-probabilistic calculation. In this article the selection of parameters for the relevant input data are presented and discussed. The results of the sensitivity analysis are used for the setup of measurements to acquire important data for the modelling in the critical limit states.
"This data set contains three different data types obtained from concrete specimens. For each specimen, the rebound numbers, ultrasonic data (ultrasonic velocity, time of flight), and destructive concrete strength are given. Two kind of specimen geometries were tested: cubes and drilled cores. The files are labeled according to the specimen geometry as "cube" or "core" and the type of measurement data as "compressive_strength", "rn_R" and "rn_Q" for rebound numbers as well as "us" for ultrasonic data. The ultrasonic data were generated by six independent laboratories, the rebound numbers by five independent laboratories and the destructive tests by one laboratory. The designation of each specimen establishes the relationship between the different data types."
This dataset contains raw data acquired in ultrasound measurements on a reference specimen made of concrete at Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin (Germany). The internal specimen identifier is “Pk050”. The measurements were conducted using the pulse-echo method. The upper surface of the specimen was defined as measuring area. The aim of the measurements is to determine the geometrical dimensions (thickness) of the specimen “Pk050”. In addition to this, a dataset of a second specimen with identifier “Pk266” has been acquired. Pk266 has the same geometrical dimensions and concrete recipe as Pk050, but contains tendons [Reference: https://doi.org/10.7910/DVN/NUU0WZ].
This dataset contains raw data acquired in ultrasound measurements on a reference specimen made of concrete at Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin (Germany). The internal specimen identifier is “Pk266”. The measurements were conducted using the pulse-echo method. The upper surface of the specimen was defined as measuring area. The aim of the measurements is to determine both the geometrical dimensions (thickness) and the position of tendons to the measuring area. In addition to this, a second dataset of a second specimen with identifier is existing named “Pk050” has been acquired. Pk050 has the same geometrical dimensions and concrete recipe as Pk266 recipe but does not contain tendons [Reference: https://doi.org/10.7910/DVN/9EID5D].