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Ein stereo-fotogrammetrisches Messverfahren wurde zur quantitativen Analyse der Bewegungssignale eines elektrischen Multi-Sensorsystems eingesetzt. Der Vergleich von Weg- und Winkel-Zeitverläufen zeigte bereits eine recht gute Übereinstimmung, verdeutlichte jedoch auch die Notwendigkeit einer weiterzuentwickelnden Kalibriermethodik. Die Stereo-Videogrammetrie hat sich als Referenzverfahren zur Analyse und Validierung dreidimensional ausgelegter elektrischer Bewegungssensorik für den Nahbereich bewährt.
The performance of shock absorbers has been tested in specific regulatory drop tests onto an unyielding target at the BAM drop test facility. Optical surface digitisation methods have been used to measure, analyse and evaluate permanent deformations of shock absorbers more systematically. The measurement principle of the used fringe projection technique and its technical application to shock absorber investigations is explained in detail. Furthermore, examples of shock absorber testing results as well as final data visualisation are given in the present paper.
The performance of shock absorbers has been tested in specific regulatory drop tests onto an un-yielding target at the BAM drop test facility. Optical surface digitization methods have been used to measure, analyze and evaluate permanent deformations of shock absorbers more systemati-cally. The measurement principle of the fringe projection technique used and its technical appli-cation to shock absorber research is explained in detail in this paper. Furthermore, examples of shock absorber testing results as well as final data visualization are presented.
Surface-applied fibre optic strain sensors were investigated using a unique validation facility equipped with application-independent optical reference systems. First, different adhesives for the sensor's application were analysed regarding their material properties. Measurements resulting from conventional measurement techniques, such as thermo-mechanical analysis and dynamic mechanical analysis, were compared with measurements resulting from digital image correlation, which has the advantage of being a non-contact technique. Second, fibre optic strain sensors were applied to test specimens with the selected adhesives. Their strain-transfer mechanism was analysed in comparison with conventional strain gauges. Relative movements between the applied sensor and the test specimen were visualized easily using optical reference methods, digital image correlation and electronic speckle pattern interferometry. Conventional strain gauges showed limited opportunities for an objective strain-transfer analysis because they are also affected by application conditions.
Verpackungen für gefährliche Güter werden je nach Zweckbestimmung, Anwendungsbereich bzw. dem Grad der Gefährdung aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt. Für gefährliche Flüssigkeiten sind u.a. Verpackungen aus Kunststoff (Kanister) vorgesehen. Für deren Zulassung als Transport- oder Lagerbehälter sind verschiedene experimentelle Prüfungen erforderlich. Die Innendruckprüfung (hydraulisch) ist eine dieser vorgeschriebenen Prüfungen. Im Rahmen der vorliegenden Darstellung wurden Untersuchungen an extrusionsblasgeformten Kanistern aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) verschiedener Typen durchgeführt. Ziel der Arbeiten ist es, einen Eignungsnachweis bezüglich Behälterkonstruktion, Werkstoffeigenschaften und Einsatzbedingungen im Sinne einer sicherheitstechnischen Bauartzulassung zu führen.
Ein Schwerpunkt war desweiteren die Untersuchung des Einflusses unterschiedlich schädigender Flüssigkeiten auf die mechanischen Eigenschaften des HDPE-Werkstoffes. In Experimenten zum Nachweis der Behältersicherheit verwendet man stellvertretend für die Originalflüssigkeiten sogenannte Standardflüssigkeiten. Diese sind durchaus gefährlicher als die Originalflüssigkeiten, ersparen aber für Prüfzwecke die Bevorratung einer großen Anzahl der unterschiedlichen Originalflüssigkeiten und deren Transport zum Ort der Prüfung. Mit Standardflüssigkeiten werden die erforderlichen Einwirkzeiten auf den Kunststoff von 6 Monaten bei 23 °C auf 3 Wochen unter 40 °C verkürzt. Standardflüssigkeiten sind Netzmittellösung, Essigsäure, Salpetersäure, Kohlenwasserstoffgemisch (White Spirit) und Butylacetat.
Die mit unterschiedlichen Standardflüssigkeiten vorgeschädigten Kunststoffbehälter wurden anschließend der Innendruckprüfung ausgesetzt. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Abhandlung konzentriert sich als Teilaspekt im Rahmen unmfangreicher Materialuntersuchungen von Kunststoffumschließungen auf die experimentelle Form- und Verformungsanalyse der Kanister mittels optischer 3D-Verfahren. Diese ist insbesondere für den Vergleich mit den FE-Simulationsergebnissen und zwischen verschiedenen Wekstoffen von Interesse. Die Werkstoffe haben ein unterschiedliches Schwell- und Auslängungsverhalten. Es ist wichtig zu wissen, ob es trotz unterschiedlicher Wanddickensteuerungen oder gerade mit diesen möglich ist, eine 'ähnliche' Produktgestalt zu ermöglichen.
Numerical models built as virtual-twins of a real structure (digital-twins) are considered the future ofmonitoring systems. Their setup requires the estimation of unknown parameters, which are not directly measurable. Stochastic model identification is then essential, which can be computationally costly and even unfeasible when it comes to real applications. Efficient surrogate models, such as reduced-order method, can be used to overcome this limitation and provide real time model identification. Since their numerical accuracy influences the identification process, the optimal surrogate not only has to be computationally efficient, but also accurate with respect to the identified parameters. This work aims at automatically controlling the Proper Generalized Decomposition (PGD) surrogate’s numerical accuracy for parameter identification. For this purpose, a sequence of Bayesian model identification problems, in which the surrogate’s accuracy is iteratively increased, is solved with a variational Bayesian inference procedure. The effect of the numerical accuracy on the resulting posteriors probability density functions is analyzed through two metrics, the Bayes Factor (BF) and a criterion based on the Kullback-Leibler (KL) divergence. The approach is demonstrated by a simple test example and by two structural problems. The latter aims to identify spatially distributed damage, modeled with a PGD surrogate extended for log-normal random fields, in two different structures: a truss with synthetic data and a small, reinforced bridge with real measurement data. For all examples, the evolution of the KL-based and BF criteria for increased accuracy is shown and their convergence indicates when model refinement no longer affects the identification results.
Der Beitrag konzentriert sich auf bildgebende Messverfahren, die der dreidimensionalen Bestimmung mechanischer, geometrischer und kinematischer Parameter von Materialien und Bauteilen dienen. Das sind hier insbesondere die Mehrbildfotogrammetrie sowie die Stereomessverfahren, die auf folgenden physikalisch-optischen Grundlagen beruhen: die zeit- und raumveränderliche Projektion von Lichtstreifensystemen, die Bildkorrelation mittels Grauwertmustern und die Verfolgung kontrastreich applizierter Punkttargets. Letztendlich werden aus den gemessenen Punktkoordinaten unterschiedlicher Dichte und Belastungszustände die gewünschten 3D-Parameter abgeleitet. Hierzu gehören z. B. die Oberflächengestalt und deren Verformung, approximierte 3D-Geometrielemente, veränderliche 6DoF-Starrkörperorientierungen, Vektorverschiebungsfelder, Oberflächendehnung, Koordinaten-Zeit-Funktionen, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Diese Kenngrößen sind beispielsweise für die Ermittlung mechanischer Werkstoffeigenschaften und -kennwerte bis hin zur Form- und Verformungsmessung von Bauteilen in gezielt quasi-statisch oder dynamisch beanspruchenden Prüfeinrichtungen wichtig. Vorteilhaft für die praktische Anwendung dieser Verfahren ist insbesondere, dass sie berührungslos arbeiten, kombiniert werden können und skalierbar sind z. B. hinsichtlich Messvolumen, Auflösung, Genauigkeit und Koordinatensystemen der zu bestimmenden 3D-Punktkoordinaten an Materialoberflächen bzw. Komponenten.
Ausgehend von der Beschreibung der messtechnischen Prinzipien dieser Verfahren sollen zwei Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Gefahrgutbehäl-terprüfung im Rahmen von Bauartzulassungen und der normungsbegleitenden Mate-rialforschung den Stand in der Anwendungspraxis aufzeigen und einen Eindruck hinsichtlich der flexiblen Einsatzmöglichkeiten dieser optischen 3D-Verfahren verdeutlichen.
The Measurement- and Model-based Structural Analysis (MeMoS) integrates a finite element model into least squares adjustment and thus allows to evaluate a mechanical model and measurements in a combined analysis. To examine the capability to detect and localise damage using this integrated analysis MeMoS, a small-scale truss bridge made of aluminium profiles is built as a test specimen for this purpose.
Within the presented research project, experimental and numerical investigations were performed to develop a thin-shelled, modular, mobile element system made of a micro-reinforced ultra-high-performance ductile concrete (DUCON®). Material parameters were experimentally determined to adapt the material model within the numerical analysis applying the Drucker-Prager relationship. Afterwards, for validation of the numerical models, quasi-static and high-velocity impact tests were performed on plate-like structures. Finally, a suitable geometry of transportable barrier elements will be designed, which provides a maximum of resistance against impact by a minimum of weight and a maximum of mobility.
Ausgehend vom sicherheitsbezogenen Aufgabenspektrum der BAM konzentriert sich das Poster auf die messtechnischen Verfahrensgrundlagen und Anwendungsbeispiele aus den Bereichen der experimentellen Bauartprüfung von RAM-Behältern in Fallprüfungen mit Wordt-Case-Szenarien, der Schadensanalyse und der Mitwirkung in F/E-Projekten
High quality tubular products are essential to the oil and gas industry. Quality control during their production focuses on the non-destructive detection of surface defects. The structured light technique is a candidate for the challenge to detect, monitor and evaluate such defects in real-time.
In the present study the automatic processing of structured light measurements is performed and validated. The algorithm for the automatic Analysis of inspection data has an advantage over current data evaluation methods based on individual assessments of operators.
Bending beams and slabs are typical examples for structural elements used for reinforced concrete structures such as bridge girders, T-beams and bridge decks. Their strength related failure modes at maximum loading can be divided into bending and shear failure. The failure of beams loaded in bending can occur with or without indication. Therefore, conventional design concepts aim on failure modes with sufficient indication (e.g. large deflections or cracks), as it occurs in the case of secondary flexural compression failure. These indicating factors can also be used for Structural Health Monitoring (SHM) of civil infrastructure systems (e.g. bridges) to identify structural changes. In this context, non-destructive testing (NDT) methods offer different techniques for measuring deflections or crack formation and opening. However, profound knowledge on the determining failure modes of bending beams and their detection by NDT methods is required for the reliable application of SHM. Different NDT methods have been used in this study for analysing the load-bearing behaviour of a reinforced concrete beam in bending. The different measuring techniques are briefly described and their applicability is discussed by means of experimental results. For this purpose, the load-bearing behaviour of a reinforced concrete beam having a span of 2.75 m was investigated in a four-point bending flexural test at laboratory scale. The focus is on the characterization of determining failure modes by optical NDT and the comparison with classical measuring techniques (e.g. deformation measurements by displacement transducers). The bending beam was equipped with two single-mode (SM) sensor fibres. One fibre served as Distributed Optical Fibre Sensor (DOFS), whereas the other fibre contained Fibre Bragg Grating (FBG) sensors. In addition, optical deformation measurements using Digital Image Correlation (DIC) and Stereophotogrammetry (SP) were conducted.
Der durch Kräfte senkrecht zur Stabachse belastete Balken ist eines der Haupttragelemente des Stahlbetonbaus. Biegebalken finden unter anderem Anwendung in Form von Brückenträgern oder Unterzügen. Die bei maximaler Beanspruchung auftretenden Versagensformen unterteilen sich dabei in Biege- und Querkraftversagen (Schubversagen). Ein Versagen des Balkens kann je nach Versagensmechanismus mit oder ohne Vorankündigung erfolgen. Gebräuchliche Bemessungskonzepte der Baupraxis zur Dimensionierung entsprechender Tragelemente zielen auf ein Versagen mit ausreichender Vorankündigung (große Verformungen oder breite Risse) ab, wie es z.B. beim sekundären Biegedruckversagen entsteht. Für die Zustandsüberwachung von Bauwerken (z.B. Brücken) mittels zerstörungsfreier Prüftechniken sind fundierte Kenntnisse zu den bei Biegebeanspruchung auftretenden Schadensmechanismen erforderlich. Im Rahmen eines BAM-internen Projektes sollen durch praxisnahe Untersuchungen an einer brückenähnlichen Referenzstruktur unterschiedliche auf das Tragwerk einwirkende thermische und mechanische Belastungen untersucht werden und in die Entwicklung eines Monitoringsystems einfließen. Anhand der aus Biegeversuchen vorliegenden Ergebnisse wird der Einsatz unterschiedlicher Methoden der zerstörungsfreien Materialprüfung gezeigt und deren Anwendbarkeit für die Analyse des Verformungsverhaltens von Stahlbetonbalken diskutiert. Hierzu wurde das Verformungsverhalten eines Stahlbetonbalkens (L = 2,75 m) in einem Vierpunkt-Biegeversuch im Labormaßstab untersucht. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Charakterisierung der ausschlaggebenden Versagensmodi durch die einzelnen zerstörungsfreien Prüfverfahren und der Vergleich zu klassischen Messmethoden (z.B. Verformungsmessung mittels induktiver Wegaufnehmer (IWA)). Die Biegeversuche wurden dazu durch Schallemissionsanalyse (SEA) und optische Verformungsanalyse mittels Stereo-Fotogrammetrie (SF) und Bildkorrelationsverfahren (BKV) begleitet.
Within the presented research project, experimental and numerical investigations were performed to develop a thin-shelled, modular, mobile element system made of a micro-reinforced ultra-high-performance ductile concrete (DUCON®). Material parameters were experimentally determined to adapt the material model within the numerical analysis applying the Drucker-Prager relationship. Afterwards, for validation of the numerical models, quasi-static and high-velocity impact tests were performed on plate-like structures. Finally, a suitable geometry of transportable barrier elements will be designed, which provides a maximum of resistance against impact by a minimum of weight and a maximum of mobility.
Damage mechanisms analysis of reinforced concrete beams in bending using non-destructive testing
(2019)
Beams that are loaded in transverse direction are one of the main structural elements used in reinforced concrete structures. Bending beams are used, for example, in bridge girders or joists. The strength related failure modes at maximum loading can be divided into bending and shear failure that could occur with or without indication. Conventional design concepts used in practice for designing structural elements subjected to bending aim at failure modes with sufficient indication (e.g. large deflections or cracks), as it occurs in the case of secondary flexure-compression-failure. These indicators can also be used to identify structural changes of civil infrastructure systems (e.g. bridges) using non-destructive testing methods for Structural Health Monitoring (SHM). However, profound knowledge on the determining failure modes of bending beams is required for the reliable application of structural health monitoring. Therefore, resulting effects of different thermal and mechanical loads on the response of a structure are investigated by means of a bridge demonstrator. The results of this investigation are used for developing a monitoring system. Different non-destructive testing (NDT) methods have been used for analyzing the deformation behavior of a reinforced concrete beam in bending. The suitability of the different measuring techniques will be discussed by means of the obtained experimental results. For this purpose, the deformation behavior of a reinforced concrete beam having a span of 2.75 m was investigated in a four-point bending flexural test at laboratory scale. The focus is on the characterization of determining failure modes by the NDT methods and the comparison with classical measuring techniques (e.g. deformation measurements by displacement transducers). The bending tests have been accompanied by Acoustic Emission analysis (AE), optical deformation measurements using Stereophotogrammetry (SP) and Digital Image Correlation (DIC). The conducted tests have shown that the three-dimensional detection of deformations and resulting strains with optical techniques is beneficial for analyzing the damage mechanism of loaded structures and related crack formation and propagation. Optical techniques can be supplemented by acoustic emission testing which gives detailed information on crack formation and progressing damage. The combination of both techniques offers the application as efficient monitoring system for larger structures.
To examine the capability to detect and localise damage using the Measurement- and Model-based Structural Analysis (MeMoS), a small-scale truss bridge (1520 mm × 720 mm × 720 mm) made of aluminium profiles is built as a test specimen for this purpose. The truss frame of the test bridge is made of aluminium profiles with a sophisticated design of the cross-sectional area. In comparison, with solid profiles, only a fraction of the material is needed to produce the profiles, while their bending resistance decreases slightly. The profiles are built into a truss frame by connecting them by means of fastening sets made of steel. The bridge model is mounted on four steel bearings which each of them consist of a cylinder arranged between two plates. Fixed bearings are made by holding onto one end of the bridge. The bridge is subjected by an external load by placing a heavy object beneath it. At the same time, measurements can be conducted below the bridge. Therefore, the bridge specimen is elevated by attaching it on a pedestal with four columns. Damages can be induced by loosening the fastening pieces.
Die Brücken im Netz der Bundesverkehrswege sind überwiegend in einem ausreichenden bis guten Zustand. Allerdings steigt der Unterhalts- und Sanierungsaufwand aufgrund des inzwischen hohen Alters vieler Brücken sowie des ständig wachsenden Schwerlastverkehrs. Techniken zur Einschätzung der verbleibenden Lebensdauer von Brücken sowie zur dauerhaften Beobachtung des Tragverhaltens bzw. des Erfolges von Sanierungsmaßnahmen werden daher für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb dringend benötigt. Zur Evaluierung dafür geeigneter holistischer Ansätze wurde in der BAM das Projekt BLEIB - Bewertung, Lebensdauerprognose und Instandsetzung von Brückenbauwerken - ins Leben gerufen.
Ein zentrales Ergebnis des Projektes ist eine extern vorgespannte Stahlbetonbrücke als Zweifeldträger mit einer Gesamtlänge von 24 m, die für den Test verschiedenster Sensorsysteme, zur Validierung numerischer Modelle und zur Erprobung von Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen entwickelt wurde. Für die Simulation unterschiedlicher Schädigungsgrade kann die Vorspannung der Brücke variiert werden. Die Brücke wird mit beweglichen Gewichten belastet und über einen Shaker zum Schwingen angeregt.
Das Brückenmodell wurde bewusst geschädigt, indem die Vorspannung der Struktur erstmalig schrittweise bis auf null reduziert wurde. Unter der Eigenlast verformte sich die Brücke, wodurch eine Rissbildung im Beton einsetzte. Die Zugspannung, die zuvor durch die Vorspannung aufgenommen wurde, übernahm Schritt für Schritt der Beton. Als die Zugspannungen die relativ geringe Zugfestigkeit des Betons überstiegen, begann dieser zu reißen und die schlaffe Bewehrung der Struktur nahm die Spannungen auf. Dieser Versuch wurde unter anderem von Schallemissionsmessungen begleitet. Der Rissbildungsprozess konnte damit, bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Vorspannung, früh detektiert und die Risse geortet werden. Die Ergebnisse korrelieren gut mit den Ergebnissen der stereophotogrammetrischen Verformungsmessungen der Struktur.
Der Einsatz von hochfesten niedriglegierten Stählen (HSLA) ist in vielen Industriesektoren, wie dem allgemeinen Bauwesen, Offshore Strukturen, Mobilkranbau usw. unumgänglich geworden. Die steigende Nachfrage an Stählen mit einer hohen Festigkeit und gleichzeitig hervorragenden Zähigkeit stellt ein ökonomisches und ökologisches Potential dieser Stähle in Vordergrund. Aktuell gültige Normvorgaben (EN ISO 10025-6) geben den Stahlherstellern Vorgaben bezüglich der chemischen Zusammensetzung, um die geforderten mechanischen Eigenschaften erreichen zu können. Die Legierungsrouten variieren jedoch von Hersteller zu Hersteller. In Betracht der Schweißeignung dieser Stähle zeigt sich das Problem, dass diese bereits bei geringen Nb- und Ti-Mikrolegierungsunterschieden im Grundwerkstoff ein divergentes metallurgisches Verhalten in der Wärmeeinflusszone (WEZ) aufweisen.
In diesem Vortrag werden die schweiß-metallurgischen Unterschiede zwischen verschieden mikrolegiertem hochfestem Feinkornbaustahl S690QL thematisiert. Zur Prüfung der Schweißnahtfestigkeit wurden mittels eines instrumentierten DIC (ARAMIS) Systems Querzugversuche an Schweiß-Querflachzugproben durchgeführt.
Due to the high damping mechanical properties of fiberboard materials, corrugated fiberboard boxes are widely used as transport packagings of dangerous goods. Since there is risk of vertical impact within the distribution system, drop tests are performed as design type tests to assess a package’s ability to withstand damage. In this context, however, little is known regarding the transient mechanical response of a filled fiberboard box. The reason is that the nature of the packaging material presents challenges in identifying the deformation mechanisms experimentally. The aim of this work is to provide a framework for predicting the damage resistance of complete, filled corrugated fiberboard boxes which are ready for transportation. Therein, drop test finite-element simulations are used and validated by experimental results. These numerical calculation models are a valuable tool for virtual product development and contribute to the optimization of the design cycle.
Zur Bewertung der Widerstandsfähigkeit von Schutzobjekten und Bauteilen gegen Explosionsbeanspruchung führt die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) regelmäßig Sprengversuche im Realmaßstab auf einem Testgelände durch.
Solche Versuche sind planungs- und ressourcenintensiv, sodass sie zunehmend durch numerische Simulationen ergänzt bzw. ersetzt werden.
Aktuelle Forschungsarbeiten zielen darauf ab, neue Berechnungsmethoden und Materialmodelle zu entwickeln, mit denen die Bestimmung der Bauteilantwort sowie die daraus resultierende Schädigung nach einem Explosionsereignis möglich sind.
Zur Validierung solcher Ansätze ist es notwendig, systematische Versuche mit unterschiedlichen Szenarien durchzuführen, bei denen die relevanten Parameter mit Hilfe verschiedener Messmethoden aufgezeichnet werden.
Using digital twins for decision making is a very promising concept which combines simulation models with corresponding experimental sensor data in order to support maintenance decisions or to investigate the reliability. The quality of the prognosis strongly depends on both the data quality and the quality of the digital twin. The latter comprises both the modeling assumptions as well as the correct parameters of these models. This article discusses the challenges when applying this concept to realmeasurement data for a demonstrator bridge in the lab, including the data management, the iterative development of the simulation model as well as the identification/updating procedure using Bayesian inference with a potentially large number of parameters. The investigated scenarios include both the iterative identification of the structural model parameters as well as scenarios related to a damage identification. In addition, the article aims at providing all models and data in a reproducibleway such that other researcher can use this setup to validate their methodologies.
Fibre-reinforced plastics (FRP) especially carbon-fibre-reinforced polymer (CFRP) and glass-fibre-reinforced polymer (GFRP) are commonly used materials in high pressure vessels and storage units for automotive and aerospace purposes. Optical fibres are suitable to be integrated or directly applied to the surface of FRP components. Using optical fibres it is possible to monitor the distributed strain profiles and changes within the fatigue life of a pressure vessel to ensure the operational safety. Within artificial ageing experiments we used swept wavelength interferometry (SWI) based distributed strain sensing for the monitoring of commercial high-pressure composite cylinder. This artificial ageing was performed using test conditions of 503bar pressure load (service pressure 300 bar) and 89 °C for 100 h. The polyimide coated optical fibres were glued to the surface externally in circumferential and axial direction. Using distributed strain sensing (DSS) material expansion of over 0.5% were monitored with sub-centimetre spatial resolution. Within the circumferential direction we observed up to 10 % local fluctuation compared to the median strain caused by inhomogeneous material expansion, which could cause local material fatigue. In addition, we determined material degradation manifested itself as localized remaining material expansion and/or contraction. Results have been validated by other non-destructive methods like digital strip projection.