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- 7.7 Modellierung und Simulation (3)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (3)
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Für die bisher der winterlichen Witterung schutzlos ausgelieferten acht Figurengruppen auf der Schlossbrücke in Berlin wurde innerhalb des vom Landesdenkmalamt Berlin und der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung initiierten Forschungsprojektes geprüft, ob und welcher Typ einer Einhausung in der Lage ist, die schädlichen Umwelteinflüsse zu reduzieren. Um den hohen konservatorischen, bauphysikalischen, bautechnischen, künstlerischen und stadträumlichen Anforderungen gerecht zu werden und mögliche Lösungen erstmalig umfassend auf ihre Effektivität zu untersuchen, war die Zusammenarbeit von Denkmalpflegern, Restauratoren, Architekten, Ingenieuren, Geologen, Materialwissenschaftlern und Bauphysikern notwendig. Das durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderte Projekt zielte darauf ab, in einem Modellvorhaben mit seinen Partnern, der Technischen Universität Dresden (Institut für Bauklimatik), der Universität Göttingen (Abt. Strukturgeologie und Geodynamik), der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (Fachgruppe 7.1, Baustoffe) und unter Beteiligung der Universität der Künste (Fachbereich Konstruktives Entwerfen und Tragwerkslehre) in Berlin, eine innovative und nachhaltige Wintereinhausungskonstruktion auf die besondere Situation der Marmorskulpturen der Schlossbrücke anzupassen und ihre Wirksamkeit zu überprüfen.
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.
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.
Es ist bekannt, dass eine Faserbewehrung die Schrumpfrissbildung in Beton vermindern kann. In der Literatur finden sich jedoch zum Teil widersprüchliche Angaben über die Wirksamkeit unterschiedlicher Faserarten, und deren Wirkungsmechanismus ist noch nicht vollständig geklärt. Fasern, die in Deutschland als Betonzusatzstoff eingesetzt werden sollen, bedürfen einer Zulassung durch das DIBt, das für den Nachweis ihrer Wirksamkeit zur Verminderung der Schrumpfrissbildung ein Prüfverfahren mit großformatigen Platten vorschreibt. In diesem Bericht werden die Ergebnisse einer Studie vorgestellt, in der die Eignung verschiedener Prüfverfahren hinsichtlich der Beurteilung der Wirksamkeit von Polymerfasern untersucht wurde. Dieser Bericht ist eine verkürzte Fassung eines Beitrags zum 52. Forschungskolloquium des DAfStb.
Zur Aufstellung einer Wärmebilanz an der Fahrbahnoberfläche von Asphaltbefestigungen wurden die zu berücksichtigenden Wärmetransportvorgänge und deren mathematische Ansätze im Rahmen eines Literaturstudiums zusammengestellt. Validierungsberechnungen anhand von Messungen an einer Betonfahrbahn haben ergeben, dass das eingesetzte Rechenprogramm alle an der Fahrbahn-oberfläche auftretenden Wärmetransportvorgänge sehr gut simulieren kann.
Der Einfluss heller Gesteinskörnungen in der Asphaltdeckschicht auf die Wärmebilanz an der Straßen-oberfläche wurde für zwei typische Bauweisen mit Asphaltdeckschicht (Autobahn bzw. Landstraße) in zwei Varianten (mit bzw. ohne hydraulisch gebundene(r) Tragschicht) mittels Parametervariation untersucht. Als klimatische Randbedingungen wurden ein extrem heißer Sommertag bzw. ein extrem kalter Wintertag in Anlehnung an die Wetterverhältnisse der Region Freiburg im Jahr 2003 zugrunde gelegt.
Im Sommer können tagsüber durch ein erhöhtes Reflexionsvermögen infolge Aufhellung der Fahrbahnoberfläche bei der Autobahn und der Landstraße große Absenkungen der Oberflächen-temperatur erzielt werden, was die Gefahr der Spurrinnenbildung vermindern kann. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit der Asphaltdeckschicht bewirkt nur wenige Kelvin Temperaturrückgang. Eine Änderung des Wärmespeichervermögens der Asphaltdeckschicht hat keinen signifikanten Einfluss auf deren Oberflächentemperatur. Im Winter ergeben sich tendenziell die gleichen Auswirkungen, aber in abgeschwächter Form, was die Gefahr der Eisbildung erhöhen und damit die Verkehrssicherheit beeinträchtigen kann. Trotz unterschiedlichem Schichtenaufbau und unterschiedlicher Stoffkennwerte differieren die Oberflächentemperaturen von Autobahn und Landstraße nur sehr wenig. Das Vorhan-densein einer hydraulisch gebundenen Tragschicht wirkt sich nicht auf die Oberflächentemperatur der Asphaltdeckschicht aus.
Mittels Regressionsanalyse wurden schließlich allgemeingültige funktionale Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen und der Oberflächentemperatur als Zielgröße aufgestellt.
The present study documents the results of an
inter-disciplinary model project that was planned with the
aim of developing an innovative winter covering system
for marble statuaries located on the Schlossbru¨cke (Berlin).
Such a system would need to fulfil the various requirements
for structural stability, aesthetics, climate and practical
use. This applied research represents the first complex
scientific study of the sustainability of a winter covering
system. The study is characterised by the use of complex
scientific instruments such as special laboratory analysis
and numerical simulation tools. The interaction between
the environment and the artefacts in connection with the
innovative winter covering structures were studied by
extensive climatic monitoring.
Vom Baustoff zum sicheren Bauwerk: Einsatz der Schallemissionsanalyse in der Bauabteilung der BAM
(2013)
Vom Baustoff zum sicheren Bauwerk: Einsatz der Schallemissionsanalyse in der Bauabteilung der BAM
(2013)
Seit 2006 wird die Schallemissionsanalyse (SEA) in der Abteilung 7 Bauwerkssicherheit der BAM genutzt, um Gefügeveränderungen in Betonen zu untersuchen. Dabei haben sich bis heute im Wesentlichen folgende vier Forschungsbereiche herauskristallisiert:
Hydratation
Während der Hydratation von Beton ist eine ausgeprägte Schallemissionsaktivität zu beobachten, anhand derer der Hydratationsverlauf nachvollzogen werden kann. Zur Aufklärung der Quellmechanismen der Schallemissionen besteht noch weiterer Forschungsbedarf. Des Weiteren kann mit Hilfe der SEA die frühe Rissbildung in Betonen, hervorgerufen durch autogenes oder plastisches Schwinden, analysiert werden.
Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR)
Bei der AKR handelt es sich um eine Reaktion alkaliempfindlicher Gesteinskörnungen mit den Alkalien des Betons bzw. mit extern, z.B. durch Tausalze, zugeführten Alkalien. Dabei werden um die oder in der Gesteinskörnung quellfähige Gele gebildet, die zu einer völligen Zerstörung des Gefüges führen können. Mit der SEA können die Rissbildung detektiert und somit die Schädigungsphasen im Verlauf der AKR identifiziert werden.
Brandverhalten
Unter Brandeinwirkung platzt die Oberfläche gefügedichter Hochleistungsbetone explosionsartig ab. Um dies zu verhindern und somit den Feuerwiderstand von Bau-teilen aus Hochleistungsbeton zu erhöhen, werden dem Beton Polypropylenfasern beigemischt. Das Schmelzen der Fasern bei einer Temperaturerhöhung trägt zu einer erhöhten Mikrorissbildung bei, die einen Spannungsabbau ermöglicht. Die SEA konnte erfolgreich eingesetzt werden, um diesen Wirkmechanismus der Fasern nachzuweisen und weiter aufzuklären.
Ermüdungsverhalten
Durch die hohen zyklischen Lasten, für die Türme und Fundamente von Windkraft-anlagen ausgelegt werden müssen, gewinnen gesicherte Kenntnisse über das Ermüdungsverhalten von Betonen an Bedeutung. Mit der SEA ist es bei hochzyklischen Belastungsversuchen an Betonen möglich, den Schädigungsgrad im Verlauf der Beanspruchung zu bestimmen. Die Schallemissionsaktivität eignet sich als Kriterium, um die Versuche bei vorab definierten Schädigungsgraden zu unterbrechen und so Proben für weitergehende Untersuchungen zu gewinnen. Diese Ergebnisse sollen perspektivisch für Überwachungssysteme für Betonbauwerke unter zyklischer Beanspruchung genutzt werden.
Alkali-silica reaction (ASR) is a chemical reaction within concrete which can lead over time to cracking and spalling. Due to the complexity of the problem, it still causes damage to concrete constructions worldwide.
The publication aims to illustrate the interdisciplinary research of the German Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) within the last 20 years, considering all aspects of ASR topics from the macro to the micro level. First, methods for characterization and assessment of ASR risks and reaction products used at BAM are explained and classified in the international context. Subsequently the added value of the research approach by combining different, preferably nondestructive, methods across all scales is explained using specific examples from a variety of research projects. Aspects covered range from the development of new test-setups to assess aggregate reactivity, to analysis of microstructure and reaction products using microscopical, spectroscopical and X-ray methods, to the development of a testing methodology for existing concrete pavements including in-depth analysis of the visual damage indicator and the de-icing salt input using innovative testing techniques. Finally, research regarding a novel avoidance strategy that makes use of internal hydrophobization of the concrete mix is presented.
ln most of the ASR-test procedures, the expansion of concrete or mortar specimens is used as an indicator to assess the ASR-potential of an aggregate or a specific concrete mix. For these tests, the specimens are stored in an ASR-provoking environment, where the reaction is accelerated by elevated temperature and humidity. To measure the length change, the storage must be interrupted for at least a few minutes. Düring the 60 °C Concrete Prism Test (60 °C-CPT), the specimens are cooled down to 20 °C for 24 hours, to ensure the same hygrothermal conditions for every measurement. This limits the number of measurements during the test period and may lead to additional effects, that probably influence the expansion development.
With a recently developed device, it is possible to continuously monitor the expansion ofprisms without interrupting the ASR-provoking storage. Due to the dense database of this automated test, the results can contribute to a better understanding of the ASR-process. This study compares results of the automated and conventional 60 °C-CPT. Tests of different aggregates showed, that the results of the automated and conventional test are consistent, but the expansions during the conventional test are generally higher. Preliminary results led to the conclusion, that the cooling for the measurements leads to additional expansions. Therefore, a modified threshold should be discussed for the automated 60 °C-CPT.
Die Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel stand bei ihrer Eröffnung im Jahr 1969 für die höchste Ingenieurskunst der damaligen Zeit und für einen in die Zukunft gerichteten Blick. Sie trug den Namen "Brücke des 20. Jahrestag", denn am 20. Jahrestag der DDR wurde die Brücke für den Verkehr freigegeben. Sie verbindet die westlichen Stadtbezirke mit dem Zentrum der Stadt Brandenburg an der Havel und wurde so von vielen Einwohner:innen genutzt. Zu Fuß, mit dem Rad, dem Auto oder mit der Straßenbahn.
50 Jahre später, im Dezember 2019, wurde bei einer Bauwerksprüfung eine starke Schadenszunahme festgestellt. Eine sofortige Sperrung für den Verkehr war unumgänglich. Das hatte es im Land Brandenburg bislang nicht gegeben und stellt einen einzigartigen Sonderfall bei der Bewertung von Bauwerken dar. Die Sperrung führte zu starken Einschränkungen für den Verkehr, für den Landesbetrieb Straßenwesen aber hatte die Sicherheit oberste Priorität.
Um die Belastung für die Stadt so gering wie möglich zu halten, hat der Landesbetrieb Straßenwesen sofort mit der Planung für Abriss und Neubau der Brücke begonnen. So gelang es innerhalb von kurzer Zeit den Rückbau umzusetzen und die Pläne für den Ersatzneubau vorzustellen.
Gleichzeitig bot sich die einmalige Gelegenheit, kurz vor dem Rückbau noch umfangreiche Untersuchungen zur Verifizierung des Schadensbilds durchzuführen und verschiedene Monitoringverfahren zum Einsatz zu bringen. Damit wurden wertvolle Erfahrungen gesammelt, die der Landesbetrieb Straßenwesen anderen Baulastträgern zur Verfügung stellen möchte. Sie ermöglichen es, bei baugleichen Bauwerken zielgerichteter handeln zu können. Die Fülle der untersuchten Aspekte ist in diesem Bericht dokumentiert.
Diese umfangreichen Untersuchungen wurden vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur finanziert. Dafür möchten wir uns herzlich bedanken. Mit großem Engagement digitabeteiligt haben sich auch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, die Technische Universität Dresden, die Hochschule für Wirtschaft und Technik Dresden sowie das Unternehmen Bilfinger Noell und die Ingenieursozietät Zech, Ruth, Blasius. Auch bei Ihnen bedankt sich der Landesbetrieb Straßenwesen.
Vielleicht nannten es die Berliner „Puppen putzen“, wenn in den 1880er Jahren die Marmorstatuen auf der Schlossbrücke vor dem Berliner Stadtschloss mit Bürste, Wasser und Seife von Staub, Ruß und Taubendreck befreit wurden. Soviel Pflege wurde diesen Göttinnen aus der griechischen Mythologie nicht immer zuteil. So haben Klima, Luftverschmutzung und der 2. Weltkrieg, wie bei anderen Kunstwerken auch, tiefe Spuren hinterlassen. Der Erhalt dieser zwischen 1847 und 1857 aufgestellten Skulpturen und vieler vergleichbarer Objekte im Stadtbild ist durch die auch heute weiter fortschreitende Schädigung des Marmors gefährdet. In den Jahren 2006 bis 2010 förderte die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) ein Projekt zur „Entwicklung und Überprüfung von Einhausungssystemen zur Reduzierung umweltbedingter Schädigungen von außenexponierten Marmorobjekten mit dem Ziel des langfristigen Erhalts in situ an einem national bedeutenden Objektkomplex, den Schlossbrückenfiguren unter den Linden, Berlin“. Geleitet und restauratorisch betreut wurde das Projekt durch das Landesdenkmalamt (LDA) Berlin. Durch die Abteilung Strukturgeologie und Geodynamik (GZG) der Georg-August Universität Göttinnen wurden die Verwitterungsmechanismen des Marmors untersucht und auf dieser Basis Anforderungen an das Schutzsystem formuliert. Anhand von numerischen Simulationen des Instituts für Bauklimatik der Technischen Universität Dresden (TUD) wurde das bauphysikalische Konzept des Einhausungssystems optimiert. Die konstruktive Gestaltung eines Prototyps und des finalen Entwurfs erfolgte durch das Fachgebiet Konstruktives Entwerfen und Tragwerkslehre der Universität der Künste Berlin. Durch den Fachbereich Baustoffe der BAM erfolgten die Realisierung des Prototyps der Einhausung sowie ein umfangreiches Klimamonitoring an den Skulpturen. Anhand dieses interdisziplinären Projektes und ergänzt durch weitere Messungen wird gezeigt, mit welchen Methoden die für die Degradation von Marmor relevanten Mechanismen untersucht werden können. Die Erkenntnisse aus dem Projekt sind die Grundlage für die Entwicklung nachhaltiger Pflege- und Schutzkonzepte für die kulturhistorisch wertvollen Skulpturen. Nur mit solchen modernen konservatorischen Programmen können die Originalskulpturen im Berliner Stadtraum erlebbar bleiben.
Voraussetzung zur Aufklärung von Fugenbewegungen in hochbeanspruchten Verkehrsflächen aus Beton ist ein neues, innovatives und sensitives Sensorsystem, welches unter den Bedingungen der Autobahnpraxis schnell und sicher in entsprechend beanspruchte Bereiche installiert werden kann und in der Lage ist, stabile und hochaufgelöste Bewegungen in mehrere Raumrichtungen zu erfassen. Das durch die BAM neu entwickelte Sensorsystem ist geeignet, um direkt in die Betonfahrbahndecke integriert zu werden und sowohl über saisonale Messbereiche als auch in hoher Auflösung entsprechende Messwerte online zu erfassen und bereit zu stellen. Das für diesen Zweck entwickelte innovative Sensorsystem kann direkt in die Rollspur auf beiden Seiten der Fuge eingebaut werden und ist dafür ausgelegt, Lkw-Überfahrungen zu widerstehen. Es ist schnell und präzise genug, um die realen Bewegungen in allen drei Raumachsen in Echtzeit erfassen zu können. Dieser Forschungsbericht beschreibt das Funktions- und Wirkschema des Sensorsystems und seine Validierung im Labor- und Feldmaßstab. Dabei wird insbesondere auch die praxisgerechte Einbau- und Nutzungsmethodik vorgestellt. Auflösungsvermögen, Robustheit und Nutzerfreundlichkeit werden am Beispiel einer Konzeptstudie auf dem Testgelände DuraBASt erprobt. Es werden grundlegende Hinweise auf den dringlichen Bedarf einer gebrauchsgerechten Beschreibung des realen Verhaltens des Bauwerks Betonstraße identifiziert.
Die mit dem Sensorsystem gewonnenen Daten können eine Grundlage für die Konzeption einer performance-basierten Bewertung von Fugenfüllsystemen in Betondecken von Bundesautobahnen bieten. Sie sind geeignet, die Funktionsmechanismen der verschiedenen Betonfahrbahnkonstruktionen besser zu verstehen und zielgerichtet konstruktive und materialtechnische Optimierungen und Fortentwicklungen von Fugenkonstruktionen und Fugenfüllsystemen in gebrauchsbezogener Weise zu entwickeln. Durch weitere Datenerhebung, -fusion und -analyse können Instandsetzungsintervalle und Lebensdauerzyklen besser abgeschätzt und geplant werden.
The fatigue process of concrete under compressive cyclic loading is still not completely explored. The corresponding damage processes within the material structure are especially not entirely investigated. The application of acoustic measurement methods enables a better insight into the processes of the fatigue in concrete. Normal strength concrete was investigated under compressive cyclic loading with regard to the fatigue process by using acoustic methods in combination with other nondestructive measurement methods. Acoustic emission and ultrasonic signal measurements were applied together with measurements of strains, elastic modulus, and static strength. It was possible to determine the anisotropic character of the fatigue damage caused by uniaxial loading based on the ultrasonic measurements. Furthermore, it was observed that the fatigue damage seems to consist not exclusively of load parallel oriented crack structures. Rather, crack structures perpendicular to the load as well as local compacting are likely components of the fatigue damage. Additionally, the ultrasonic velocity appears to be a good indicator for fatigue damage beside the elastic modulus. It can be concluded that acoustic methods allow an observation of the fatigue process in concrete and a better understanding, especially in combination with further measurement methods.
Die zielgerichtete Weiterentwicklung von Bauteilen und Konstruktionselementen im Straßenbau hochbeanspruchter Verkehrswege unserer Infrastruktur (Bundesfernstraßen) erfordert spezielle, bauteiladaptierte technische Möglichkeiten/Sensorik zur Quantifizierung des Gebrauchsverhaltens. Bei Fugen in Verkehrsflächen stellen insbesondere langsam und schnell ablaufende Plattendeformationen infolge jahreszeitlicher und verkehrlicher Beanspruchungen maßgebende Beanspruchungszustände dar. Eine Quantifizierung dieser Einwirkungen hilft bei der Weiterentwicklung sowie auch bei der Bewertung optimierter technischer Lösungen. In Forschung kompakt 17/21 „Innovative Sensorik für Fugensysteme“ wird eine neuartige, robuste Lösung der BAM zur Datenerfassung und Bauwerksmonitoring von hochbeanspruchten Verkehrsflächen aus Beton vorgestellt.
Im Dezember 2019 wurden bei einer turnusmäßigen Inspektion der B 1-Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel massive und schnell voranschreitende Schäden festgestellt. Als Ursache für die Risse entlang der Längsträger wurde das Versagen eines signifikanten Anteils der Spanndrähte der konzentrierten Spannglieder vermutet. Die Brücke wurde umgehend für den Verkehr gesperrt und im Mai 2021 gesprengt. Im Vorfeld der Sprengung wurden durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) weiterführende Untersuchungen zum Schadensbild veranlasst, welche vom Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg koordiniert und in den Bauablauf integriert wurden. Das von der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Dresden erstellte Versuchskonzept ist Bestandteil des vorangestellten ersten Teils des Beitrags [1]. Hier im zweiten Teil werden ausgewählte Ergebnisse der umfangreichen versuchsbegleitenden Mess- und Monitoringmaßnahmen beschrieben, welche in Kooperation der HTW Dresden, der Bilfinger Noell GmbH sowie der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführt wurden.
Bei einer turnusmäßigen Inspektion der B1 Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel wurden im Dezember 2019 Risse und Hohlstellen entlang der Längsträger festgestellt. Als Ursache wurde das Versagen eines signifikanten Anteils der Spanndrähte der konzentrierten Spannglieder vermutet. Die Brücke wurde umgehend für den Verkehr gesperrt und nach weiteren, umfassenden Untersuchungen im Mai 2021 abgebrochen.
Um die Sicherheit des unter der Brücke geführten Verkehrs zu gewährleisten, wurde die Brücke unter anderem mit einem Schallemissionsmesssystem überwacht. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Spanndrahtbrüche zuverlässig zu detektieren und zu lokalisieren. In dem gut einjährigen Überwachungszeitraum wurden mehr als einhundert Spanndrahtbrüche detektiert, die in einigen Bereichen der Brücke besonders konzentriert auftraten.
Vor dem Abbruch der Brücke war es möglich, den Nachweis der Detektion von Spanndrahtbrüchen mit der Schallemissionsanalyse und ihre Ortungsgenauigkeit anhand von künstlich erzeugten Drahtbrüchen zu validieren. Weiterhin konnte das sichtbare Schadensbild, Längsrisse und Hohlstellen über den Spannkanälen, auf die lokale Schädigung der Spanndrähte zurückgeführt werden. Derzeit wird ein Merkblatt erarbeitet, in dem die Erfahrungen in der bisherigen Anwendung der Schallemissionsanalyse zum Monitoring von Spanndrahtbrüchen zusammengefasst werden.
In diesem Beitrag werden die Grundlagen der Schallemissionsanalyse und die Ergebnisse der Validierungsversuche an der Brücke in Brandenburg dargestellt. Weiterhin werden die Vorteile und Grenzen der Brückenüberwachung mittels Schallemissionsanalyse sowie Maßnahmen zur Sicherstellung der Qualität und der Zuverlässigkeit diskutiert.
Bei einer turnusmäßigen Inspektion der B1 Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel wurden im Dezember 2019 Risse und Hohlstellen entlang der Längsträger festgestellt. Als Ursache wurde das Versagen eines signifikanten Anteils der Spanndrähte der konzentrierten Spannglieder vermutet. Die Brücke wurde umgehend für den Verkehr gesperrt und nach weiteren, umfassenden Untersuchungen im Mai 2021 abgebrochen.
Um die Sicherheit des unter der Brücke geführten Verkehrs zu gewährleisten, wurde die Brücke unter anderem mit einem Schallemissionsmesssystem überwacht. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Spanndrahtbrüche zuverlässig zu detektieren und zu lokalisieren. In dem gut einjährigen Überwachungszeitraum wurden mehr als einhundert Spanndrahtbrüche detektiert, die in einigen Bereichen der Brücke besonders konzentriert auftraten.
Vor dem Abbruch der Brücke war es möglich, den Nachweis der Detektion von Spanndrahtbrüchen mit der Schallemissionsanalyse und ihre Ortungsgenauigkeit anhand von künstlich erzeugten Drahtbrüchen zu validieren. Weiterhin konnte das sichtbare Schadensbild, Längsrisse und Hohlstellen über den Spannkanälen, auf die lokale Schädigung der Spanndrähte zurückgeführt werden. Derzeit wird ein Merkblatt erarbeitet, in dem die Erfahrungen in der bisherigen Anwendung der Schallemissionsanalyse zum Monitoring von Spanndrahtbrüchen zusammengefasst werden.
In diesem Beitrag werden die Grundlagen der Schallemissionsanalyse und die Ergebnisse der Validierungsversuche an der Brücke in Brandenburg dargestellt. Weiterhin werden die Vorteile und Grenzen der Brückenüberwachung mittels Schallemissionsanalyse sowie Maßnahmen zur Sicherstellung der Qualität und der Zuverlässigkeit diskutiert.
In recent years the German motorway network has seen an increase in the occurrence of damage to concrete road surfaces which can be attributed to the alkali-silica reaction (ASR). In view of the often drastically reduced life expectancy of road surfaces due to ASR, research activity in this field has notably increased. Alongside preventative measures in concrete technology, the main research focus up to now has been the development of performance-oriented testing procedures for ASR prevention. This included more specifically the accelerated simulation of climatic effects and external alkali penetration on road surfaces. The effects of mechanical pre-damage resulting from cyclic traffic loading and climatic impact had previously not been taken into consideration. Since 2011, the five-partner research group 1498 sponsored by the German Research Foundation (DFG) has been pursuing research on how simultaneous cyclic loading and external alkali penetration impacts destructive ASR in road surface concretes. The depiction of the myriad degradation and transport processes necessary for an understanding of these effects requires close interaction between experiments and their multi-scale modelling. This paper aims to focus on the aforementioned experiments by means of innovative testing techniques. The research is founded on a series of cyclic fatigue tests performed on large-format beams, both with and without previous application of a sodium chloride (NaCl) solution, with simultaneous tracking of crack development. Subsequently, smaller test specimens were extracted from the pre-damaged beams for further experiments. These included the spatial visualization and quantification of fatigue-induced cracks using micro X-ray 3D-computed tomography (3D-CT). Additionally, the effects of fatigue-induced cracks on alkali transport were investigated using Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Subsequent storage of the small-format test specimens, with and without cyclic pre-damage, in an ASR-conducive environment then provided initial findings on the influence of fatigue-induced predamage on the ASR.
The article at hand presents an investigation on crack development in three different types of strain-hardening cement-based composites (SHCC) subjected to uni-axial tensile loading. The aim of the work was to evaluate the applicability of acoustic emission (AE) measurements for determining the progressive damage within the material, as well as for differentiating the individual damage events by their origin and decisive mechanisms, such as matrix cracking, fiber pullout or fiber rupture. The acoustic emission method proved to be fully appropriate for recording and evaluating the fracture related processes in various types of SHCC. Valuable information on failure mechanisms and quantitative description of damage depending on SHCC composition was obtained and evaluated with respect to the measured stress-displacement curves and under consideration of fracture surfaces and crack patterns observed on the specimens.
Self-compacting concrete typically contains a higher content of powder materials than normal concrete. Furthermore it is assumed that the use of superplasticizers yields a more homogenous microstructure in the hardened paste. Both aspects generate a very dense microstructure, which can be assumed to cause material behaviour that differs from than normal concrete when it is exposed to elevated temperatures. However, the paste volumes in SCC can vary significantly based on the mixture composition. At a low paste volumes SCC can be very similar to normal concrete at hardened state while it can vary greatly at higher paste volumes. Since the high temperature behaviour of concrete is strongly affected by the different physical behaviour of the paste and the aggregates, it is likely that the high temperature behaviour is consequently strongly affected by the ratio of these mixture components. In the present study different SCC mixtures were observed with similar mechanical properties, but with significantly differing paste to aggregate ratios. Based on observations of the heat evolution at the fire exposed surface and at different depths inside the specimens as well as based on photogrammetric observations of the spalled dimensions, the results indicate that with increasing paste volumes the heat conductivity is reduced and as a result concrete with higher paste to aggregate ratios shows less spalling.
Two fly ash-based geopolymer concretes with quartz aggregates or with expanded clay (lightweight) aggregates were exposed to the ISO 834-1 standard fire curve in a small-scale fire test set-up. Acoustic emission measurements during fire exposure and subsequent cooling were employed to study spalling events and cracking during the tests. Optical microscopy and additional acoustic measurements were conducted after the testing to better understand the crack propagation in the samples. The testing revealed that neither of the concretes were susceptible to spalling, which is particularly notable for the concrete with quartz aggregates, as it is a high-strength concrete. This behavior is attributed to the relatively high permeability of the concretes and their low amount of chemically bound water. Significant crack formation was detected only around the temperature of the alpha–beta quartz transition (573 °C) and on cooling. Because of aggregate deformations at the quartz transition temperature, deterioration after heating was more significant in the geopolymer concrete with quartz aggregates. Crack formation also occurred in the concrete with expanded clay aggregates, caused by shrinkage of the geopolymer paste on cooling. Acoustic emission measurements proved to be a valuable tool to investigate processes during high temperature exposure.
During the past 20 years, innovative developments in concrete technology have enabled the production of ultra-high performance fibre reinforced concretes (UHPFC) for the protection and preservation of concrete structures. The main characteristics of UHPFC comprise high compressive and flexural strength as well as high ductility compared to normal strength, normal weight concrete (NSC). This paper focuses on the analysis of crack formation and crack propagation in UHPFC under tensile loading under quasistatic conditions by using acoustic emission (AE) and optical deformation analysis (ODA).
AE is a non-destructive technique to monitor the development of micro structural damage processes caused by external forces. In this context, AE allows for a continuous monitoring of changes in the microstructure (cracks) over time and the corresponding localisation by appropriate algorithms. The AE measurements were performed along with ODA at the surface of the samples in order to analyse the deformation behaviour of the samples and the crack propagation.
For the tests, a UHPFC reference mixture was developed and tested with three different volume percentages of steel fibres (1.0 V.-%, 2.0 V.-%, and 3.0 V.-%). This paper shows that the application of AE is a suitable method to analyse the crack propagation in UHPFC specimens under tensile loading and to localise the crack initiation. Furthermore, insights into the failure mechanism of the fibres are offered by the analysis of the signals of the AE measurements, which allows for a better understanding of UHPFC and its general performance.
In diesem Beitrag werden Untersuchungsergebnisse vorgestellt, die den Einfluss von Mikrosilica auf die Selbstaustrocknung und das damit verbundene autogene Schwinden der Bindemittelmatrix von Hochleistungsbetonen beschreiben. Die dadurch hervorgerufenen Schädigungsprozesse wurden mit Hilfe von zerstörungsfreien Prüfmethoden verfolgt. Dabei zeigte sich, dass eine durch äußeren Zwang bedingte Mikrorissbildung durch Schallemissionsanalyse detektiert werden kann.
Joint sealants influence decisively the performance and service life of pavements although they account for only a small fraction of the total investment. Motivated by the damages observed and the resulting, increasing maintenance efforts, the Federal German Government recognizes the need for performance-evaluated joint sealing systems with improved capability (fitness-for-purpose) and durability. A literature study showed that an identification of the actual mechanical system behavior under realistic loads as well as a prediction regarding the durability (fatigue, climatic effects) of joint sealing systems are either completely lacking in most of the relevant evaluation methods or have only been incompletely addressed previously. Furthermore an imbalance between commonly used test methodologies and the actual development status of modern modified sealing materials exists, i.e., the current test methods are not effective in evaluating the performance of tailor-made products. In this paper, the authors suggest a methodology to overcome the present situation. In contrast to the existing, predominantly empirical evaluation and selection of joint sealing materials and systems for pavements, the new approach is defined by verified performance under relevant and superimposed loads. This new approach is expected to allow a more engineered joint design. In addition to the adaptation of performance-oriented material identification tests, a special focus was placed on the development and installation of a complex test facility for the investigation of the service capability and durability of joint sealing systems in building constructions in general. This paper presents an attempt at the realization of this approach for pavement joints with the help of our new joint sealant test equipment utilizing a specific, adapted load function, which comprises cyclic movements (slow and fast acting), as well as crucial climatic exposures. The test data and its interpretation are discussed. For example, the actual mechanical behavior of the various joint sealing systems as well as the relevant maximum loading of cohesive and adhesive bonds can be deduced and used to differentiate between systems. Furthermore, information gained allows discrimination of products within the various joint sealing systems. The test results will also enable numerical simulations, e.g., of different joint designs or materials by finite element analysis. The fatigue behavior is detected by analysis of cycle-dependent changes of the mechanical system characteristics. The evaluation methodology further allows investigation of the degradation mechanisms of specific system failures and, thus, enables service life prediction by reproducing the performance of the complete system under realistic conditions. Constructional defects and material flaws can be activated and detected by the performance-related test methodology, thus identifying possible corrections to material selection and application procedures. The potential of the proposed evaluation methodology is discussed for several thermoplastic and reactive joint sealing systems.
Joint sealants influence decisively the performance and service life of pavements although they account for only a small fraction of the total investment. Motivated by the damages observed and the resulting, increasing maintenance efforts, the Federal German Government recognizes the need for performance-evaluated joint sealing systems with improved capability (fitness-for-purpose) and durability. A literature study showed that an identification of the actual mechanical system behavior under realistic loads as well as a prediction regarding the durability (fatigue, climatic effects) of joint sealing systems are either completely lacking in most of the relevant evaluation methods or have only been incompletely addressed previously. Furthermore an imbalance between commonly used test methodologies and the actual development status of modern modified sealing materials exists, i.e., the current test methods are not effective in evaluating the performance of tailor-made products. In this paper, the authors suggest a methodology to overcome the present situation. In contrast to the existing, predominantly empirical evaluation and selection of joint sealing materials and systems for pavements, the new approach is defined by verified performance under relevant and superimposed loads. This new approach is expected to allow a more engineered joint design. In addition to the adaptation of performance-oriented material identification tests, a special focus was placed on the development and installation of a complex test facility for the investigation of the service capability and durability of joint sealing systems in building constructions in general. This paper presents an attempt at the realization of this approach for pavement joints with the help of our new joint sealant test equipment utilizing a specific, adapted load function, which comprises cyclic movements (slow and fast acting), as well as crucial climatic exposures. The test data and its interpretation are discussed. For example, the actual mechanical behavior of the various joint sealing systems as well as the relevant maximum loading of cohesive and adhesive bonds can be deduced and used to differentiate between systems. Furthermore, information gained allows discrimination of products within the various joint sealing systems. The test results will also enable numerical simulations, e.g., of different joint designs or materials by finite element analysis. The fatigue behavior is detected by analysis of cycle-dependent changes of the mechanical system characteristics. The evaluation methodology further allows investigation of the degradation mechanisms of specific system failures and, thus, enables service life prediction by reproducing the performance of the complete system under realistic conditions. Constructional defects and material flaws can be activated and detected by the performance-related test methodology, thus identifying possible corrections to material selection and application procedures. The potential of the proposed evaluation methodology is discussed for several thermoplastic and reactive joint sealing systems.
Hochfeste und ultrahochfeste Stahlfaserbetone eignen sich aufgrund ihrer Eigenschaften für den Einsatz bei extremen mechanischen Beanspruchungen. Das für diesen Einsatz erforderliche duktile Bruchverhalten unter Zugbeanspruchung wird ausschließlich durch die Zugabe von geeigneten Stahlfasern und deren Wirkung in der Zementsteinmatrix erreicht. Für eine gezielte stoffliche Optimierung des Systems sind fundierte Kenntnisse zur Wirkungsweise der Stahlfasern notwendig, die bei bisherigen Untersuchungen lediglich auf Basis von klassischen Messverfahren zerstörender Prüfungen gewonnen wurden. Durch das Einbeziehen von Methoden der zerstörungsfreien Materialcharakterisierung können das Bruchverhalten hochfester und ultrahochfester Stahlfaserbetone orts- und zeitaufgelöst untersucht und die einzelnen Phasen des Schädigungsprozesses identifiziert werden. Anhand der vorliegenden Ergebnisse von Zugversuchen eines ultrahochfesten Stahlfaserbetons wird der kombinierte Einsatz von Methoden der zerstörungsfreien Materialprüfung gezeigt und deren Anwendbarkeit in der Analyse des Bruchverhaltens diskutiert. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Charakterisierung der ausschlaggebenden Versagensmodi unter Zugbelastung durch die einzelnen Verfahren und dem Vergleich zu klassischen Messmethoden (z. B. Extensometer). Die Zugversuche wurden dazu parallel durch optische Verformungsanalyse mittels Bildkorrelation (DIC), Schallemissionsanalyse (SEA) und 3-D-Computertomografie (CT) begleitet.
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 Stahlbetonbalken (L = 2,75 m) in einem 4-Punkt-Biegeversuch 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). Die Biegeversuche wurden dazu durch Schallemissionsanalyse (SEA) und optische Verformungsanalyse mittels Bildkorrelation (DIC) begleitet.
This study evaluates the sensitivity of embedded ultrasonic sensors to detect propagating cracks within concrete. Because of the sensors constant coupling to the medium, highly sensitive data analysis techniques, such as the correlation between signals and their attenuation, are applied to detect changes in the signal due to propagating cracks.
The accuracy of the detected onset of the crack is evaluated with the nondestructive testing methods acoustic emission and Digital Image Correlation. It shows that with embedded ultrasonic sensors crack propagation can be detected before it is visible on the surface of the concrete.
Die Schallemissionsanalyse (SEA) ist ein passives zerstörungsfreies Prüfverfahren. mit dem Rissbildung, Risswachstum und andere Gefügeveränderungen delektiert und lokalisiert werden können. Anhand von zwei Beispielen aus der Forschung der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) wird gezeigt welche Möglichkeiten die SEA beim Bauwerksmonitoring und bei der Untersuchung von Baustoffen bietet. Im ersten Beispiel wird die Ortung von Schallemissionen zur Verfolgung des Risswachstums in Beton eingesetzt. Weiterhin wird mit Zugversuchen an Faserbeton illustriert, dass mit der SEA Versagensmechanismen identifiziert werden können.
Hochduktiler Beton eröffnet neue Möglichkeiten bei der Instandsetzung von Bauwerken, der Herstellung dünnwandiger Bauelemente oder dem Einsatz von Dämpfungselementen in stoßartig beanspruchten Bauwerken (z.B. in Erdbebengebieten).
Die Steigerung der Duktilität kann durch die Zugabe von Kurzfasern erreicht werden. Im Falle einer Rissbildung in der Zementsteinmatrix überbrücken die Fasern den Riss, nehmen die Spannung vollständig auf und stoppen lokal das Risswachstum. Bei weiterer Steigerung der Last reißt die Matrix an anderer Stelle. Auf diese Weise wird die Rissbildung fein verteilt und es werden große Dehnungen erreicht, bevor das Bauteil versagt. Zur Optimierung der Festbetoneigenschaften müssen die Matrixfestigkeit und die Faserart sowie deren Gehalt aufeinander abgestimmt werden. Dabei sind auch die Verarbeitungseigenschaften des Frischbetons zu berücksichtigen.
Anhand der Schallemissionen kann die Rissbildung in der Matrix und die Interaktion mit den Fasern analysiert werden. So konnte in ersten Zugversuchen gezeigt werden, dass sich Schallereignisse dem Versagen der Zementsteinmatrix bzw. dem Auszug der Fasern aus der Matrix zuordnen lassen. Damit steht zur Beurteilung des mechanischen Verhaltens von hochduktilem Beton neben der Spannungs-Dehnungs-Linie ein weiteres Verfahren zur Verfügung.
This paper presents the analysis of crack propagation in strain-hardening cement-based composite (SHCC) under tensile and flexural load by using acoustic emission (AE). AE is a non-destructive technique to monitor the development of structural damage due to external forces. The main objective of this research was to characterise the cracking behaviour in SHCC in direct tensile and flexural tests by using AE. A better understanding of the development of microcracks in SHCC will lead to a better understanding of pseudo strain-hardening behaviour of SHCC and its general performance. ARAMIS optical deformation analysis was also used in direct tensile tests to observe crack propagation in SHCC materials. For the direct tensile tests, SHCC specimens were prepared with polyvinyl alcohol (PVA) fibre with three different volume percentages (1%, 1.85% and 2.5%). For the flexural test beam specimens, only a fibre dosage of 1.85% was applied. It was found that the application of AE in SHCC can be a good option to analyse the crack growth in the specimens under increasing load, the location of the cracks and most importantly the identification of matrix cracking and fibre rupture or slippage.
Over the last decades concrete has evolved from a simple mass construction material towards a sophisticated multi-component system. The design parameters for the mixture composition of concrete have significantly increased from strength based towards overall or specific performance based. As a result the variety of concrete has increased yielding a number of special concrete technologies such as Self-Compacting Concrete (SCC), High-Performance Concrete (HPC), Strain Hardening Cement Based Composites (SHCC), and many others. Due to their complex mixture compositions and a multitude of possible interactions between constituents, these concrete types are preferably composed of special components like well-defined powders and sophisticated chemical admixtures. This makes such concrete technology expensive and limits their application to regions with the required material supply chains. The paper puts focus on materials, which are less well studied in conjunction with high performance concrete, but which are available in many developing countries, and in particular sub-Saharan Africa. The paper shows how sec can be designed without polycarboxylate ether superplasticizer and well defined fillers, but with lignosulphonate, cassava starch and rice husk ash. The positive effect of well processed rice husk ashes is demonstrated. Furthermore results are presented of SHCC where typical components like polyvinyl alcohol fibres and fluy ash are replaced by sisal fibres and limestone filler, respectively. The results point out that high performance concrete applications do not have to be limited to a boundary framework with availability of well-defined raw material supply structures and sophisticated admixtures or fibres. Concepts are presented how innovative concrete technologies can be developed based on indigenous materials.
The interaction mechanism of ultrasonic waves with surface-breaking cracks in reinforced concrete has been studied. For this, a detailed numerical analysis of the medium was first conducted using the spectral finite element method. Subsequently, measurements were conducted on a reinforced beam sample before and after mechanical-load-induced cracking. It was concluded that for the considered configuration, waves passing through the cracks dominated the tip-diffracted ones. In addition, substantial changes in the travel time and amplitude of the signals were observed when cracks were present.
Severe fires at the Friedrichshain flak bunker in May 1945 destroyed or severely damaged an important part of the collection of the Kaiser-Friedrich-Museum, Berlin, today’s Bode Museum. Fragments of two marble sculptures by Tullio Lombardo, sculptor of the Italian renaissance, have survived and are now stored in the Bode Museum. In preparation for restoration, the condition of the sculptures has been documented in detail in 2010. The study revealed that the fragments are not stable enough to exhibit them in a horizontal nor in an upright position. The intention of a further study in 2012 was to find a correlation between ultrasonic velocity and mechanical properties of burned Carrara marble as a basis for stabilization measures. The results and numerous supplementary experiments show that the current condition of the sculptural fragments can not only be explained by the exposure to fire.
Remediation of Cracks Formed in Grouted Connections of Offshore Energy Structures under Static Loads
(2018)
The future energy demand necessitates the exploration of all potential energy sources both onshore and offshore. Global trend has shifted towards offshore energy, which can be obtained from either carbon intensive or renewable options, hence requiring structures such as rigs, platforms, and monopiles. Most of these structures adopt easily installable construction techniques, where lower foundation need to be connected with the super structure by mean of grouted composite joints. Generally, these composite connections have exterior sleeve, interior pile and infill grout. Being located in remote offshore conditions, connections can experience considerable adverse loading during their lifetimes. Degradations were reported inside similar connections, which were installed in last three decades. Besides, grouting in the offshore sites may often be proven difficult, which eventually leads to reduced capacity of connections in the long run. Thus, repair and rehabilitation of such connections should be planned ahead to minimize operational delays and costs in the future. This study aims at characterizing the nature of crack generation in grouted connections and thereby identifying the potential of repair using suitable repair material. Scaled grouted joints were manufactured using a novel mold, and connections were loaded under static load to visualize the main failure pattern. The failure mechanism and loading capacity are found compatible to previous results from earlier literature. Grouted connection was then repaired using cementitious injectable grout. The effectiveness of the repair system is also discussed.
The susceptibility of concrete structures due to alkali–silica reaction (ASR) can be assessed by means of ASR concrete prism testing at 60 °C, according to RILEM AAR 4.1. There, expansion of concrete prisms indicates alkali-reactivity of the examined concrete mix. This work applies in situ expansion measurement to accelerated concrete prism testing. Automated measuring facilitates both storage without the usually necessary interruptions for manual measurement and acquisition of quasi-continuousexpansion data. A comparative experimental programme showed that conventional testing resulted in stronger expansion and leaching of alkalis than automated testing. Experimental simulation of interruptions, typically associated with manual measurements in conventional testing, could prove the influence of these cooling–heating cycles. Two phenomenological approaches, frequently used for describing reaction kinetics of ASR by linking it to expansion results from ASR-testing, were validated with continuous expansion data of three types of aggregate. Experimental expansion depicted s-shaped curves similar to them of the modelling approaches. However, strong swelling recorded in the beginning of the test was not covered by the model curves. Auxiliary measurement of acoustic emissions and ultrasonic velocity helped characterising mechanisms such as hydration and cracking, which also influence prism expansion. The proposed modification of the measurement procedure provides an extended basis to analyse expansion mechanisms. Regarding data for validation of ASR-expansion models, continuous expansion results are preferable to conventional test results.
Alkali-activated materials are ideal for the repair of concrete structures in harsh environmental conditions due to their high durability in chemically aggressive environments. However, slag-based mortars, in particular, are prone to shrinkage and associated cracks. In this respect, the application of steel fibres is one solution to reduce the formation of shrinkage induced cracks and to improve post cracking behaviour of these mortars. This study investigated the influence of two different types of steel fibres on the tensile properties of two alkali-activated mortars. Direct tensile tests and single fibre pull-outs were performed to analyse the determining failure modes both on macro and micro scale. Mechanical testing was accompanied by non-destructive testing methods such as digital image correlation and acoustic emission for a detailed analysis of the fracture process.
Der 60 °C-Betonversuch ist eine in Deutschland und international verbreitete Methode um die Empfindlichkeit von Gesteinskörnungen und Betonen hinsichtlich einer Alkali-Kieselsäure Reaktion (AKR) zu prüfen. Dieser Beitrag stellt eine neuentwickelte automatisierte Variante der Prüfmethode in einem Minireaktor vor. Dabei werden die Dehnungen von Betonprismen nicht, wie beim konventionellen Test manuell, sondern automatisch in entsprechend ausgerüsteten Prüfbehältern gemessen. Neben einer Reduzierung des Messaufwands bringt die automatisierte Prüfung im Minireaktor weitere Vorteile. Die Dehnungssignale werden, anders als bei der konventionellen Messung, quasi-kontinuierlich aufgezeichnet und bilden das Expansionsverhalten der Prismen detailliert ab. Außerdem bleiben Unterbrechungen der AKR-provozierenden Lagerung aus, die bei der konventionellen Prüfung notwendig sind. Im Beitrag werden die automatisierte und konventionelle Prüfung anhand der Dehnungen von Prismen zweier Gesteinskörnungen verglichen. In Übereinstimmung mit vorhergehenden Untersuchungen sind im Minireaktor gemessene Dehnungen systematisch kleiner als manuell gemessene. Als mögliche Ursache werden Unterschiede im Auslaugverhalten experimentell untersucht. Zur Überprüfung der Einstufung der zwei Gesteinskörnungen erfolgen außerdem Referenzprüfungen in der Nebelkammerlagerung bei 40 °C.
The long-term exposure of marble objects leads to a successive deterioration of the rock fabric and may cause severe damage on cultural heritage objects. The magnitude of disintegration depends on the rock fabric as well as on the climatic conditions. Some types of marble show no considerable damage even if they have been exposed in northern Europe for several decades or centuries. In contrast, other marble varieties are showing severe damage after a few years of weathering. The present study shows that marble decay, along with the initial thermal degradation, is mainly influenced by the hygric and thermo-hygric load, respectively.
The influence of the rock fabric on the resistivity against weathering is also documented. The factors causing marble decay were compared to extensive climate data, which were collected during a scientific project that was started with the aim to develop a covering system for marble sculptures in Berlin. Based on the hygrothermal material properties of the marble and on the climatic conditions, the heat and moisture Transport inside the material and hence the hygrothermal load changes were calculated with a high spatial resolution. The calculations showed that the temperature and moisture fluctuations inside the material are mainly controlled by the dimensions and orientation of the sculptural elements.
The current state of preservation was investigated by two-dimensional ultrasonic tomography. The results show a good correlation to the calculated distribution of the hygrothermal load. Based on this finding, requirements on a protective winter shelter system for the sculptures were defined.
The project results show that in addition to protective covers, regular inspection and maintenance combined with regular cleaning ensures an effective and sustainable protection of marble objects in northern Europe.
Grouted connections are intensively used in offshore rigs, platforms as well as jacket and monopile offshore wind turbine structures. Being located in remote offshore conditions, these connections can experience considerable adverse loading during their lifetimes. Degradation was reported inside similar connections, which were installed in the last three decades. Grouting in the offshore sites may often be proven difficult, which eventually leads to reduced load-bearing capacity of connections in the long run. Thus, repair and rehabilitation of such connections should be planned ahead to minimize operational delays and costs. In this study, scaled grouted connections were manufactured using a novel mould, whose integrity were monitored using digital image correlation (DIC). The connections were loaded under static load to visualize the main failure pattern using distributed fibre optic sensors and acoustic emission (AE) analysis. Grouted connections were then repaired using a cementitious injectable grout. The effectiveness of the grout injection was monitored using dye penetration technique. Finally, specimens are reloaded to identify the potential of such repair for grouted connections.
Severe mechanical fatigue conditions for worldwide proliferating windfarms are a Major challenge for high-performance concrete in towers, connecting joints and foundations of wind turbines. High-performance concrete offers potential for the application in offshore windfarms, not only regarding its good mechanical, but also chemical resistivity due to low diffusivity in the highly densified microstructure. For a more reliable fatigue assessment, monitoring based on nondestructive testing can be a valuable complement to design rules. Both approaches demand reliable experimental data, information about scalability and the development of standardized testing methods. This article presents results of an ongoing research program of BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung), which is a part of a joint national project (WinConFat) funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. The subproject implemented by BAM examines the fatigue behavior in dependence of size and slenderness for varying concrete strength at different stress levels. Besides fatigue strength, nondestructive testing is carried out additionally.
Methods used are strain measurement and ultrasonic testing. The change of strain, stiffness and ultrasonic pulse velocity in the fatigue process is discussed. Results disclose a deeper insight into the damage process under cyclic loading of high-performance concrete and contribute to improve nondestructive monitoring.
Since ancient times, marble has been the preferred material for monuments, sculptures, Ornaments and architecture. Though the stone is often a Chosen material, long-term exposure of marble results in cumulative deterioration of the rock fabric. The rate and extent of deterioration depends on the rock fabric and the climatic conditions. Besides the thermal vulnerability of marble, a combination of thermal and hygric fluctuation accelerates the deterioration process. The weathering sensitivity of marbles can be characterised by the irreversible length change of samples after heating under thermohygric conditions as residual strain. This residual strain is a non-reversible deterioration and caused by microcracking induced by a pronounced anisotropy of the thermal dilatation coefficient of calcite.
In brittle materials like marble, cracking and crack growth or friction on crack surfaces are accompanied by release of acoustic waves. The analysis of these acoustic emissions can give a deeper insight into the deterioration mechanism of marble.
In this study, acoustic emissions of thermohygric treated marble were analysed and correlated with ultrasonic velocities, thermal dilatation and residual strains. Therefore, different types of calcitic marble were cyclically heated from 20 °C to 90 °C and after equilibration of the samples cooled down again to 20 °C. While the first cycles were performed under dry conditions, the following were
executed in a humid environment. The analysis of acoustic emissions enables one to determine when cracking occurs during the thermal treatment. It is also possible to differentiate microcracking from internal friction. Furthermore, the evolution of Deterioration can be estimated based on ultrasonic velocities. The combination of acoustic Methods and strain measurement gives an insight into the disintegration mechanism and Supports the development of prevention strategies.
SENSO JOINT - An innovative sensor system for a sustainable joint design of concrete pavements
(2020)
Inacceptable capability and durability of joint sealing systems but also inadequate traffic performance (noise emission; overrolling comfort) up to traffic safety aspects reflect the still enormous demand for data-based description of concrete pavements performance under heavy loading conditions. Especially the deformation behavior of concrete pavement slabs in the joint region in consideration of new pavement construction types and improved concrete mixtures meanwhile established but also under the steeply rising traffic loads is not sufficiently explored. To create a data basis for advanced design rules, evaluation methods and product standards - and with it to improve quality, durability and finally sustainability of pavements - an innovative 3-D sensor system SENSO JOINT adapted to german roadworking requirements and suitable for heavy-duty operating conditions was developed. The contribution introduced describes the development of an extensive technical solution based on the analysis of decisive loads, interactions and boundary conditions. Based on calibration data, results of laboratory testing and finally field-testing on different concrete pavement construction types the outcome of a multi-level evaluation process shall introduce the potential of the new sensor system.
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.
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.
The accelerated concrete prism test (ACPT-60 °C) facilitates testing of alkali-silica reactivity of aggregates within five months. Manual measurement is usually conducted to determine expansion of test specimen every 28 days. This conventional procedure gives only limited insight to expansion behaviour of ASR-affected prisms. Due to the large time intervals, expansion exceeding the critical value of 0.3 mm/m is likely to be noticed late. Continuous recording resolves this problem and delivers beneficial information on the shape of the expansion curve.
Displacement transducers integrated into a special testing equipment developed at BAM put continuous measurement into practice. Additionally, ultrasonic velocity and acoustic emissions are measured in-situ and provide deeper insights into hydration and crack formation processes during the test.
Aiming for an automated testing method close to the German guideline, the following technical and methodical challenges arise. Changing of the vertical orientation of the prisms with every manual measurement as standardised cannot be implemented. Furthermore, preliminary results already proved true that cooling and heating cycles, as necessarily associated with each manual measurement, can evoke additional expansion. Therefore, interrupted and continuously measured expansions reveal systematic differences, indicating the necessity to adjust the threshold expansion value for automated testing.
Results presented in the paper: Different types of reactive aggregate have been tested applying continuous and manual expansion measurement to the concrete specimens. Development of continuously measured ultrasonic velocity and acoustic emissions of the aggregates tested diverge significantly while the expansion curves vary in shape and maximum strain. Prisms produced from a slowly reacting aggregate do not exhibit noticeable crack formation. It shows that comprehensive measuring helps describing and distinguishing ASR-damage mechanisms.
Models of ASR-induced expansion, available in the open literature, so far are validated with discontinuous data hardly tracing the modelled curve. Continuous measurement improves validation and further model development.
Ultra-high performance fiber-reinforced concretes (UHPFRCs) are most suitable for applications with extreme mechanical loads. These extreme conditions require ductile behavior under tensile loading, which is obtained solely by the working mechanism of steel fibers. Profound knowledge on the working mechanism of the steel fibers is necessary to optimize this material. Usually, this knowledge is obtained by means of classical destructive measuring techniques. Adopting measuring techniques from non-destructive material testing helps to analyze and to identify the different stages of the fracture mechanism of UHPFRC in detail. The application of different non-destructive measuring techniques is shown exemplary on tensile tests conducted on an UHPFRC mix and its applicability for analyzing the fracture behavior of such concretes is discussed. The main focus is on the characterization of the relevant failure modes under tensile loading by the different measuring techniques and the comparison with classical measuring techniques (e.g. extensometer). The tensile tests have been analyzed by optical deformation measurements using digital image correlation (DIC), acoustic emission analysis (AE), and 3D computed tomography (CT).
At present, Wind Turbine Generators (WTGs) operating in onshore and offshore wind farms are primary sources of renewable energy around the world. Cylindrical grouted sleeve connections are usually adopted in these WTG structures to connect the upper structure and foundation for ease of installation. These structures including grouted connections experience considerable adverse loading during their lifetimes. Settlements were reported inside similar connections used in energy structures especially oil and gas platforms, which were installed in last three decades. Thus, repair and rehabilitation of such connections in existing wind structures should also be planned ahead to keep them operating in the future. The nature of failure and crack generation in grouted connections are crucial prior to adopt a strengthening strategy. This pilot study is carried out to actualize the failure mechanism in the grouted connection, when subjected to axial loading. A novel reusable scaled cylindrical grouted connection with shear keys was designed and tested for its load bearing behaviour. The mechanical test was accompanied by classical measuring techniques (e.g. displacement transducer) as well as non-destructive measuring techniques (e.g. digital image correlation (DIC), acoustic emission analysis (AE)). The failure mechanism incorporating slippage of the shear keys and cracking of the grout was investigated. The capacity and applicability of such test mould were also discussed. The knowledge is expected to pave way towards repair of deteriorated grouted connections with similar geometry and failure pattern.
The tensile behavior of strain-hardening cement-based composites (SHCC) is usually investigated on macroscopic scale by means of direct tension tests or bending tests. Additionally, the micromechanical properties of the composites are often described based on single fiber tension and pull-out tests. Such investigations, performed both on macroscopic and microscopic scales, are based on ‘classical’ force and displacement measuring techniques. Advanced test methods such as digital image correlation (DIC) and acoustic emission analysis (AE) may facilitate the identification and the analysis of the failure mechanisms in SHCC, which is important for both monitoring loaded SHCC elements and further material development and optimization. In this study, these two techniques are combined to characterize the failure mechanisms of three different types of SHCC in direct tension tests. The results are related to data of stress and strain measurements. It is shown that DIC provides detailed spatially resolved and stress related strain measurements. Furthermore, it is demonstrated that AE allows for the localization of active cracks, quantification of the damage accumulation under increasing stresses, and characterization of the dominant crack bridging mechanisms and failure modes observed in the different types of SHCC.
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.
Damage mechanisms analysis of reinforced concrete beams in bending using non-destructive testing
(2018)
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.
The worldwide spread of windfarms brings new challenges, especially for concrete structures as a part of towers, connecting joints and foundations of wind turbines. High-cyclic loadings in such structures lead to a high relevance of the subject of fatigue. A proper assessment of the fatigue strength of concrete demands therefore a basis of reliable experimental data and the development of standardized testing methods. This article presents first results of an ongoing research program of BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) which is a part of a joint project (WinConFat) funded by the German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. The subproject investigates the effects of size and slenderness of the specimens on the fatigue behaviour of high strength concrete at different stress levels. Not only the fatigue strength, but also the fatigue process itself is monitored by means of several measurement methods. Strain measurements are used to calculate the load dependent elastic modulus in the fatigue hysteresis as indicators for fatigue development. Furthermore, the application of non-destructive methods like acoustic emission analysis and ultrasonic measurement in laboratory tests gives a deeper insight into damage processes under cyclic loading. The results shall be used to improve design rules for concrete members under fatigue load and to develop or improve non-destructive techniques for in-service structural health monitoring.
The tensile behavior of strain-hardening cement-based composites (SHCC) is usually investigated on macroscopic scale by means of direct tension tests or bending tests. Additionally, the micromechanical properties of the composites are often described based on single fiber tension and pull-out tests. Such investigations, performed both on macroscopic and microscopic scales, are based on ‘classical’ force and displacement measuring techniques. Advanced test methods such as digital image correlation (DIC) and acoustic emission analysis (AE) may facilitate the identification and the analysis of the failure mechanisms in SHCC, which is important for both monitoring loaded SHCC elements and
further material development and optimization. In this study, these two techniques are combined to characterize the failure mechanisms of three different types of SHCC in direct tension tests. The results are related to data of stress and strain measurements. It is shown that DIC provides detailed spatially resolved and stress related strain measurements. Furthermore, it is demonstrated that AE allows for the localization of active cracks, quantification of the damage accumulation under increasing stresses, and characterization of the dominant crack bridging mechanisms and failure modes observed in the different types of SHCC.
The present study aims to investigate the use of geopolymer mortars as passive fire protection system for steel structures. Coal fly ashes were used as aluminosilicate source and perlite was employed as aggregate to obtain a lightweight system. In addition, a geopolymer mortar containing quartz aggregate was produced for comparison. The geopolymer mortars were applied on stainless steel plates and exposed to both, cellulosic and hydrocarbon standard fire curves, according to ISO 834-1 and EN 1363-2, respectively. Acoustic emission measurements were conducted to analyze cracking phenomena during the high temperature exposure. The resulting temperature-time curves showed that the investigated system is effective in retarding the temperature rise of the steel plates. When the cellulosic fire curve was applied, a 20 mm [0.79 in.] thick layer of lightweight geopolymer mortar protected the steel substrate from reaching the critical temperature of 500 °C [932 °F] for at least 30 minutes, avoiding the rapid decrease of its mechanical properties and thus representing an important safety measure against accidental fires. No spalling phenomena on heating were detected; however, significant cracking was observed on cooling.
This study aims at investigating the use of coal fly ash-based alkali activated mortars as passive fire protection system for steel structures. These systems are used to slow down the temperature rise of the steel substrate in case of fire. In addition, the protective system should guarantee the ability to prevent and/or mitigate steel corrosion phenomena. The behavior of a light-weight mortar was compared to that of a normal-weight mortar. Density and porosity were measured to better characterize the physical properties of the mortars. The degree of protection in case of fire was assessed by performing medium-scale fire tests. Acoustic emission measurements were conducted to analyze cracking phenomena during the high temperature exposure. The corrosion process was evaluated using an electrochemical approach in order to monitor the durability of the developed material. Preliminary results show that a 20 mm-thick layer of light-weight mortar is able to protect the steel substrate from reaching the critical temperature of 500 °C for 38 minutes in case of cellulosic fire. In addition, alkali activated mortars provide protection for carbon steel in presence of aggressive environment (i.e. presence of chlorides). The corrosion resistance is strictly related to the physical properties of the developed mortars.
Zur Vermeidung der schädigenden Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Betonbauwerken wird die Alkalireaktivität von Gesteinskörnungen getestet. Der 60°C-Betonversuch ermöglicht eine vergleichsweise schnelle Einschätzung nach fünf-monatiger Testdauer. Dazu wird die Dehnung von Betonprüfkörpern, die mit der zu testenden Gesteinskörnung hergestellt wurden, manuell alle 28 Tage gemessen. Ein alternatives, an der BAM in den vergangen Jahren entwickeltes Verfahren setzt Dehnungssensoren ein, um kontinuierlich und online zu messen. Ziel dieses MNPQ-Projektes war es ein Messmodul zu entwickeln, welches eine kontinuierliche Dehnungsmessung leicht handhabbar umsetzt. Das von der Firma Schleibinger Geräte Teubert und Greim GmbH und der BAM in Kooperation entwickelte Messmodul lässt sich entweder in die herkömmliche AKR-Prüftruhe, in einen Wärmeschrank oder einen eigens entwickelten Minireaktor einlagern. Die kontinuierliche berührungslose Dehnungsmessung mittels Wirbelstromsensoren hat sich als robust und leicht handhabbar herausgestellt. Im Rahmen des Projektes ausgeführte Messungen untersuchen Einflüsse von gegenüber dem konventionellen Test variierten Testparametern, wie u.a. der Prüfkörperzahl je Behälter und dem ausbleibenden Drehen der Prüfkörper während des Tests. Die kontinuierliche Erfassung von Schallemissionen und Ultraschallgeschwindigkeit erweist sich als interessante Option um ein umfassendes Bild der Schädigungs-, Expansions-, und Hydratationsvorgänge zu gewinnen. Der eingefügte Erfolgskontrollbericht stellt den Projektverlauf dar und zeigt Chancen des entwickelten Gerätes auf.
Alkali-activated fly ashes have been proposed for various applications where resistance against high temperatures is required, yet several details regarding the response of these materials to heat-exposure need to be clarified. In the present study, heat-induced cracking in fly ash-based alkali-activated pastes and lightweight mortars was analyzed by in-situ acoustic emission (AE) detection during complete heating-cooling cycles (up to ∼1100 °C), augmented by thermogravimetry and ex-situ SEM and XRD analyses. The applicability of the lightweight mortars as passive fire protection coatings was assessed by recording temperature-time curves of mortar-coated steel plates. Cracking during heating was limited and associated exclusively with the dehydration of the materials in the temperature range ∼90–360 °C. However, samples heated to temperatures above ∼600 °C exhibited intense cracking on cooling. This was attributed to differential deformations caused by local sintering and partial melting at the glass transition temperature, and subsequent quenching on cooling.
Die heute in der Anwendung befindlichen Bemessungskonzepte für Ermüdung von Beton stammen zum Teil noch aus den 1990er Jahren und sind speziell hinsichtlich hochfester Betone konservativ ausgelegt. Um die Vorteile von Türmen für Windkraftanlagen, vor allem auch aus hochfesten Betonen, im Zuge des geplanten Ausbaus der Windenergieversorgung in Deutschland wirtschaftlich nutzbar zu machen, müssen diese Bemessungskonzepte weiterentwickelt werden. Dafür sind umfangreiche Untersuchungen zur Ermittlung von Bruchlastwechselzahlen und zur Charakterisierung der Schädigungsentwicklung unter Ermüdungsbeanspruchung erforderlich. Allgemein anerkannte bzw. verbindliche Regelwerke oder Verfahren zur experimentellen Bestimmung der Ermüdungsfestigkeit (Bruchlastwechselzahlen) an Betonproben gibt es zurzeit aber nicht und die bisher durchgeführten Untersuchungen variieren in Parametern wie Probengeometrie, Probengröße und Prüffrequenz. Eine vergleichende Analyse der Ergebnisse der Studien und insbesondere die Übertragbarkeit auf bauteilrelevante Abmessungen ist auf dieser Grundlage nur sehr eingeschränkt möglich.
Ein großer Teil unserer Brücken wurden in den 1950er bis 1970er Jahren als Spannbetonbrücken gebaut. Mit der damals noch relativ jungen Technologie entstanden elegante, teilweise gewagte Bauwerke mit großen Spannweiten, welche die Vorteile der Materialien Stahl und Beton geschickt kombinieren. Die Standsicherheit einiger dieser Brücken ist heute gefährdet. Die Ursachen liegen in der enorm gewachsenen Belastung durch Schwerverkehr, teilweise ungenügender Wartung und in konstruktiven und Materialschwächen, die der mangelnden Erfahrung mit der Technologie in der Bauzeit geschuldet sind. Ein neuralgischer Punkt der Bauwerke sind die in den Beton integrierten Spannglieder.
Infolge von Korrosion und Ermüdung können Elemente der Spannglieder reißen, wodurch die für das Tragwerk notwendige Spannung und somit die Tragfähigkeit reduziert werden. Nicht bei allen Brücken kündigen sichtbare Risse im Beton oder auffällige Verformungen den Tragfähigkeitsverlust bzw. das finale Versagen rechtzeitig an.
Die Schallemissionsanalyse ist die derzeit einzige Methode, das Reißen einzelner Spannstähle zuverlässig und mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu detektieren. Trotzdem es schon einige Spannbetonbauwerke gibt, die mit Schallemissionsanalyse überwacht werden, ist das Verfahren noch wenig bekannt.
Außerdem fehlen technische Richtlinien, was die Ausschreibung und Vergabe von entsprechenden Aufträgen und die Bewertung der Angebote sehr erschwert. Um sowohl Baulastträger als auch Dienstleistungsanbieter in den Vergabeverfahren und im Betrieb der Monitoringsysteme zu unterstützen, hat sich eine Gruppe von Experten aus den Bereichen Bauingenieurwesen und Schallemission zum Entwurf einer Richtlinie „Detektion von Spanndrahtbrüchen mit Schallemission“ zusammengefunden. Mit diesem Beitrag wird die Richtlinie vorgestellt, deren Bearbeitung bis zur SCHALL 23 abgeschlossen sein soll.
Ein großer Teil unserer Brücken wurden in den 1950er bis 1970er Jahren als Spannbetonbrücken gebaut. Mit der damals noch relativ jungen Technologie entstanden elegante, teilweise gewagte Bauwerke mit großen Spannweiten, welche die Vorteile der Materialien Stahl und Beton geschickt kombinieren. Die Standsicherheit einiger dieser Brücken ist heute gefährdet. Die Ursachen liegen in der enorm gewachsenen Belastung durch Schwerverkehr, teilweise ungenügender Wartung und in konstruktiven und Materialschwächen, die der mangelnden Erfahrung mit der Technologie in der Bauzeit geschuldet sind. Ein neuralgischer Punkt der Bauwerke sind die in den Beton integrierten Spannglieder. Infolge von Korrosion und Ermüdung können Elemente der Spannglieder reißen, wodurch die für das Tragwerk notwendige Spannung und somit die Tragfähigkeit reduziert werden. Nicht bei allen Brücken kündigen sichtbare Risse im Beton oder auffällige Verformungen den Tragfähigkeitsverlust bzw. das finale Versagen rechtzeitig an. Die Schallemissionsanalyse ist die derzeit einzige Methode, das Reißen einzelner Spannstähle zuverlässig und mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu detektieren. Trotzdem es schon einige Spannbetonbauwerke gibt, die mit Schallemissionsanalyse überwacht werden, ist das Verfahren noch wenig bekannt. Außerdem fehlen technische Richtlinien, was die Ausschreibung und Vergabe von entsprechenden Aufträgen und die Bewertung der Angebote sehr erschwert. Um sowohl Baulastträger als auch Dienstleistungsanbieter in den Vergabeverfahren und im Betrieb der Monitoringsysteme zu unterstützen, hat sich eine Gruppe von Experten aus den Bereichen Bauingenieurwesen und Schallemission zum Entwurf einer Richtlinie „Detektion von Spanndrahtbrüchen mit Schallemission“ zusammengefunden. Mit diesem Beitrag wird die Richtlinie vorgestellt, deren Bearbeitung bis zur SCHALL 23 abgeschlossen sein soll.
problem. One reason is the sensitivity to stress corrosion cracking of the prestressing steel. Failure of prestressing wires can result in collapse of the entire structure without premature indication by transverse bending cracks or considerable deformation. The response of a structure to significant number of prestressing wire breaks was studied on a bridge in Brandenburg, Germany. Two thirds of the prestressing wires in concentrated tendons of two girders were cut before the bridge was demolished. Acoustic Emission Analysis was used to detect the wire breaks. Thus, the number of wire breaks was correlated with results of other measurement techniques, in particular strain measurements on the girders. In preparation of the measurements, the acoustic properties of the bridge were determined and the suitability of Schmidt hammer impacts as an acoustic reference source was validated.
Two test series were examined using nondestructive measuring methods by six independent laboratories before determining their compressive strength. The nondestructive test methods used were the rebound hammer and ultrasonic pulse velocity measurement. Two types of geometries were investigated: drilled cores and cubes. The measurement procedure for each of these datasets is conditioned to the geometry and is therefore different.
The first series consists of 20 drilled cores (approximately diameter/height = 10 cm/20 cm) from the 55-year-old Lahntal Viaduct near Limburg, Germany. After preparation in the first laboratory, the lateral surface of the drilled cores was tested with the rebound hammer using a given pattern. Every laboratory tested every drilled core at different locations.
Ultrasonic measurements in transmission were performed repeatedly at predefined points on the flat surfaces of the specimen.
The second series consisted of 25 newly manufactured concrete cubes of a mix with a target concrete strength class of C30/37. The edge length was 15 cm. Each laboratory received five specimens of this test series. Thus, contrary to the first series, each specimen was tested by only one laboratory. Two side faces of each cube were tested with the rebound hammer. In addition, ultrasonic measurements were performed by one laboratory. The time of flight was measured between the tested side faces of the rebound hammer at different positions.
For both series, rebound hammers were used to determine the R-value as well as the Q-value. The rebound hammer models within the laboratories were always the same, while they differed between the laboratories. The ultrasonic measurements took place with different measurement systems and couplants. Finally, both specimen series were tested destructively for compressive strength.
The dataset contains the raw data summarized in tabular form. In addition, relevant calculated data are included in some cases. For the ultrasonic measurements, the time of flight has already been converted into the ultrasonic velocity. Besides, in addition to the raw data of the compressive strength test (force, weight, and geometry values), the calculated compressive strengths and densities are also provided.
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.
Die zunehmende Anwendung hochfesten Betons in ermüdungsbelasteten Bauwerken, herausfordernde Belastungsszenarien im Bereich von On- und Offshore Windenergieanlagen bezüglich sehr hoher Lastwechselzahlen sowie das gleichzeitige Streben nach energie- und ressourcenschonendem Bauen stellen die Bemessung von Beton gegen Ermüdung vor neue Aufgaben. Eine Vielzahl von Studien beschreibt bereits die Auswirkung von Einflussfaktoren wie Mischungszusammensetzung, Feuchte, Probekörpergröße oder Belastungsart auf die Ermüdungsfestigkeit und den Ermüdungsprozess. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrien und Mischungen der in den verschiedenen Studien verwendeten Proben sind die Auswirkungen der Einflussfaktoren jedoch kaum miteinander vergleichbar. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Verbundprojekt WinConFat wurden deshalb verschiedene Einflussfaktoren gezielt an Proben mit einheitlichen Mischungen untersucht. Das durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) bearbeitete Teilprojekt fokussierte sich auf den „Einfluss der Probengeometrie und -größe auf die Ermüdung von Beton“. Neben der Erhebung von Daten zur Ermüdungsfestigkeit wurde der Ermüdungsprozess mit zerstörungsfreien Prüf- und Messmethoden untersucht. Diese Prüfmethoden wurden auch hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zur Erfassung der ermüdungsbedingten Schädigungsentwicklung an Betonbauwerken im Rahmen von Monitoringkonzepten bewertet. Untersucht wurden die Ermüdungsfestigkeiten und der Ermüdungsprozess an Zylindern mit drei unterschiedlichen Betonmischungen sowie unterschiedlicher Größe und Schlankheit. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden im Folgenden vorgestellt und diskutiert.
"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."
Recently developed new transducers for ultrasonic transmission, which can be embedded right into concrete, are now used for non-destructive permanent monitoring of concrete. They can be installed during construction or thereafter. Large volumes of concrete can be monitored for changes of material properties by a limited number of transducers. The transducer design, the main properties as well as installation procedures are presented. It is shown that compressional waves with a central frequency of 62 kHz are mainly generated around the transducer's axis. The transducer can be used as a transmitter or receiver. Application examples demonstrate that the transducers can be used to monitor concrete conditions parameters (stress, temperature,
) as well as damages in an early state or the detection of acoustic events (e.g., crack opening). Besides application in civil engineering our setups can also be used for model studies in geosciences.
The bond between polymer fibers and the surrounding cementitious matrix is essential for the development of concrete reinforcement. The single fiber pull-out test (SFPT) is the standard characterization technique for testing the bond strength. However, the different phases of debonding cannot be distinguished by the SFPT. This study investigates the debonding of different polymer fibers from the surrounding cementitious matrix with a modified SFPT and proposes methods to change the SFPT setup to generate more valuable information on the debonding mechanism. The SFPT was equipped with linear variable differential transformers (LVDT), digital image correlation (DIC) and acoustic emission (AE) analysis. The results demonstrate that the modified SFPT allows a better understanding of the different phases of debonding during fiber pull-out. Furthermore, bond strength values calculated by different methods reveal that the chemical bond of the investigated polymers is not different as reported by previous studies. Deformation measurements performed using LVDTs and DIC are suitable measuring techniques to characterize the debonding mechanism in SFPT. A correlation between recorded AE and debonding phases was not found.