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Eingeladener Vortrag
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Wasserstoffinduzierte Spannungsrisskorrosion führt zu Standsicherheitsproblemen an Spannbetonbrückenbauwerken mit hochempfindlichen Spannstählen im Spannblockverfahren. An der Altstädter Brücke (Brandenburg a. d. H.) bot sich die Gelegenheit, kurz vor deren Rückbau umfangreiche Untersuchungen zur Detektion und Verifizierung dieses Schadensbildes durchzuführen und verschiedene Monitoringverfahren hinsichtlich ihrer Eignung für diese spezielle Fragestellung zu untersuchen.
Monitoring 4.0/5.0
(2021)
Mehr als 10 % des deutschen Bruttoinlandsprodukts werden für Investitionen imBausektor eingesetzt. Die unmittelbar folgende Erkenntnis, dass eine zukunftsorientierte, nachhaltige Umgestaltung unserer Gesellschaft nicht ohne einen substanziellen Beitrag des Bausektors gelingen kann, hat sich mittlerweile weitgehend durchgesetzt. Die Komplexität der zugehörigen technischen Herausforderungen ist jedoch nicht zu unterschätzen.
Fires in road tunnels constitute complex scenarios with interactions between the fire, tunnel users and safety measures. More and more methodologies for risk analysis quantify the consequences of these scenarios with complex models. Examples for complex models are the computational fluid dynamics model Fire Dynamics Simulator (FDS) and the microscopic evacuation model FDS+Evac. However, the high computational effort of complex models often limits the number of scenarios in practice. To balance this drawback, the scenarios are often simplified. Accordingly, there is a challenge to consider complex scenarios in risk analysis.
To face this challenge, we improved the metamodel used in the methodology for risk analysis presented on ISTSS 2016. In general, a metamodel quickly interpolates the consequences of few scenarios simulated with the complex models to a large number of arbitrary scenarios used in risk analysis. Now, our metamodel consists of the projection array-based design, the moving least squares method, and the prediction interval to quantify the metamodel uncertainty. Additionally, we adapted the projection array-based design in two ways: the focus of the sequential refinement on regions with high metamodel uncertainties; and the combination of two experimental designs for FDS and FDS+Evac.
To scrutinise the metamodel, we analysed the effects of three sequential refinement steps on the metamodel itself and on the results of risk analysis. We observed convergence in both after the second step (ten scenarios in FDS, 192 scenarios in FDS+Evac). In comparison to ISTSS 2016, we then ran 20 scenarios in FDS and 800 scenarios in FDS+Evac. Thus, we reduced the number of scenarios remarkably with the improved metamodel. In conclusion, we can now efficiently integrate complex scenarios in risk analysis. We further emphasise that the metamodel is broadly applicable on various experimental or modelling issues in fire safety engineering.
Based on methane from renewable resources, LNG is an alternative fuel for heavy and long-distance traffic in land transport. Contrary to its positive properties, the fuel contains risks from an explosion and extremely low temperatures for personal and infrastructure safety. CFD-models are suitable for doing risk analyses for arbitrary scenarios. For examining how to model for risk research the dispersion of LNG-vapor, this paper contains a model variant study, with an evaluation by experiments.
This paper describes the use of the CFD-code ANSYS Fluent for simulating experiments of the ‘LNG Safety Program Phase II‘. The content of the well-documented experiments was the research of the vaporization rate of LNG on land and the dispersion of LNG-vapor in the air. Based on the comparison to two experiments, overall 12 CFD-model variants with varying thermal and turbulence parameters were examined how they affect the transient LNG-vapor dispersion in air.
The definition of turbulence-boundary-condition at the domain borders had the biggest impact on modeling, followed by the turbulence model. The most accurate model variant had been applied for observing the spreading behavior of LNG-vapor in the air after evaporation on land and analyzing the influence of the LNG-composition to the dispersion. The results show that the mixture of LNG-vapor and the air in the free field is cooler than the ambient air and spreads like a heavy gas on the ground.
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.
Productivity and sustainability are key factors for the technical development of the construction sector during the next decades. Only a corresponding, goal-oriented and efficient combination of specifically developed construction materials and techniques based on innovative digital technologies and ideas will contribute to the huge societal challenges of the future. On a material level, sustainability in concrete production stands for the use of alternative binders, aggregates and reinforcing fibres in combination with bio-based additives to produce robust mixtures with a minimized CO2-footprint. On a constructional level, the focus will be on reducing manpower on site by automated techniques like additive manufacturing and by an increased use of prefabricated elements up to modular room cells, accompanied by innovative methods for the re-use of constructional elements, reduction of supplementary constructions and digitally optimized site logistics. This presentation will discuss recent developments in these fields, as well as upcoming ideas.
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.
Der Erhalt einer dauerhaft sicheren Infrastruktur erfordert neben der Berücksichtigung technisch bedingter Alterungs- und Schädigungsprozesse auch die Umsetzung aktueller gesellschaftlicher Herausforderungen wie die Integration neuer Mobilitätskonzepte, Steigerung der Resilienz gegenüber Klimawandel oder Ressourcenschonung. Die parallele Umsetzung dieser „alten“ und „neuen“ Anforderungen lässt sich nur durch räumlich und zeitlich skalenübergreifende Betrachtungen lösen, die ohne digitale Prozesse nicht möglich sein werden. Am Beispiel des Elements der Querscheinfuge in Betonstraßenoberflächen wird in diesem Vortrag aufgezeigt, wie die BAM durch Kombination diverser Projekte zu einzelnen Aspekten dieser Fragestellung in einem ganzheitlichen Konzept eines digitalen Zwillings dieses Bauelements löst.
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.
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.