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Superplasticizers (SPs) have been employed in concrete technology for decades to improve the workability of concrete in its fresh state. The addition of SPs in cement-based systems affects the early properties. Although the interaction of the cement particles with various SPs has been extensively researched, there still exists limited research on the interaction of SPs with supplementary cementitious materials such as rice husk ash (RHA). This paper investigates the rheological properties and early hydration kinetics of RHA-blended systems with three types of SPs, a polycarboxylate ether (PCE) and two lignosulphonates (LS-acc and LS-ret). In rheological properties, the addition of SP causes an initial improvement of workability as the yield stress is significantly reduced. The pastes with PCE and LS-acc show a slight increase of yield stress over time whereas pastes with LS-ret tend to lower the yield stress slightly over time, further improving the workability. Without SP, pastes with RHA show a lower yield stress but an increase in plastic viscosity as cement is further replaced with RHA. The addition of the LS SPs is observed to lower the plastic viscosity but remains constant with further replacement of cement with RHA. This indicates that LS SPs further adsorbs on RHA particles and hydration products produced causing dispersion of the particles
within the system. In early hydration kinetics, pastes with PCE retard hydration and the degree of retardation is further increased with LS SPs. In the presence of RHA, the retardation of LS SP systems is significantly reduced. The pastes with PCE show more ettringite in the SEM micrographs, but is observed to be shorter needles. This indicates an initial good workability for PCE. However, C-S-H and CH were observed to be low in quantity, whereby the pastes with LS show more nucleation sites for C-S-H and CH. The ettringite needles in the LS systems were similar in quantity and more elongated in some cases but not abundant as in the PCE systems.
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.
Identifying optimal inspection and repair strategies for offshore jacket structures is a challenging task. We pre-sent an approach, which is based on recent developments in the field of risk-based operation and maintenance planning at the structural system level. The approach utilizes heuristics to define inspection and repair strate-gies at the system level and to reduce the search space of possible strategies. For each defined strategy, the expected service life cost of inspection, repair and failure is evaluated based on simulated inspection and re-pair histories. Subset simulation is applied to compute the conditional repair and failure probabilities required for this analysis. It also forms the basis for simulating inspection and repair histories. The strategy that mini-mizes the expected service life cost is the optimal one in the set of pre-selected strategies. The underlying condition and performance model accounts for the stochastic dependence among the deterioration states of the different structural elements and the structural redundancy. The approach is demonstrated in a case study considering a jacket-type frame. In this study, we essentially vary the inspection interval, the minimum num-ber of inspected components and the target reliability, and identify the combination that minimizes the ex-pected total service life cost.
A novel method for risk-based optimization of inspection and repair strategies for deteriorating structural systems has recently been proposed. The method defines heuristics at the system level to reduce the number of possible strategies. For each defined strategy, it computes the updated system failure probability conditional on simulated inspection and repair histories, and evaluates the associated costs and risk. The expected total service life costs and risk for a strategy are finally determined using Monte Carlo simulation. The optimal strategy minimizes the expected total service life costs and risk. We intend to adopt this approach to optimize inspection, monitoring and repair activities for offshore wind park support structures. As a first step, we simulate – in analogy to an offshore wind park – the service life performance of an inspected group of jacket-type frames. The performance is quantified in terms of the group’s system failure probability conditional on simulated inspection and repair histories. The underlying system model accounts for the structural redundancy of the frames and the interdependence among their failure events due to similar loading conditions. The model also captures stochastic dependence among the deterioration states of the frames. As part of the simulation process the a-priori unknown outcome of any planned inspection is generated conditional on the outcome of all previous inspections.
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.
The structural integrity of outer reinforced concrete (RC) containments of nuclear power plants provides an essential shield against external hazards. If this containment is damaged by an impact event, such as an aircraft crash, the question arises to which degree the reinforced concrete containment still has its protective capability. This concerns both purely structural protection and protection against liquids penetrating the interior of the containment. Due to the dimensions of the containment structures, it is difficult to perform real scale impact experiments, so in the past decades plate geometries at medium scale have been used for investigations. Detailed investigations on the structural behaviour of RC members or RC plates subjected to impact loading have already been presented in Just et al., Hering, Hering et al., Bracklow et al., Hille et al. and Nerger et al.
The following investigations deal with the single and multiple impact event (first hard impact and/or subsequent soft impact) on a RC specimen, which provides the basis for further investigations. A description of the test setup and the test procedure as well as a presentation of the test results from the impact tests are provided.
Furthermore, the experimental program is presented, which the damaged RC specimens are to undergo to deal with the question of how much the impact-damaged RC structure has become permeable to liquid media, such as water and kerosene, depending on the intensity of the impact. The aim of these following investigations is to develop a test setup that can be applied to investigate the liquid penetration behaviour (LPB) of small, medium, and large-scale RC members.
In addition to the liquid penetration experiments, the damaged specimens are to be examined by planar tomography to obtain the damage inside the specimen. The combination of damaging event, fluid penetration behaviour and tomography should enable a comprehensive understanding of the damage to the RC specimen.
In der aktuellen Projektphase liegt der Fokus auf der Datenaufnahme, -bearbeitung und -speiche-rung mit dem Ziel, automatisierte Auswerteverfahren einsetzen zu können. Aktuell wurden primär punktuelle Messungen an ausgewählten Messtagen aufgenommen. Die Systeme sollen so weiter-entwickelt werden, dass sie sich auch für kontinuierliche Messungen im Rahmen von Monitoring-aufgaben eignen.
Ein wichtiger Fokus bei der Auswertung ist die Kombination mit numerischen Modellen, die mithilfe von Bayesian Update Verfahren und den aufgenommenen Messdaten kalibriert und im Verlauf der Monitoringaufgabe angepasst werden sollen. Insbesondere sollen auch zeitabhängige Modelle, die eine zeitliche Entwicklung von Struktureigenschaften beinhalten (Kriechen, Schwinden, Ermüdung, Korrosion) dazu verwendet werden, die zukünftige Performance der Struktur bewerten zu können. Basierend darauf werden dann Konzepte zur Planung von Inspektion und Wartung erstellt.