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Organisationseinheit der BAM
Surface-applied fibre optic strain sensors were investigated using a unique validation facility equipped with application-independent optical reference systems. First, different adhesives for the sensor's application were analysed regarding their material properties. Measurements resulting from conventional measurement techniques, such as thermo-mechanical analysis and dynamic mechanical analysis, were compared with measurements resulting from digital image correlation, which has the advantage of being a non-contact technique. Second, fibre optic strain sensors were applied to test specimens with the selected adhesives. Their strain-transfer mechanism was analysed in comparison with conventional strain gauges. Relative movements between the applied sensor and the test specimen were visualized easily using optical reference methods, digital image correlation and electronic speckle pattern interferometry. Conventional strain gauges showed limited opportunities for an objective strain-transfer analysis because they are also affected by application conditions.
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.
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.
Die Brücken im Netz der Bundesverkehrswege sind überwiegend in einem ausreichenden bis guten Zustand. Allerdings steigt der Unterhalts- und Sanierungsaufwand aufgrund des inzwischen hohen Alters vieler Brücken sowie des ständig wachsenden Schwerlastverkehrs. Techniken zur Einschätzung der verbleibenden Lebensdauer von Brücken sowie zur dauerhaften Beobachtung des Tragverhaltens bzw. des Erfolges von Sanierungsmaßnahmen werden daher für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb dringend benötigt. Zur Evaluierung dafür geeigneter holistischer Ansätze wurde in der BAM das Projekt BLEIB - Bewertung, Lebensdauerprognose und Instandsetzung von Brückenbauwerken - ins Leben gerufen.
Ein zentrales Ergebnis des Projektes ist eine extern vorgespannte Stahlbetonbrücke als Zweifeldträger mit einer Gesamtlänge von 24 m, die für den Test verschiedenster Sensorsysteme, zur Validierung numerischer Modelle und zur Erprobung von Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen entwickelt wurde. Für die Simulation unterschiedlicher Schädigungsgrade kann die Vorspannung der Brücke variiert werden. Die Brücke wird mit beweglichen Gewichten belastet und über einen Shaker zum Schwingen angeregt.
Das Brückenmodell wurde bewusst geschädigt, indem die Vorspannung der Struktur erstmalig schrittweise bis auf null reduziert wurde. Unter der Eigenlast verformte sich die Brücke, wodurch eine Rissbildung im Beton einsetzte. Die Zugspannung, die zuvor durch die Vorspannung aufgenommen wurde, übernahm Schritt für Schritt der Beton. Als die Zugspannungen die relativ geringe Zugfestigkeit des Betons überstiegen, begann dieser zu reißen und die schlaffe Bewehrung der Struktur nahm die Spannungen auf. Dieser Versuch wurde unter anderem von Schallemissionsmessungen begleitet. Der Rissbildungsprozess konnte damit, bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Vorspannung, früh detektiert und die Risse geortet werden. Die Ergebnisse korrelieren gut mit den Ergebnissen der stereophotogrammetrischen Verformungsmessungen der Struktur.
Within the presented research project, experimental and numerical investigations were performed to develop a thin-shelled, modular, mobile element system made of a micro-reinforced ultra-high-performance ductile concrete (DUCON®). Material parameters were experimentally determined to adapt the material model within the numerical analysis applying the Drucker-Prager relationship. Afterwards, for validation of the numerical models, quasi-static and high-velocity impact tests were performed on plate-like structures. Finally, a suitable geometry of transportable barrier elements will be designed, which provides a maximum of resistance against impact by a minimum of weight and a maximum of mobility.
Within the presented research project, experimental and numerical investigations were performed to develop a thin-shelled, modular, mobile element system made of a micro-reinforced ultra-high-performance ductile concrete (DUCON®). Material parameters were experimentally determined to adapt the material model within the numerical analysis applying the Drucker-Prager relationship. Afterwards, for validation of the numerical models, quasi-static and high-velocity impact tests were performed on plate-like structures. Finally, a suitable geometry of transportable barrier elements will be designed, which provides a maximum of resistance against impact by a minimum of weight and a maximum of mobility.
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.
Verpackungen für gefährliche Güter werden je nach Zweckbestimmung, Anwendungsbereich bzw. dem Grad der Gefährdung aus sehr unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt. Für gefährliche Flüssigkeiten sind u.a. Verpackungen aus Kunststoff (Kanister) vorgesehen. Für deren Zulassung als Transport- oder Lagerbehälter sind verschiedene experimentelle Prüfungen erforderlich. Die Innendruckprüfung (hydraulisch) ist eine dieser vorgeschriebenen Prüfungen. Im Rahmen der vorliegenden Darstellung wurden Untersuchungen an extrusionsblasgeformten Kanistern aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) verschiedener Typen durchgeführt. Ziel der Arbeiten ist es, einen Eignungsnachweis bezüglich Behälterkonstruktion, Werkstoffeigenschaften und Einsatzbedingungen im Sinne einer sicherheitstechnischen Bauartzulassung zu führen.
Ein Schwerpunkt war desweiteren die Untersuchung des Einflusses unterschiedlich schädigender Flüssigkeiten auf die mechanischen Eigenschaften des HDPE-Werkstoffes. In Experimenten zum Nachweis der Behältersicherheit verwendet man stellvertretend für die Originalflüssigkeiten sogenannte Standardflüssigkeiten. Diese sind durchaus gefährlicher als die Originalflüssigkeiten, ersparen aber für Prüfzwecke die Bevorratung einer großen Anzahl der unterschiedlichen Originalflüssigkeiten und deren Transport zum Ort der Prüfung. Mit Standardflüssigkeiten werden die erforderlichen Einwirkzeiten auf den Kunststoff von 6 Monaten bei 23 °C auf 3 Wochen unter 40 °C verkürzt. Standardflüssigkeiten sind Netzmittellösung, Essigsäure, Salpetersäure, Kohlenwasserstoffgemisch (White Spirit) und Butylacetat.
Die mit unterschiedlichen Standardflüssigkeiten vorgeschädigten Kunststoffbehälter wurden anschließend der Innendruckprüfung ausgesetzt. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Abhandlung konzentriert sich als Teilaspekt im Rahmen unmfangreicher Materialuntersuchungen von Kunststoffumschließungen auf die experimentelle Form- und Verformungsanalyse der Kanister mittels optischer 3D-Verfahren. Diese ist insbesondere für den Vergleich mit den FE-Simulationsergebnissen und zwischen verschiedenen Wekstoffen von Interesse. Die Werkstoffe haben ein unterschiedliches Schwell- und Auslängungsverhalten. Es ist wichtig zu wissen, ob es trotz unterschiedlicher Wanddickensteuerungen oder gerade mit diesen möglich ist, eine 'ähnliche' Produktgestalt zu ermöglichen.
Ein stereo-fotogrammetrisches Messverfahren wurde zur quantitativen Analyse der Bewegungssignale eines elektrischen Multi-Sensorsystems eingesetzt. Der Vergleich von Weg- und Winkel-Zeitverläufen zeigte bereits eine recht gute Übereinstimmung, verdeutlichte jedoch auch die Notwendigkeit einer weiterzuentwickelnden Kalibriermethodik. Die Stereo-Videogrammetrie hat sich als Referenzverfahren zur Analyse und Validierung dreidimensional ausgelegter elektrischer Bewegungssensorik für den Nahbereich bewährt.