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- 7.4 Baustofftechnologie (2)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (2)
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This paper deals with uncertainty considerations in damage diagnosis using the stochastic subspace-based damage detection technique. With this method, a model is estimated from data in a (healthy) reference state and confronted to measurement data from the possibly damaged state in a hypothesis test. Previously, only the uncertainty related to the measurement data was considered in this test, whereas the uncertainty in the estimation of the reference model has not been considered. We derive a new test framework, which takes into account both the uncertainties in the estimation of the reference model as well as the uncertainties related to the measurement data. Perturbation theory is applied to obtain the relevant covariances. In a numerical study the effect of the new computation is shown, when the reference model is estimated with different accuracies, and the performance of the hypothesis tests is evaluated for small damages. Using the derived covariance scheme increases the probability of detection when the reference model estimate is subject to high uncertainty, leading to a more reliable test.
Anhand verschiedener Bespiele wird diskutiert, wie Temperaturbeanspruchungen in einer Bauwerksüberwachung sichtbar werden und wie sie zu bewerten sind. Insbesondere der Einfluss auf die Zustandsbewertung im Sinne der Standsicherheit stellt häufig eine große Schwierigkeit dar. Behelfsweise besteht eine grundlegende Möglichkeit darin, ein Tragwerk immer zu seiner schwächsten Phase, d.h. in der Regel im Sommer zu beurteilen. Wie aufgezeigt, können zudem statistische Verfahren geeignet sein, Tragfähigkeitsänderungen zu detektieren.
Als wesentliche Zukunftsaufgaben werden verbesserte Detektionsalgorithmen und physikalisch begründete Modelle zum mechanischen Verhalten angesehen.
Die Akzeptanz schwingungsbasierter Verfahren zur Detektion und Lokalisierung von Schäden in der praktischen Anwendung ist alleinig von der Fähigkeit abhängig, Einflüsse aus veränderlichen Umwelt- und Betriebsbedingungen, insbesondere aber die aus der Temperatur zu eliminieren. Da die in den letzten Jahren immer wichtiger werdenden stochastischen Verfahren zur Schadensde-tektion und -lokalisierung die (statistische) Charakteristik der Messdaten bereits implizit nutzen, sind hier Entwicklung, Anpassung und Anwendung statistischer Algorithmen zur Eliminierung der variierenden Umwelteinflüsse naheliegend.
Auf der anderen Seite wird der saisonale Einfluss auf Bauwerksmessungen in sehr vielen Veröf-fentlichungen dargestellt und es werden häufig verdachtsweise begründete physikalische Zu-sammenhänge für das Verhalten aufgezeigt. Im Regelfall sind die Aussagen aber nicht experi-mentell überprüft und von eher allgemeiner Natur („Asphalt reagiert temperaturabhängig“). Ob-jektspezifische Zusammenhänge, beispielsweise über Versuch an Repräsentanten in der Klima-kammer ermittelt, könnten jedoch sehr hilfreich sein.
Dieses Dokument beschreibt das Verfahren Schallemissionsanalyse zur Detektion von Spanndrahtbrüchen in Spannbetonbrücken im Rahmen einer kontinuierlichen Überwachung. Die Überwachung mit Schallemission liefert eine Aussage über die Anzahl von Spanndrahtbrüchen innerhalb des Überwachungszeitraumes und innerhalb der Reichweite der installierten Sensoren. Mit dem Verfahren können die Spanndrahtbrüche lokalisiert werden. Auf Basis einer weitgehend automatisierten Datenanalyse stehen Informationen über Drahtbrüche kurzfristig nach dem Ereignis zur Verfügung.
Der Anwendungsbereich des Dokuments umfasst Brücken- und Ingenieurbauwerke mit Spanndrähten mit sofortigem oder nachträglichem Verbund. Spannsysteme ohne Verbund fallen nicht in den Anwendungsbereich. Die beschriebenen Verfahren können auf Spannsysteme ohne Verbund übertragen werden. Mit dem Verfahren Schallemissionsanalyse ist es nicht möglich, Spanndrahtbrüche zu finden, die vor dem Beginn der Überwachung entstanden sind.
Das Dokument richtet sich an Baulastträger, Anbieter und Betreiber von Monitoringsystemen auf Basis der Schallemissionsanalyse sowie Ingenieurbüros, welche die Ergebnisse der Überwachung bewerten und Maßnahmen daraus ableiten. Es gibt Hinweise zur Planung, Ausschreibung, Installation und zum Betrieb von Monitoringsystemen zur Detektion von Spanndrahtbrüchen mit Schallemission sowie zur Überprüfung der Funktion installierter Systeme. Zur Funktionskontrolle werden Signale mit der Referenzquelle am Bauwerk ausgelöst. Diese Signale sind zu detektieren, innerhalb der vorgegebenen Genauigkeit zu
lokalisieren und die vorgegebene Alarmkette muss angestoßen werden.
Right from the beginning of applying SHM to bridge structures it was obvious that environmental based perturbations on the measurement significantly influence the ability to identify structural damage.
Strategies are needed to classify such effects and consider them appropriately in SHM. Various methods have been developed and analyzed to separate environmental based effects from damage induced changes in the measures. Generally, two main approaches have emerged from research activity in this fields: (a) statistics based tools analyzing patterns in the data or in computed parameters and (b) methods, utilizing the structural model of the bridge taking into account environmental as well as damage based changes of stiffness values.
With the back-ground of increasing affordability of sensing and computing technology, effort should be made to increase sensitivity, reliability and robustness of procedures, separating environmental from damage caused changes in SHM measures. The contribution describes both general strategies and points out their Advantages and drawbacks. As basis, a review on relevant methods was conducted. The aim of the study is to classify approaches for separating damage describing information from environmental based perturbations in dependency of the SHM objective. And such, it is intended to describe a best practice in designing concepts for Monitoring infrastructure, naturally effected by environmental influences.
Structural health monitoring (SHM) of civil structures often is limited due to changing environmental conditions, as those changes affect the structural dynamical properties in a similar way like damages can do. In this article, an approach for damage detection under changing temperatures is presentedand applied to a beam structure. The used stochastic subspace-based algorithm relies on a reference null space estimate, which is confronted to data from the testing state in a residual function. For damage detection the residual is evaluated by means of statistical hypothesis tests. Changes of the system due to temperature effects are handled with a model interpolation approach from linear parameter varying system theory. From vibration data measured in the undamaged state at some few reference temperatures, a model of the dynamic system valid for the current testing temperature is interpolated. The reference null space and the covariance matrix for the hypothesis test is computed from this interpolated model. This approach has been developed recently and was validated in an academic test case on simulations of a mass-spring-damper. In this paper, the approach is validated experimentally on a beam structure under varying temperature conditions in a climate chamber. Compared to other approaches, the interpolation approach leads to significantly less false positive alarms in the reference state when the structure is exposed to different temperatures, while faults can still be detected reliably.
Schutzbauwerke von systemkritischen Infrastruktureinrichtungen wie Betonwände und Betonbarrieren müssen Anprallereignissen oder schweren Unfällen in einem vertretbaren Maße widerstehen können. Anprallereignisse können verschiedenster Natur sein. Hierzu zählen Steinschlag, Fahrzeug- oder Flugzeuganprall oder auch Geschosseinschlag. Geschosseinschläge bzw. Bei den Anprall- oder Impaktereignissen wird zwischen hartem und weichem Anprall unterschieden, bei hartem Anprall verformt sich der Anprallkörper nicht oder nur geringfügig, bei weichem Anprall stark.
In diesem Artikel werden Forschungsergebnisse zum harten Anprall auf bewehrte Stahlbetonplatten vorgestellt, welche über die letzten Jahre im Rahmen eines Kooperationsprojekts zwischen dem Institut für Massivbau (IMB) der Technischen Universität Dresden (TUD) und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführt wurden. Auf dem Gelände des Otto-Mohr-Labors (OML) der TUD steht hierfür ein speziell konzipierter Fallturm zur Verfügung. Der Aufbau im Fallturm lässt aktuell druckluftbeschleunigte Impaktversuche mit mittleren Anprallgeschwindigkeiten zu. Die durch Anprall geschädigten Stahlbetonplatten wurden anschließend bei der BAM mit Strahlung tomographisch untersucht. Diese Untersuchungen ermöglichen einen Blick auf die Schädigung und Rissstruktur im Inneren der Stahlbetonplatten.
Ein Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchung ist der Vergleich von Testergebnissen mit den häufig angewendeten halbempirischen Berechnungsmethoden zu den erforderlichen Wandstärken und den sich daraus ergebenden zulässigen Anprallgeschwindigkeiten. Bei diesem Vorgehen wird auch die mit analytischen Methoden abschätzbare Durchdringungsgeschwindigkeit bzw. Austrittgeschwindigkeit eines Projektils ermittelt und mit den realen Testergebnissen verglichen. Außerdem wird der Einfluss von sowohl externen als auch internen Strukturparametern auf Risse betrachtet und ein Fazit abgeleitet. Weiterhin werden laufende und zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen zum Anprall auf Betonstrukturen am IMB und der BAM genannt.
Planar tomography and numerical analysis for damage characterization of impact loaded RC plates
(2020)
The damage analysis of reinforced concrete (RC) is of high interest for reasons of effective maintenance and structural safe-ty of buildings. The damage structures of RC plates loaded by an impact were investigated, applying X-ray planar tomogra-phy and finite element method (FEM). Planar tomography allows getting three-dimensional information of the RC elements and the damage including crack, spalling and scabbing. The FEM model validated on the tomography data justifies the appli-cation for further predictions of the damage description. In this study, we investigated concrete plates of three different thick-ness subjected to impacts at different low- and medium-velocity, whereby the used impactor had a flat tip, which resulted in small penetrations on the front side and scabbing on the rear side. In order to quantify the damage, the damage volume and its distribution through the plate were computed and the correlations between degree of damage and impact velocity were found out.
Classic non-destructive fatigue crack detection methods reveal the state of the fatigue damage evolution at the moment of application, generally not under operational conditions. The here introduced crack luminescence method realizes a clear visibility of the occurred and growing crack in loaded components during operation. Different established experiments show that due to the sensitive coating a crack Formation can be detected even in early stage under the premise the crack reached the surface. The coating consists of two layers with different properties and functions. The bottom layer emits light as fluorescence under UV radiation. The top layer covers the fluorescing one and prevents the emitting of light in case of no damage at the surface. In case of surface crack occurrence, the luminescent light is clearly noticeable by visual observations and also by standard camera equipment which makes automated crack detection possible as well. It is expected that crack luminescence can increase structural safety as well as reduce costs and time for inspections and preventive maintenance.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) collaborates with TNO to develop a software framework for automated calibration of structural models based on monitoring data. The ultimate goal is to include such models in the asset management process of engineering structures. As a basis for developing the framework, a multi-span road bridge consisting of ten simply supported steel box girders was selected as a test case. Our group measured output-only vibration data from one box girder under ambient conditions. From the data, we determined eigenfrequencies and mode shapes. In parallel, we developed a preliminary structural model of the box girder for the purpose of predicting its modal properties. In this contribution, we provide an overview of the measurement campaign, the operational modal analysis, the structural modeling and qualitatively compare the identified with the predicted modes. As an outlook, we discuss the further steps in the calibration process and future applications of the calibrated model.