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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.
Die verbesserte Sichtbarkeit fluoreszierender Materialien erhöht die Sicherheit in vielen Bereichen. Mit der 2-Monochromatoren-Methode können diese bestrahlungsunabhängig charakterisiert werden. In Hinblick auf einen Einsatz im Prüflabor (DIN EN ISO/IEC 17025) werden Vergleichsmessungen mit dem modernisierten Messplatz der BAM unter Nutzung eines Arrayspektrometers präsentiert.
Beim Transport von aggressiven und gefährlichen Gütern in Kunststoffverpackungen kann es zu unerwünschten Materialveränderungen kommen. Daher erfordert der Einsatz entsprechender Verpackungen eine genaue Kenntnis der verwendeten Werkstoffe.
Zum Transport gefährliche Flüssigkeiten sind u.a. Verpackungen aus Kunststoff (z. B. Kanister) erlaubt, wenn diese geprüft und als Gefahrgutverpackungen zugelassen sind. Eine Zulassung gilt nur für die spezifische Verpackungsbauart, welche die notwendigen Bauartprüfungen bestanden hat.
Für die Zulassung als Gefahrgutverpackung sind verschiedene experimentelle Prüfungen erforderlich. Dazu zählt die hydraulische Innendruckprüfung, Im Folgenden werden Untersuchungen an extrusionsblasgeformten Kanistern aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) verschiedener Typen vorgestellt. Ziel der Arbeiten war es, einen Eignungsnachweis bezüglich Behälterkonstruktion, Werkstoffeigenschaften und Einsatzbedingungen im Sinne einer sicherheitstechnischen Bauartzulassung zu führen. Außerdem wurden die Einflüsse unterschiedlich schädigender Flüssigkeiten auf die mechanischen Eigenschaften des HDPE-Werkstoffes untersucht.
Für die Bauartprüfung zum Nachweis der chemischen Verträglichkeit ist eine sechsmonatige Vorlagerung der Verpackungen mit Originalfüllgut vorgeschrieben. Diese Vorlagerung kann durch den Einsatz spezieller Standardflüssigkeiten auf 21 Tage bei 40° C. verkürzt werden. Die eingesetzten Chemikalien sind die sogenannten Standardflüssigkeiten, die exemplarisch für zahlreiche Stoffe bestimmte Schädigungen auslösen:
• Netzmittellösung - spannungsrissauslösend
• Essigsäure - spannungsrissauslösend
• n-Butylacetat - quellend
• Kohlenwasserstoffgemisch (White Spirit) - quellend
• Salpetersäure - oxidierend
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.
Holzschutzmittel gegen den biologischen Angriff von Insekten, Pilzen und Bakterien besitzen eine erhebliche volkswirtschaftliche Bedeutung. Zur Vermeidung einer in der DIN EN 252 beschriebenen rein visuellen Beurteilung wurde 1996 durch die BAM auf Grundlage des in der DIN 52186 enthaltenen Biegeversuchs eine alternative Strategie vorgeschlagen. In weiterführenden Untersuchungen soll ergänzend zur Prüfmaschine die Stereo-Fotogrammetrie als optisches 3D-Messverfahren eingesetzt werden. Die Entwicklung eines möglichst objektiven und technisch einfachen Nachweisverfahrens der Schutzwirkung und die vergleichende Bewertung der Aussagekraft beider Normen sind von besonderem Interesse.
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.
The effect of the wall thickness variation of blow-moulded bodies made of high-density polyethylene on an internal pressure test after prestoring the packaging with standard liquids was evaluated in experiments and simulations. The objects of the investigation were jerrycans used for the transportation and storage of dangerous goods.
The wall thickness was determined using two alternative methods to the magnetostatic measurement. These alternative methods are used for research purpose to get a volumetric model of the jerrycan wall as a geometric model for the simulation. The comparison of the experiments and the simulations of the internal pressure test were performed using the digital image correlation method. The integral strain and deformation of the whole jerrycan was detected by measuring the total mass of the jerrycan being filled with water during the internal pressure test. This is a suitable alternative to the optical measurements of local deformation by the digital image correlation method. Prestorage at 40°C without the influence of chemicals strengthens the jerrycan, whereas the swelling effect of butyl acetate and hydrocarbon mixture softens the jerrycan. The comparison with the experiment is necessary to verify the accuracy of the simulation. It shows that the deformation can be simulated more precisely by using the actual measured geometry. The weakening of the high-density polyethylene caused by a hydrocarbon mixture can be simulated using the Arrhenius equation. The aim of the simulation was to discover whether it is possible to use specimens to predict the behaviour of a packaging both after the influence of standard liquids.
Sub-aerial biofilms (SABs) are ubiquitous microbial communities that develop at the interface between hard surfaces and the atmosphere. Inherent SAB 'core-settlers' include phototrophic algae, cyanobacteria, heterotrophic bacteria and microcolonial fungi (MCF). SABs do not simply cover hard surfaces; they interact with them in myriads of ways and bind to the underlying substrate. Secretion of extracellular mucilage aids adhesion, while organic acids and acidic polysaccharides weather the surface. As protection against solar radiation, many members of the SAB consortia produce shielding pigments while the phototrophic inhabitants are laden with photosynthetic pigments. All absorb light of many wavelengths and in addition, the cells themselves scatter light. Both effects change the spectra of incoming radiation (including wavelengths that are converted to electricity by photovoltaic cells) and decrease its intensity. To quantify these effects on SABs as complex entities of organisms and pigments, we measured the spectral properties of model and natural biofilms transferred to glass. Here we show that SABs growing on solar panels and other substrates scatter incident radiation between 250 nm up to 1800 nm and block up to 70% of its transmission. Model biofilms have the advantage that their microbial components can be 'tuned' to resemble natural ones of different compositions thus providing a novel materials-testing tool.
In Chap. 1 of this book, the term Technical Diagnostics has been introduced as the examination of symptoms and syndromes to determine the nature of faults or failures of technical objects. Their characteristics in different technological areas may be of very different nature. One of them is the reaction of technical objects to deform under loads. Those loads may be induced by external forces or thermal fields resulting in mechanical or thermal stresses, respectively. Another reason of deformation is the permanent presence of internal material forces mainly caused by material processing technologies at elevated temperatures such as welding, forging, rolling, or casting and referred to as residual stresses.
Zur Verformungsanalyse einer 24 m langen, extern vorgespannten aber aufgrund von drei Stützfundamenten zwei Teilbereiche bildenden monolithischen Stahlbeton-Modellbrücke wurde ein komplett erfassendes stereo-optisches Messverfahren eingesetzt. Das Verfahren, dessen Kalibrierung sowie die experimentellen Randbedingungen werden beschrieben. Die im Fall quasistatischer Belastungsänderung gemessenen Verformungen zeigten signifikant messbare Verschiebungswerte im unteren mm-Bereich. Bei stochastischer Schwingungsanregung mit einem Shaker können in diesem für das Verfahren großen Messbereich die ersten drei resonanten Betriebsschwingformen bestimmt werden. Die realitätsnah kleinen Schwingungsamplituden sowie die begrenzte Koordinatenauflösung des bei 464 Hz Bild-folgefrequenz mit 4000 x 370 Bildpunkten betriebenen 12MP-Kamerapaares wirken sich limitierend aus. Beispielhafte Animationen zeigen die Verformungen der Modellbrücke unter Laständerung.
Der Beitrag konzentriert sich auf bildgebende Messverfahren, die der dreidimensionalen Bestimmung mechanischer, geometrischer und kinematischer Parameter von Materialien und Bauteilen dienen. Das sind hier insbesondere die Mehrbildfotogrammetrie sowie die Stereomessverfahren, die auf folgenden physikalisch-optischen Grundlagen beruhen: die zeit- und raumveränderliche Projektion von Lichtstreifensystemen, die Bildkorrelation mittels Grauwertmustern und die Verfolgung kontrastreich applizierter Punkttargets. Letztendlich werden aus den gemessenen Punktkoordinaten unterschiedlicher Dichte und Belastungszustände die gewünschten 3D-Parameter abgeleitet. Hierzu gehören z. B. die Oberflächengestalt und deren Verformung, approximierte 3D-Geometrielemente, veränderliche 6DoF-Starrkörperorientierungen, Vektorverschiebungsfelder, Oberflächendehnung, Koordinaten-Zeit-Funktionen, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Diese Kenngrößen sind beispielsweise für die Ermittlung mechanischer Werkstoffeigenschaften und -kennwerte bis hin zur Form- und Verformungsmessung von Bauteilen in gezielt quasi-statisch oder dynamisch beanspruchenden Prüfeinrichtungen wichtig. Vorteilhaft für die praktische Anwendung dieser Verfahren ist insbesondere, dass sie berührungslos arbeiten, kombiniert werden können und skalierbar sind z. B. hinsichtlich Messvolumen, Auflösung, Genauigkeit und Koordinatensystemen der zu bestimmenden 3D-Punktkoordinaten an Materialoberflächen bzw. Komponenten.
Ausgehend von der Beschreibung der messtechnischen Prinzipien dieser Verfahren sollen zwei Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Gefahrgutbehäl-terprüfung im Rahmen von Bauartzulassungen und der normungsbegleitenden Mate-rialforschung den Stand in der Anwendungspraxis aufzeigen und einen Eindruck hinsichtlich der flexiblen Einsatzmöglichkeiten dieser optischen 3D-Verfahren verdeutlichen.
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.