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Eingeladener Vortrag
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Der Weg zur digitalen Brücke ist eingeschlagen. Im Bereich der Planung, Bauüberwachung und -ausführung wird aktuell das Building Information Modelling (BIM) eingeführt. Ist eine Brücke in der Baulast von Bund und Ländern errichtet, wird ihr Zustand im Zuge von wiederkehrenden Bauwerksprüfungen nach DIN 1076 lückenlos überwacht. Abgespeichert werden die Informationen der Überwachung in einer Datenbank (ASB-ING Teilsystem Bauwerksdaten). Aus dieser Datenbank können anschließend relevante Informationen in ein objektspezifisches Bauwerksbuch überführt werden. In dieser Datenbank werden im Vorfeld definierte Daten abgespeichert. Reine Messdaten oder aber auch die verwendeten ingenieurtechnisch-physikalischen Modelle verbleiben in der Regel bei den beauftragen Dienstleistern. Zusammengefasst existieren verschiedene parallele Insellösungen der Informationsablage. Gegenstand verschiedener Forschungsanstrengungen ist es nun Lösungen zu finden, die einen ganzheitlichen Ansatz für den Informationsfluss von der Errichtung über den Betrieb bis hin zum Abbruch eines Bauwerkes sicherstellen. Im Rahmen einer prototypischen Entwicklung wird auf Grundlage, des für die Industrie 4.0 entwickelten open source Software Framework Eclipse BaSyx, ein möglicher Lösungsansatz – die Verwaltungsschale BBox (Bridge Box) - präsentiert. Dieser Lösungsansatz stellt das physikalisch-ingenieurtechnische Modell zur Zustandsbewertung der Brücke gedanklich in den Mittelpunkt. Unter der Voraussetzung einer durchgängigen Digitalisierung der gesamten Prozessschritte innerhalb der Lebensdauer der Brücke, kann jeder Planungs- und Fertigungsschritt, die Instandhaltung einschließlich des Rückbaus erfasst werden. Das Besondere hierbei ist, dass auch die Grundlagen der Bewertung, wie Messdaten, mit abgespeichert werden. Die Modellstruktur der Verwaltungsschale erlaubt hierbei eine bedarfsgerechte Granularität hinsichtlich der Messdaten auf allen virtuellen Ebenen, um das physikalisch-ingenieurtechnisch Modell mit Daten zu versorgen. Die gewählte Form der Datenablage bildet den Grundstein für zukünftige KI-Auswertungen z.B. mit den Methoden des Maschinellen Lernens (ML). Der Zugriff auf die dafür jeweils benötigten Daten wird durch die Ablage der Daten einschließlich Metadaten und den Einsatz einer Standard S3 Schnittstelle stark vereinfacht. Der Beitrag stellt die Entwicklung und die Systemarchitektur der BBox am Beispiel von 2 Projekten dar.
The dataset presented contains ultrasonic data recorded in pulse echo mode. The investigated specimen is made of the isotropic homogeneous material polyamide and has a drill hole of constant diameter running parallel to the surface, which was scanned in a point grid using an automatic scanner system. At each measuring position, a pitch-catch measurement was performed using a sampling rate of 2 MHz. The probes used are arrays consisting of a spatially separated receiving and in-phase transmitting unit. The transmitting and receiving sides each consist of 12 point-shaped single probes. These dry-point contact (DPC) probes operate according to the piezoelectric principle at nominal frequencies of 55 kHz (shear waves) and 100 kHz (longitudinal waves), respectively, and do not require a coupling medium. The measurements are performed with longitudinal (100 kHz) and transverse (55 kHz) waves with different geometric orientations of the probe on the measurement surface. The data presented in the article provide a valid source for evaluating reconstruction algorithms for imaging in the low-frequency ultrasound range.
Das vorliegende Arbeitspapier stellt den Stand des Wissens und der Forschung zum Einsatz von Sensorik in Straßenbefestigungen zur Erfassung von Eingangsgrößen und Merkmalen für die Substanzbewertung zusammenfassend dar. Unter Sensorik versteht dieses Arbeitspapier ganz allgemein technische Einrichtungen, mit denen man die Werte von physikalischen Größen erfassen und zur Interpretation darstellen kann.
Development of an Accurate and Robust Air-Coupled Ultrasonic Time-of-Flight Measurement Technique
(2022)
Ultrasonic time-of-flight (ToF) measurements enable the non-destructive characterization of material parameters as well as the reconstruction of scatterers inside a specimen. The time-consuming and potentially damaging procedure of applying a liquid couplant between specimen and transducer can be avoided by using air-coupled ultrasound. However, to obtain accurate ToF results, the waveform and travel time of the acoustic signal through the air, which are influenced by the ambient conditions, need to be considered. The placement of microphones as signal receivers is restricted to locations where they do not affect the sound field. This study presents a novel method for in-air ranging and ToF determination that is non-invasive and robust to changing ambient conditions or waveform variations. The in-air travel time was determined by utilizing the azimuthal directivity of a laser Doppler vibrometer operated in refracto-vibrometry (RV) mode. The time of entry of the acoustic signal was determined using the autocorrelation of the RV signal. The same signal was further used as a reference for determining the ToF through the specimen in transmission mode via cross-correlation. The derived signal processing procedure was verified in experiments on a polyamide specimen. Here, a ranging accuracy of <0.1 mm and a transmission ToF accuracy of 0.3μs were achieved. Thus, the proposed method enables fast and accurate non-invasive ToF measurements that do not require knowledge about transducer characteristics or ambient conditions.
Corrosion of concrete reinforcement is one of the major damage mechanisms affecting both the load-bearing capacity and the serviceability of re-inforced concrete structures significantly. When externally discernible damages are observed during visual inspections on the structure, the extent of the damage inside the concrete is often already significant. Corrosion caused by carbonation often leads to severe discoloration of the surface or even large-area spalling of the concrete cover. In contrast, chloride-induced corrosion is usually difficult to observe visually but can cause much more serious damage in less time. The effect occurs locally and can lead to weakening of the cross-section of the reinforce-ment. This, in turn, can cause sudden structural collapses without prior notice.
In the meanwhile, various non-destructive and minimally invasive testing methods are available to evaluate the resistance to penetration of corrosion-pro-moting pollutants and to detect active corrosion. In this paper, a bridge crossing the river Regen is used as a case-study to demonstrate how the information ob-tained applying different testing methods can be combined and evaluated in the context of structural reassessments. Both the results of the permeability testing and the electrical resistance measurement are considered, as well as active corro-sion areas are localized using the half-cell potential mapping combined with the concrete cover measurement with the eddy current method and ground penetrat-ing radar. The results are evaluated using drill cores and in addition laser-induced breakdown spectroscopy was applied to obtain information about possible chlo-ride ion transport into the concrete.
Digitaler Zwilling: Verwaltungsschale BBox als Datenablage über den Lebenszyklus einer Brücke
(2021)
Auf dem Weg zur digitalen Brücke existieren bereits erste Lösungen, die den Lebenszyklus einer Brücke abbilden können. Für die Planung, den Bau und den Unterhalt stehen unterschiedlichste Werkzeuge, z. B. BIM, DIN 1076, SIB-Bauwerke, Monitoring etc. zur Verfügung, die jeweils mit unterschiedlichen Datenformaten arbeiten. Für ein intelligentes Erhaltungsmanagement müssen aber alle Daten mit den verschiedenen Datenformaten zusammengeführt, abgelegt und so verwaltet werden können, dass über den gesamten Lebenszyklus einer Brücke die Abbildung eines ganzheitlichen digitalen Zwillings eines Bauwerks möglich ist. Die Autoren haben dafür mit BBox den Prototyp einer Verwaltungsschale (VWS) auf Grundlage von Industrie 4.0 entwickelt. Damit wird das physikalisch-ingenieurtechnische Modell zur Zustandsbewertung der Brücke in den Mittelpunkt gestellt und der gesamte Lebenszyklus einer Brücke kann unabhängig von Datenformaten digital erfasst werden. Da der Aufbau der VWS durch die Granularität optimal strukturiert ist, bietet die Ablage und Einspeisung von Messdaten sowohl die Grundlage eines Live-Monitorings als auch den Grundstein für maschinelles Lernen (ML). Der Datenzugriff via S3-Schnittstelle erleichtert die Entwicklung von eigenen Prognosemodellen mit Informationsmustern (SHIP – Structural Health Information Pattern). Am Beispiel der Heinrichsbrücke Bamberg wird die praktische intelligente Umsetzung des Bauwerksmonitorings inkl. VWS mit Informationsmustern und ML gezeigt.
"The reassessment of bridges continues to take great importance both nationally and internationally. A major challenge is to find computation models reflecting the actual properties of the considered structures sufficiently accurate. Besides regular inspections, the conduction of advanced measurements is suitable to generate reliable information about a structure to be assessed. Prior to incorporating measurement results in reassessment, the relevance, the trueness, and the precision of the measured information needs to be stated. On the one hand, the use of information whose quality has not been assessed can lead to errors with serious consequences. On the other, the measurement of irrelevant information is inefficient. Although the use of measured data in assessment is currently mostly unregulated, their appreciation in reliability analyses is beneficial since the built environment can be assessed more realistically. Utilizing NDT in reassessment has the potential to extend remaining lifetimes of a structure, save resources, and improve infrastructural availabilities. The power of judgment regarding the decision on the reliability of an existing structure can be increased.
In this contribution, an approach is outlined to process non-destructively gathered measurement data in a comparableway in order to include themeasured information in probabilistic reliability assessments of existing structures. An essential part is the calculation of measurement uncertainties. The effect of incorporating evaluated NDT-results is demonstrated by means of a prestressed concrete bridge and GPR measurements conducted on this bridge as a case-study. The bridge is assessed regarding SLS Decompression using the NDT-results."
Making optimal decisions about the reliability of existing structures requires that the information used in assessment adequately represents the properties and the condition of the structures. The knowledge gap regarding a structure to be assessed can be successively filled by individually purposeful observations on site. This paper gives an overview of an approach for utilizing nondestructively gathered measurement results in reliability assessment of existing structures. An essential part of measurement-based stochastic modeling of basic variables is the calculation of measurement uncertainties, which serves to establish confidence in measurement, to ensure the comparability of unambiguously expressed measurement results, and to quantify the quality of the measured information. Regarding the current discourse on how to treat information collected on-site in the context of assessment, the authors recommend that measurement uncertainty becomes an uncertainty component mandatorily to be represented in measurement-based stochastic models. The main steps of the proposed concept are presented, and the advantages of its application are emphasized by means of a prestressed concrete bridge as case study. The bridge is assessed regarding the serviceability limit state decompression using ultrasonic and radar data measured at the structure.
Each engineering decision is based on a number of more or less accurate information. In assessment of existing structures, additional relevant information collected with on-site inspections facilitate better decisions. However, observed data basically represents the physical characteristic of interest with an uncertainty. This uncertainty is a measure of the inspection quality and can be quantified by expressing the measurement uncertainty. The internationally accepted rules for calculating measurement uncertainty are well established and can be applied straightforwardly in many practical cases. Nevertheless, the calculations require the occasionally time-consuming development of an individually suitable measurement model. This contribution attempts to emphasize proposals for modelling the non-destructive depth measurement of tendons in concrete using the ultrasonic echo technique. The proposed model can serve as guideline for the determination of the quality of the measured information in future comparable inspection scenarios.
Existing concrete structures were usually designed for lifetimes of several decades. The current and urgently required efforts to increase sustainability and protect the environment will likely result in extended service lives up to 100 years. To achieve such objectives, it is required to assess structures over their entire lifecycles. Non-destructive testing (NDT) methods can reliably support the assessment of existing structures during the construction, operational, and decommissioning phases. One of the most important and safety-relevant components of a prestressed concrete structure are the tendons. NDT methods such as the ultrasonic echo method are suitable for both the detection and the localization of the tendons, i.e., the measurement of their geometrical position inside the component. The uniqueness of structures, concrete heterogeneity, and varying amounts of secondary components such as the reinforcement represent obstacles in the application of these methods in practice. The aim of this contribution is to demonstrate a practicable procedure, that can be used in the field to determine the parameters required for the measuring data analysis without extensive knowledge about the investigated components. For this purpose, a polyamide reference specimen is used to show which steps are required to obtain reliable imaging information on the position of tendons from the measurement data. The procedure is then demonstrated on a concrete test specimen that covers various relevant and practice-oriented test scenarios, such as varying tendon depths and component thicknesses.
The acquisition and appropriate processing of relevant information about the considered system remains a major challenge in assessment of existing structures. Both the values and the validity of computed results such as failure probabilities essentially depend on the quantity and quality of the incorporated knowledge. One source of information are onsite measurements of structural or material characteristics to be modeled as basic variables in reliability assessment. The explicit use of (quantitative) measurement results in assessment requires the quantification of the quality of the measured information, i.e., the uncertainty associated with the information acquisition and processing. This uncertainty can be referred to as measurement uncertainty. Another crucial aspect is to ensure the comparability of the measurement results.This contribution attempts to outline the necessity and the advantages of measurement uncertainty calculations in modeling of measurement data-based random variables to be included in reliability assessment. It is shown, how measured data representing time-invariant characteristics, in this case non-destructively measured inner geometrical dimensions, can be transferred into measurement results that are both comparable and quality-evaluated. The calculations are based on the rules provided in the guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM). The GUM-framework is internationally accepted in metrology and can serve as starting point for the appropriate processing of measured data to be used in assessment. In conclusion, the effects of incorporating the non-destructively measured data into reliability analysis are presented using a prestressed concrete bridge as case-study.
ZfPStatik bezeichnet die Verwendung von statistisch bewerteten Messergebnissen, die mit zerstörungsfreien Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau) gewonnen werden und in statischen Berechnungen zum Nachweis der Tragfähigkeit verwendet werden. Dazu ist die Ermittlung der Messunsicherheit der Versuchsdaten auf der Basis des GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) der erste Schritt. Der statische Nachweis erfolgt durch Grenzzustandsgleichungen, die im Bauwesen angewandt werden. Diese müssen modifiziert werden, so dass jede Messgröße als Zufallsvariable in der Grenzzustandsgleichung vorhanden ist. Der statische Nachweis erfolgt mit probabilistischen Berechnungsmethoden aus der Zuverlässigkeitstheorie. Diese Vorgehensweise wird exemplarisch für den Standsicherheitsnachweis eines Plattenbalkenquerschnitts einer Stahlbetonbrücke auf Biegung angewandt. Auf die möglichen Schlussfolgerungen aus den probabilistischen Berechnungen wird abschließend kurz eingegangen.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfPBau-Verfahren) sind auch im Bauwesen stets an praxisrelevante Prüfaufgaben gekoppelt. Die Ermittlung beispielsweise eines Ist-Zustandes im Vorfeld einer Betoninstandsetzung oder die Ermittlung von Schadensursache und Schadensumfang als Folge wiederkehrender Untersuchungen von Brücken nach DIN 1076 sind etablierte Anwendungsgebiete der ZfPBau. Mit der Einführung der Nachrechnungsrichtlinie für Straßenbrücken im Jahr 2011 hat die Nachfrage nach ZfPBau-Dienstleistungen einerseits stark zugenommen, andererseits eröffnet sie Möglichkeiten, in statischen Nachweisen die tatsächlichen Eigenschaften bestehender Konstruktionen rechnerisch anzusetzen. Dazu aber müssen Messergebnisse statistisch bewertet werden können. Dies geschieht durch eine einheitliche Ermittlung der Messunsicherheit, mit der die Voraussetzungen geschaffen werden, um Messergebnisse von ZfPBau-Verfahren in statischen Berechnungen verwenden zu können. Im folgenden Beitrag wird gezeigt, wie Messgrößen der ZfPBau als (stochastische) Basisvariablen in probabilistische Nachweise zur Berechnung der Zuverlässigkeit einfließen können, indem Grenzzustandsgleichungen modifiziert werden. Mit dieser Vorgehensweise sind weitere Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen möglich.
Gegenüber dem Neubauentwurf können bei der Bewertung von bestehender Bausubstanz Sicherheitsreserven genutzt werden, da Unsicherheiten, die beim Bau auftreten können, besser bekannt oder nicht mehr vorhanden sind. Können solche Unsicherheiten genauer bewertet werden, z. B. durch die Feststellung der genauen Lage der Spannglieder bei einer Spannbetonbrücke, so können Sicherheitsbeiwerte reduziert werden, ohne dass es dabei zu Auswirkungen auf das normativ festgelegte Zuverlässigkeitsniveau kommt. Mittlerweile sind Prüfmethoden an Bauwerken wirtschaftlich einsetzbar und auch so leistungsfähig, dass die für die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit wesentlichen Parameter identifiziert werden können. Ein wesentlicher Punkt ist hierbei die Integration derartiger Messergebnisse in Rechenmodelle, die für die Nachrechnung des Bauwerks verwendet werden. Dies können sowohl semiprobabilistische Rechenmodelle als auch vollprobabilistische Modelle sein. Bei semiprobabilistischen Methoden können aus den Messergebnissen Teilsicherheitsbeiwerte berechnet und abgeleitet werden, die dann in den bekannten Nachweisformaten gemäß den Eurocodes und der Nachrechnungsrichtlinie berücksichtigt werden. Bei vollprobabilistischen Nachweisen können die Messdaten in Form von Verteilungsdichtefunktionen mit gemessenen Variationskoeffizienten direkt in das Rechenmodell eingehen. In einer dreiteiligen Aufsatzreihe werden die Messverfahren und die Nutzung der Ergebnisse bei der Nachrechnung vorgestellt. Der vorliegende Teil 1 zeigt die Möglichkeiten des Einsatzes von zerstörungsfreien Prüfverfahren und bewertet deren Leistungsfähigkeit. Messen heißt wissen. Dieses Wissen spiegelt die Realität wider und soll den Tragwerksplaner bei der Entscheidungsfindung über die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bestandsbauwerken unterstützen.
Im deutschen Eisenbahnnetz sind ca. 80 Millionen Spannbetonschwellen verbaut. Analog zu anderen Bauwerken werden Wpannbetonschwellen regelmäßig visuell inspiziert. Die Rissbildung ist bei diesen Inspektionen ein Kriterium für die Schädigung einer Spannbetonschwelle. Durch Rissbildung kann es passieren, dass Betonschwellen ihre Nutzungsdauer nicht erreichen.
Increasing requirements on the infrastructure caused by more and heavier traffic coincide with both the aging and the progressive degradation of bridge constructions. These exemplary issues lead to a non-negligible need for reassessments of existing bridges. Compared to the new building design, safety reserves can be used in the evaluation of such existing structures, since uncertainties that may arise during the design, construction and previous Service time are better known or no longer present. Uncertainties can be evaiuated more precisely by measurements. In the meantime, the application of advanced NDT-methods on concrete structures have become so capable, that crucial structure Parameters like certain material properties or geometrical dimensions can be quantified without significant destructive interventions. The measured data can be explicitly incorporated into the probabilistic computation models used for the bridge reassessment in form of random variables. Therewith, a previously insufficient model can be refined to achieve a higher level of approximation. This contribution emphasises two fundamental steps of the measured data based probabilistic reassessment: The sensitivity analyses to identify the cruciai Parameters and the needed accuracy of the related information as well as the comparison with expected uncertainties of non-destructively measured Parameters.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren liefern wichtige Informationen zur Beurteilung von Bauwerken. Mit ihnen können Materialeigenschaften bestimmt oder die innere Struktur von Bauteilen beschrieben werden. Für letzteres werden in der Regel Volumenverfahren angewandt. Einen besonderen Stellenwert haben in der Praxis die Radar- und die Ultraschall-Echoverfahren.
Ihre Anwendung erfordert lediglich eine einseitige Zugänglichkeit
zum Bauteil. Zudem lassen sich zahlreiche unterschiedliche Prüfaufgaben lösen. Zum Stand der Technik gehören beispielsweise die Ortung von Bewehrung und Spannkanälen, die Bestimmung der Dicke von Bauteilen oder die Fehlerlokalisierung.
In diesem Beitrag wird gezeigt, wie mithilfe von Ultraschall-Echomessungen gesammelte Messwerte in ein quantitatives Messergebnis überführt werden können, das wiederum in ingenieurtechnische Berechnungen einfließen kann. Einleitend werden die Prüfmethode und die Messtechnik erläutert. Anschließend wird das Vorgehen von der Auswertung der Messergebnisse bis zur Bestimmung der bautechnischen
Kenngröße – Bauteildicke – gezeigt. Abschließend wird die Methodik an einem Referenzprüfkörper aus Polyamid demonstriert und den Ergebnissen von Messungen an Beton gegenübergestellt.