7.2 Ingenieurbau
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Many measurements of train induced ground vibrations show high amplitudes for a certain mid-frequency range. This ground vibration component cannot be well explained by dynamic loads of the train. Many characteristics indicate that the axle impulses, which are scattered by an irregular soil, are the excitation. This new understanding of railway-induced ground vibration is verified by numerical analysis. The response of the regular homogeneous and irregular inhomogeneous soils has been calculated by the finite-element method in frequency domain. A specific superposition of the impulse responses has been invented including time shift, axle sequence, track filter and hanning filter. The superposition yields the quasi-static component of the ground vibration which is restricted to very low frequencies and to the close near-field of the track. In case of an irregular soil of which the stiffness varies randomly in space, the superposition yields a mid-frequency ground vibration component from the scattering of the axle impulses. The existence and the importance of this component can thus be demonstrated by the calculations. Some rules of the influence of distance, train speed, soil stiffness, strength and width of the stiffness variation have been derived from the calculations. Many measurements show the unique explanation of the mid-frequency ground vibration component by the scattered axle impulses.
Train-induced ground vibrations - the emission and transmission from tunnel and surface lines
(2023)
Train-induced ground vibrations are quite different for tunnel and surface lines. The excitation of the track and ground vibration by the vehicle-track-soil interaction maybe influenced by the stiffer track support of the tunnel invert. The excited waves are propagating on a different path compared to the surface line. The wave propagation in the interior of the soil is calculated by a wavenumber integral in a similar way as the propagation along the surface and a general reduction of < 0.5 has been found. An additional reduction has been found because of the missing Rayleigh wave. The different excitation of tunnel lines is analysed theoretically by the combined finite-element boundary-element method and some results about the influencing tunnel and soil parameters will be shown. Measurements have been made at the Mühlberg-Tunnel in Germany. The vibrations of the train, the track and the soil have been measured simultaneously at the tunnel and a nearby surface line. Spectra will be shown for different train speeds between 60 and 160 km/h. A clear reduction effect for the tunnel line compared to the surface line has been observed in a specific (train-speed-dependent) frequency range. This agrees well with the observations of other research institutes. The mid-frequency tunnel-surface reduction seems to be a consequence of the stiffer track structure which leads to a wider distribution of the axle loads. Therefore, the axle impulses due to the train passage are longer and have a lower frequency content. This will have an effect on the ground vibrations at some distance which are present in case of an irregular transmission path through a ballast and soil with varying stiffness. A similar reduction effect can also be found for other track forms where the axle impulses are distributed on a longer track segment, for example slab tracks, tracks with under ballast plates, under ballast mats or under sleeper pads.
Train-induced ground vibrations – The emission and transmission from tunnel and surface lines
(2023)
Train-induced ground vibrations are quite different for tunnel and surface lines. The excitation of the track and ground vibration by the vehicle-track-soil interaction maybe influenced by the stiffer track support of the tunnel invert. The excited waves are propagating on a different path compared to the surface line. The wave propagation in the interior of the soil is calculated by a wavenumber integral in a similar way as the propagation along the surface and a general reduction of < 0.5 has been found. An additional reduction has been found because of the missing Rayleigh wave. The different excitation of tunnel lines is analysed theoretically by the combined finite-element boundary-element method and some results about the influencing tunnel and soil parameters will be shown. Measurements have been made at the Mühlberg-Tunnel in Germany. The vibrations of the train, the track and the soil have been measured simultaneously at the tunnel and a nearby surface line. Spectra will be shown for different train speeds between 60 and 160 km/h. A clear reduction effect for the tunnel line compared to the surface line has been observed in a specific (train-speed-dependent) frequency range. This agrees well with the observations of other research institutes. The mid-frequency tunnel-surface reduction seems to be a consequence of the stiffer track structure which leads to a wider distribution of the axle loads. Therefore, the axle impulses due to the train passage are longer and have a lower frequency content. This will have an effect on the ground vibrations at some distance which are present in case of an irregular transmission path through a ballast and soil with varying stiffness. A similar reduction effect can also be found for other track forms where the axle impulses are distributed on a longer track segment, for example slab tracks, tracks with under ballast plates, under ballast mats or under sleeper pads.
Unterraumbasierte Detektion von Strukturschäden an Jacket-Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen
(2018)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Adaption eines globalen, schwingungsbasierten Verfahrens zur frühzeitigen Erkennung von Strukturschäden an Gründungsstrukturen offshore installierter Windenergieanlagen (OWEA). Damit soll es, Betreibern von Offshore-Windparks ermöglicht werden, im Rahmen periodisch durchgeführter messtechnischer Überwachungsmaßnahmen mit einem gegenüber wiederkehrender Inspektionen wesentlich geringen Aufwand auftretende Schäden an der Struktur zuverlässig zu delektieren.
Das untersuchte und implementierte Verfahren basiert auf der Methode der stochastischen unterraumbasierten Schadensdetektion. Dabei erfolgt eine statistische Analyse des wiederkehrend messtechnisch aufgenommenen dynamischen Antwortverhaltens des mechanischen Systems. Mittels statistischem Test werden signifikante Änderungen in dessen Eigenstruktur und damit Schäden delektiert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen zur Sensitivität und Robustheit des beschriebenen Schadensindikators durchgeführt. Dazu sind zunächst an einem Labormodell mittels künstlich und reversibel eingebrachter Schäden grundlegende Analysen zu den Einflüssen signal- und verfahrensinhärenter Kenngrößen durchgeführt worden. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde im Anschluss mittels numerischer Analysen das Antwortverhalten von OWEA simuliert und der entwickelte Algorithmus zur Schadensdetektion an den so realisierten Datensätzen angewendet.
Anhand der Ergebnisse der Arbeit wird aufgezeigt, dass, vorausgesetzt die Windenergieanlage befindet sich in Parkposition, eine Detektion von schon geringen Schäden an Gründungs-strukturen mit dem beschriebenen Verfahren, auch unter Einsatz weniger Messaufnehmer, zuverlässig möglich ist.
Unterraumbasierte Detektion von Strukturschäden an Jacket-Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen
(2018)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Adaption eines globalen, schwingungsbasierten Verfahrens zur frühzeitigen Erkennung von Strukturschäden an Gründungsstrukturen offshore installierter Windenergieanlagen (OWEA). Damit soll es, Betreibern von Offshore-Windparks ermöglicht werden, im Rahmen periodisch durchgeführter messtechnischer Überwachungsmaßnahmen mit einem gegenüber wiederkehrender Inspektionen wesentlich geringen Aufwand auftretende Schäden an der Struktur zuverlässig zu delektieren.
Das untersuchte und implementierte Verfahren basiert auf der Methode der stochastischen unterraumbasierten Schadensdetektion. Dabei erfolgt eine statistische Analyse des wiederkehrend messtechnisch aufgenommenen dynamischen Antwortverhaltens des mechanischen Systems. Mittels statistischem Test werden signifikante Änderungen in dessen Eigenstruktur und damit Schäden delektiert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen zur Sensitivität und Robustheit des beschriebenen Schadensindikators durchgeführt. Dazu sind zunächst an einem Labormodell mittels künstlich und reversibel eingebrachter Schäden grundlegende Analysen zu den Einflüssen signal- und verfahrensinhärenter Kenngrößen durchgeführt worden. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde im Anschluss mittels numerischer Analysen das Antwortverhalten von OWEA simuliert und der entwickelte Algorithmus zur Schadensdetektion an den so realisierten Datensätzen angewendet.
Anhand der Ergebnisse der Arbeit wird aufgezeigt, dass, vorausgesetzt die Windenergieanlage befindet sich in Parkposition, eine Detektion von schon geringen Schäden an Gründungs-strukturen mit dem beschriebenen Verfahren, auch unter Einsatz weniger Messaufnehmer, zuverlässig möglich ist.
Kontinuierliche Sensorbasierte Bauwerksmessungen leisten einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit von Verkehrsbauwerken. Hierzu werden im Vorhaben AISTEC Referenzbauwerke und Referenzverfahren untersucht mit Schwerpunkt auf den Einfluss klimatischer Bedingungen. Der Vortrag stellt den aktuellen Projektstand des FB 7.2 vor.
Use of DEM-LBM modeling to prove the relevance of free jet model for soil erosion by impinging jet
(2018)
The aim of this study is to provide a micromechanical insight into the mechanisms taking place during the erosion of a cohesive granular material driven by a fluid flow, the objectives are summarized as follows:
Perform numerical erosion tests.
Parallelization of the code (Gpu).
Extensive parametric analysis => rely micro parameters (eg. Cohesion) to macro parameters (eg. Soil erodibility, mechanical strengths).
Ground vibrations near railway lines are generated by the forces that are acting between wheel and rail. It seems to be a straight forward assumption that the vehicle dynamics are important for the level and the frequencies of the excitation forces. Different vehicle dynamics phenomena are analysed for their role in the excitation of ground vibrations: rigid body modes of the bogies, elastic (bending) modes of the car body, and elastic modes of the wheelset. The theoretical analyses use rigid body models, simplified elastic models, and detailed elastic models. Some of these problems are vehicle–track interaction problems where 3D finite‑element boundary‑element models have been used for the track and soil. It is shown that the rigid or flexible vehicle modes are well in the frequency range of ground vibrations (4 to 100 Hz). They have an influence on the excitation force but the additional forces are rather small and can be neglected in ground vibration prediction. The theoretical results are checked by experimental results of a simultaneous measurement of vehicle,
track, and ground vibrations.
Three measurement campaigns of train-induced ground vibrations are evaluated for the vehicle-track-soil interaction. Ground vibrations, track vibrations and vehicle vibrations have been measured for train passages and impulse excitation and compared with theoretical results. The soil and the track-soil system are calculated by wavenumber integrals. The influence of the vehicle is introduced by a substructure method. By comparing theory and measurement the different components of excitation force and ground vibration can be analysed, the quasi-static excitation, track-alignment errors, the out-of-roundness of wheels, the wheel and rail roughness, and moreover, scattered axle impulses and ineffective high-frequency parts of the wheelset accelerations and forces.
Three measurement campaigns of train-induced ground vibrations are evaluated for the vehicle-track-soil interaction. Ground vibrations, track vibrations and vehicle vibrations have been measured for train passages and impulse excitation and compared with theoretical results.
The soil and the track-soil system are calculated by wavenumber integrals. The influence of the vehicle is introduced by a substructure method. By comparing theory and measurement the different components of excitation force and ground vibration can be analysed, the quasi-static excitation, track-alignment errors, the out-of-roundness of wheels, the wheel and rail roughness, and moreover, scattered axle impulses and ineffective high-frequency parts of the wheelset accelerations and forces.
Three measurement campaigns of train-induced ground vibrations are evaluated for the vehicle-track-soil interaction. Ground vibrations, track vibrations and vehicle vibrations have been measured for train passages and impulse excitation and compared with theoretical results. The soil and the track-soil system are calculated by wavenumber integrals. The influence of the vehicle is introduced by a substructure method. By comparing theory and measurement the different components of excitation force and ground vibration can be analysed, the quasi-static excitation, track-alignment errors, the out-of-roundness of wheels, the wheel and rail roughness, and moreover, scattered axle impulses and ineffective high-frequency parts of the wheelset accelerations and Forces.
Abstract. Three measurement campaigns of train-induced ground vibrations are evaluated for the vehicle-track-soil interaction. Ground vibrations, track vibrations and vehicle vibrations have been measured for train passages and impulse excitation and compared with theoretical results.
The soil and the track-soil system are calculated by wavenumber integrals. The influence of the vehicle is introduced by a substructure method. By comparing theory and measurement the different components of excitation force and ground vibration can be analysed, the quasi-static excitation, track-alignment errors, the out-of-roundness of wheels, the wheel and rail roughness, and moreover, scattered axle impulses and ineffective high-frequency parts of the wheelset accelerations and forces.
This article deals with two topics of vehicle-track-soil interaction, the mitigation of railway induced ground vibration by soft track elements, and the identification of track damage. Theoretical results have been achieved by a combined finite-element boundary-element method (FEBEM). The theoretical results are confronted with measurements at four sites. Improved mitigation effects have been found for soft rail pads under heavy sleepers. The insertion loss, however, can be too optimistic if a strong vehicle track resonance occurs for the un-isolated reference track. Two measurement sites show this strong vehicle-track resonance at about 80 Hz, which has been approximated by using the results of a wide parameter study including the rail pad, ballast, and soil stiffness, as well as the ballast model and the soil layering. – The detection of slab track damage is mainly based on the differences of the receptance or compliance functions. Theoretical results have been confirmed by measurements at one site where a loss of contact between track plate and base layer was visible. Measurements at a second site with a hidden damage have been compared with the theoretical results of a loose sleeper. The differences between intact (or repaired) and damaged tracks are strong enough to encourage the further development of this method for the identification of track damages.
The identification of the dynamic behavior of structures, like bridges and towers, is relevant to address multiple issues. In many cases the dynamic parameters should be acquired only once or at a frequency that doesn’t justify the installation of distinct vibration sensors for a long-term monitoring. To identify modal frequencies of a structure, a drone based mobile sensing platform has been implemented. This sensing platform measures the relative displacement be-tween the structure and the drone, which also shows a strong dynamic behavior under wind tur-bulences. By regarding the dynamic model of the drone and additional measurements at the dis-tance sensor the absolute movement of the structure can be estimated based on the measured relative distance. This time domain data is a suitable input for various operational modal analysis algorithms. The system has been used to identify the dynamic properties of test and real structure, like a 1.5 MW wind turbine tower.
The identification of the dynamic behavior of structures, like bridges and towers, is relevant to address multiple issues. In many cases the dynamic parameters should be acquired only once or at a frequency that doesn’t justify the installation of distinct vibration sensors for a long-term monitoring. To identify modal frequencies of a structure, a drone based mobile sensing platform has been implemented. This sensing platform measures the relative displacement be-tween the structure and the drone, which also shows a strong dynamic behavior under wind tur-bulences. By regarding the dynamic model of the drone and additional measurements at the dis-tance sensor the absolute movement of the structure can be estimated based on the measured relative distance. This time domain data is a suitable input for various operational modal analysis algorithms. The system has been used to identify the dynamic properties of test and real structure, like a 1.5 MW wind turbine tower.
There is a strong need for cost-effective mitigation measures for
turnouts. SBB has initiated a series of examinations using different methodologies to gain a deeper understanding of the excitation mechanisms at low frequencies, in addition to that obtained in the RIVAS project. To date it is not yet clear what constitutes a complete measurement data set that would enable understanding most of the vibration excitation mechanisms in turnouts. Increasing vibration at turnouts in comparison to normal track is observed for all measured frequencies.
The different methodologies are presented in the paper. Under-sleeper pads (USP) are a cost-effective method to reduce vibration at frequencies above 63 Hz (1/3 octave), but there is probably no improvement for frequencies below 63 Hz. A first test of new frog geometry did not show relevant improvements in Vibration emission in comparison to a reference frog geometry. Axle box acceleration measurements are an interesting method to identify defects in a turnout. A specialized measurement system of rail roughness could identify certain geometry Problem areas for some frogs. Noise increases also are observed at turnouts for frequencies ranging between 80 to 1000 Hz. The use of railway source models to calculate
contact forces for ballasted track and turnouts seems promising, in particular for understanding the influence of ground.
This contribution presents experimental methods to detect track damage. At BAM (Federal Institute of Material Research and Testing), a measuring car with a measuring system of 72 channels, geophones, mountings, cables, harmonic and impulsive exciters is used for dynamic measurements of the track, the soil and buildings. An instrumented hammer allows force measurements and to evaluate transfer functions of the track, and the soil. Wave measurements are used to identify the soil characteristics. Train passages are measured at the track and for the train induced ground vibrations. In addition to these in situ options, tests of tracks or track elements can be performed in a large laboratory.
Automatic vibration-based structural health monitoring has been recognized as a useful alternative or addition to visual inspections or local non-destructive testing performed manually. It is, in particular, suitable for mechanical and aeronautical structures as well as on civil structures, including cultural heritage sites. The main challenge is to provide a robust damage diagnosis from the recorded vibration measurements, for which statistical signal processing methods are required. In this chapter, a damage detection method is presented that compares vibration measurements from the current system to a reference state in a hypothesis test, where data9
related uncertainties are taken into account. The computation of the test statistic on new measurements is straightforward and does not require a separate modal identification. The performance of the method is firstly shown on a steel frame structure in a laboratory experiment. Secondly, the application on real measurements on S101 Bridge is shown during a progressive damage test, where damage was successfully detected for different damage scenarios.
Inspection and maintenance contribute significantly to the lifetime cost of bridges. There is significant potential in using information obtained through structural health monitoring to update predictive models of the condition and performance of such structures, and thus ena-ble an improved decision-making regarding inspection and maintenance activities. Within the AISTEC project funded by the German Federal Ministry of Education and Research, we develop vibration-based structural health monitoring systems aimed at continuously provid-ing information on the structural condition of bridges. Environmental variations such as changing ambient temperatures can significantly influence the dynamic characteristics of bridges and thus mask the effect of structural changes and damages. It remains a challenge to account for such influences in structural health monitoring. To study the effect of ambient temperatures on the dynamic characteristics of beam structures, we monitor the vibration response of a reinforced concrete beam in the uncracked and cracked state at varying tem-peratures in a climate chamber. We postulate a set of competing parameterized probabilistic structural models, which explicitly account for the effect of varying ambient temperatures on the mechanical properties of the system. We then combine the information provided by the structural models with the information contained in the recorded vibration data to learn the parameters of the temperature-dependent structural models and infer the plausible state of the beam using Bayesian system identification and model class selection.
Inspection and maintenance contribute significantly to the lifetime cost of bridges. There is significant potential in using information obtained through structural health monitoring to update predictive models of the condition and performance of such structures, and thus ena-ble an improved decision-making regarding inspection and maintenance activities. Within the AISTEC project funded by the German Federal Ministry of Education and Research, we develop vibration-based structural health monitoring systems aimed at continuously provid-ing information on the structural condition of bridges. Environmental variations such as changing ambient temperatures can significantly influence the dynamic characteristics of bridges and thus mask the effect of structural changes and damages. It remains a challenge to account for such influences in structural health monitoring. To study the effect of ambient temperatures on the dynamic characteristics of beam structures, we monitor the vibration response of a reinforced concrete beam in the uncracked and cracked state at varying tem-peratures in a climate chamber. We postulate a set of competing parameterized probabilistic structural models, which explicitly account for the effect of varying ambient temperatures on the mechanical properties of the system. We then combine the information provided by the structural models with the information contained in the recorded vibration data to learn the parameters of the temperature-dependent structural models and infer the plausible state of the beam using Bayesian system identification and model class selection.
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.
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.
Damage detection and localization in civil or mechanical structures is a subject of active development and research. A few vibration‐based methods have been developed so far, requiring, for example, modal parameter estimates in the reference and damaged states of the investigated structure, and for localization in addition a finite element model. For structures in operation, temperature has been shown to be a major nuisance to the efficiency of such methods because the modal parameters are varying not only with damage but also due to temperature variations. For detection, a few rejection approaches have been developed. Besides the increased complexity, environmental variation is hardly taken into account in localization approaches. In this paper, we propose a sensitivity‐based correction of the identified modal parameters in the damaged state with respect to the temperature field in the reference state, on the basis of a sensitivity analysis with respect to temperature dependent Parameters of the finite element model in the reference state. The approach is then applied to the stochastic dynamic damage locating vector method, where its improved performance under nonuniform temperature variations is shown in a numerical application on a beam.
Brücken müssen laufend überwacht werden, damit die Unsicherheiten hinsichtlich ihres Zustands, ihrer Beanspruchung und ihrer Leistungsfähigkeit verringert werden können. Diese Aufgabe soll künftig mit digitalen Methoden erleichtert werden. Im folgenden Beitrag werden deshalb die digitale Bauwerksmodellierung und die Entscheidungsfindung beleuchtet. Dazu wird gezeigt, wie Zustandsdiagnosen und -prognosen digital ermöglicht werden und wie durch diagnostische und prognostische Modelle eine wissenschaftliche Basis für risikobasierte Entscheidungen über Erhaltungsmaßnahmen und für den Übergang vom reaktiven zum vorausschauenden Brückenmanagement gebildet werden kann. Dabei wird klar: Jede Brücken-Überwachung bedarf einer Gesamtmethodik, ihre wichtigsten Elemente sind: Datenerfassung, Datenmanagement, Datenanalyse, Bauwerksmodellierung, Bauwerksbewertung und die letztendlichen Entscheidungen über notwendige Erhaltungsmaßnahmen.
Vorstellung OWA VERBATIM
(2024)
Das Risiko von Pfahlfussbeulen ist ein wesentlicher Grund für hohe Pfahlwandstärken bei Monopiles. Das Projekt VERBATIM - Verifikation des Beulnachweises und –verhaltens großer Monopiles zielte darauf ab, Beulphänomene zu untersuchen, die sich sowohl auf die plastischen Verformungen der Pfahlspitze während der Installation als auch auf das Beulen des eingebetteten Pfahls in der Nähe des Seebodens beziehen.
Auf der Basis aufwändiger Versuche wurden numerische Modelle entwickelt und validiert. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis des Beulverhaltens, um die Wanddicke zu reduzieren, was Kosteneinsparungen bei der Stahlmenge sowie die Entwicklung sicherer und optimierter Strukturen erlaubt. Die bisherigen Designverfahren konnten die erfolgreiche Installation der Monopiles gewährleisten. Da die Größe von Monopiles jedoch stetig zunimmt, wird die Entwicklung verbesserter Designverfahren für sichere und kostengünstige Fundamente immer wichtiger.
Der Rückenwind-Vortrag gibt eine Übersicht zu den durchgeführten Untersuchungen und Ergebnissen
The attenuation of wave amplitudes is ruled by the planar, cylindrical or spherical geometry of the wave front (the geometric or power-law attenuation) but also by the damping of the soil (an exponential attenuation). Several low- and high-frequency filter effects are derived for the layering and the damping of the soil, for the moving static and the distributed train loads and for a homogeneous or randomly heterogeneous soil. Measurements of hammer- and train-induced vibrations at five sites have been analysed for these attenuation and filter effects. The measured attenuation with distance can be discribed by generalised power laws and some reasons will be discussed. The theoretical filter effects can well be found in the measurements.
The attenuation of wave amplitudes is ruled by the planar, cylindrical or spher-ical geometry of the wave front (the geometric or power-law attenuation) but also by the damping of the soil (an exponential attenuation). Several low- and high-frequency filter effects are derived for the layering and the damping of the soil, for the moving static and the distributed train loads and for a homoge-neous or randomly heterogeneous soil. Measurements of hammer- and train-induced vibrations at five sites have been analysed for these attenuation and filter effects. The measured attenuation with distance can be discribed by gen-eralised power laws and some reasons will be discussed. The theoretical filter effects can well be found in the measurements.
The Perfectly Matched Layer (PML) method is an efficient approach to imposing radiation conditions at the bounded region of interest in case of wave propagation in unbounded domains. This paper presents and validates 3D FE/PML numerical schemes based on two different PML formulations for homogeneous and inhomogeneous geological media exhibiting discrete or continuous inhomogeneity. In the equation of motion for the PML domain the applied stretching behavior is expressed either as complex material properties or as complex coordinates. Both PML formulations are implemented in the FEM and verified against analytical solutions. Three different types of material inhomogeneity are considered: layered half-space, continuously inhomogeneous half-space with linear velocity profile and continuously inhomogeneous half-space with nonlinear velocity profile. Sensitivity analyses are conducted, and the performance of the developed numerical schemes is investigated taking into account a broad variation of the PML parameters. Recommendations are given for the optimal values of the PML parameters for the case of homogeneous and inhomogeneous geological media.
Im ersten Teil werden Methoden der Wellenanalyse vorgestellt, Seismogramme, Multistation Analysis of Surface Waves (MASW), f,v-Analyse (Dispersion aus zweifacher Fourier-Analyse), Spatial AutoCorrelation (SPAC, hier auch für deterministische Quellen), und auf Messungen in Deutschland, Österreich und der Schweiz angewendet. Mit den Wellengeschwindigkeiten des Bodens werden die Berechnungsgrundlagen für die Erschütterungsausbreitung im Boden und die Bauwerk-Boden-Wechselwirkung geschaffen.
Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Wellensynthese, das heißt mit der Berechnung von Wellenfeldern (aus Wellenzahlintegralen). Die Rechnungen können wesentlich vereinfacht werden, wenn man die Dimensionsanalyse und Symmetrieüberlegungen ausnutzt, so dass maximal fünf dimensionslose Verschiebungsfunktionen verbleiben (im Vollraum sind es sogar nur zwei Verschiebungsfunktionen, die sich einfach explizit angeben lassen). Es gibt Ähnlichkeiten zwischen den Halbraum-Amplituden an der Oberfläche, den Halbraum-Amplituden in der Tiefe und der Wellenausbreitung im Vollraum. Die berechneten Wellenfelder (als Terzspektren in verschie-denen Entfernungen von der Erschütterungsquelle) werden verwendet, um die gemessene Übertragungsfunktionen des Bodens zu approximieren und Erschütterungen von Zugvorbeifahrten zu prognostizieren. Auch dies wird an einigen Messorten vorgeführt. Dabei werden einige gemessene Besonderheiten der Eisenbahnerschütterungen mit dem geschichteten Aufbau des Bodens erklärt.
Der dritte Teil beschäftigt sich mit der Anwendung der Wellenfelder beziehungsweise der Punkt-lastlösungen beziehungsweise der Greenschen Funktionen in der Randelementmethode. Es wird ein einfaches Prinzip der Herleitung der Randelementmethode vorgeführt. Bei einer beliebigen Berandung benötigt man neben den Verschiebungswellenfeldern auch die Spannungswellen-felder. Eine einfache Berechnung der Spannungswellenfelder wird vorgeführt, die im Vollraum auf drei Spannungsfunktionen, ähnlich einfach wie die Verschiebungsfunktionen, führt. Durch die Kopplung der Randelementmethode mit der Finite-Element-Methode können dann Probleme der Bauwerk-Boden-Wechselwirkung gelöst werden.
Der vierte Teil beschäftigt sich schließlich mit der Freifeld-Wellenanregung unter einem Gebäude und der Wellenanregung im Gebäude. Dabei geht es um die Wechselwirkung der Freifeldwellen mit starren oder flexiblen Fundamenten (Pfählen, Fundamentplatten) und den Übertragungs-faktoren zwischen dem Freifeld und dem Gebäude. Bei der Wellenanregung in einem Büro-gebäude in Wien konnten die gleichen Methoden wie bei der Wellenanregung im Boden eingesetzt werden, Seismogramme, MASW, Übertragungsfunktionen und Amplituden-Abstandsgesetze.
Es wird eine gekoppelte Finite-Element-Randelementmethode zur Berechnung von Pfahlgrün-dungen in inhomogenen (geschichteten) Böden vorgestellt. Sie beruht auf den Greenschen Funktionen (Punktlastlösungen) für inhomogene Böden. Diese Lösungen können auch für die Wellenausbreitung in der Tiefe, zum Beispiel von einem Bahntunnel zu einem eingebetteten Gebäude, dem Kellergeschoss benutzt werden. Die Punktlastlösungen in der Tiefe werden mit der Halbraumlösung an der Bodenoberfläche und mit der Vollraumlösung verglichen und Gesetzmäßigkeiten für geschichtete Böden abgeleitet. Zu den Pfahlgründungen werden die Horizontalnachgiebigkeiten von Pfählen in geschichteten Böden dargestellt. Für den homogenen und den kontinuierlich steifer werdenden Boden werden Potenzgesetze für den Boden- und Pfahleinfluss aufgestellt. Der Vergleich mit dem Winkler-Modell der rein lokalen Bodenreaktion zeigt, dass die Winkler-Bettung in allen Fällen einen zu kleinen Bodeneinfluss ergibt.
Es wird eine gekoppelte Finite-Element-Randelementmethode zur Berechnung von Pfahlgrün-dungen in inhomogenen (geschichteten) Böden vorgestellt. Sie beruht auf den Greenschen Funktionen (Punktlastlösungen) für inhomogene Böden. Diese Lösungen können auch für die Wellenausbreitung in der Tiefe, zum Beispiel von einem Bahntunnel zu einem eingebetteten Gebäude, dem Kellergeschoss benutzt werden. Die Punktlastlösungen in der Tiefe werden mit der Halbraumlösung an der Bodenoberfläche und mit der Vollraumlösung verglichen und Gesetzmäßigkeiten für geschichtete Böden abgeleitet. Zu den Pfahlgründungen werden die Horizontalnachgiebigkeiten von Pfählen in geschichteten Böden dargestellt. Für den homoge-nen und den kontinuierlich steifer werdenden Boden werden Potenzgesetze für den Boden- und Pfahleinfluss aufgestellt. Der Vergleich mit dem Winkler-Modell der rein lokalen Boden-reaktion zeigt, dass die Winkler-Bettung in allen Fällen einen zu kleinen Bodeneinfluss ergibt.
Erschütterungen durch Industrie und Verkehr, Schwingungen von Gebäuden, Fundamenten und Gleisen hängen im hohen Maße vom jeweiligen unterliegenden Boden ab. Die Eigenschaften des Bodens ermitteln wir mit Wellenmessungen vor Ort. Die Wellen werden in der Regel mit einem Impulshammer erzeugt und mit Geophonen als Schwinggeschwindigkeits-signale gemessen. Geophone sind aktive Sensoren, die eine kleine Messspannung liefern. Ein 72-kanaliges Messsystem mit entsprechenden Messverstärkern ist im Messwagen der Arbeitsgruppe eingebaut. Es werden im Vortrag fünf verschiedene Auswertemethoden vorgestellt. Im einfachsten Fall versucht man die Laufzeit von einem Geophon zum andern auszumessen und damit die vorherrschende Wellengeschwindigkeit zu ermitteln. Wir haben Wellengeschwindigkeiten von 30 m/s für Moorboden bis 1000 m/s für Felsboden gemessen. Der Boden hat aber nicht nur eine Wellengeschwindigkeit, sondern mehrere frequenzabhängige Wellen-geschwindigkeiten. Dadurch wird aus einem kurzen Hammerschlag eine längere Schwingung (Zerstreuung, Dispersion). Für die Auswertung von dispersiven Wellen nutzt man die spektrale Analyse, zunächst mit zwei Aufnehmern (SASW Spectral Analysis of Surface Waves), später mit einer ganzen Messachse (Multi-Station SASW). Schließlich kann man eine ganze Messachse auch mit verschiedenen Transformationsmethoden auswerten wie die f,v-Methode und Spatial AutoCorrelation SPAC Methode. Alle diese Methoden wurden von uns auf Messreisen in Deutschland, Österreich und der Schweiz getestet. Durch die Approximation der frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeiten erhält man ein passendes Bodenmodell. Zu diesem Bodenmodell kann man die Übertra¬gungsfunktionen für Hammer- und Zuganregung berechnen. Bei etlichen Mess¬orten wurden deutliche Merkmale einer Bodenschichtung beobachtet. Es ergibt sich eine Reduktion der tiefen Frequenzanteile durch den steifen unterliegenden Halbraum. Die weiche Deckschicht bestimmt das hochfrequente Verhalten.
Der zukünftige Eurocode 7 wird ausdrücklich die Nutzung zuverlässigkeitsbasierter Methoden in der geotechnischen Planung und Bemessung erlauben. In Deutschland gibt es bisher kaum Erfahrung in der praktischen Anwendung derartiger Verfahren und entsprechend sind die Vorbehalte gegenüber diesen Methoden oft groß. Der neue DGGT-Arbeitskreis (AK) 2.15 „Zuverlässigkeitsbasierte Methoden in der Geotechnik“ hat sich zum Ziel gesetzt, durch praxisorientierte Anleitungen und Empfehlungen sowie begleitende Aus- und Weiterbildungsangebote den praktischen Zugang zu diesen Verfahren zu unterstützen. Ziel ist es, Möglichkeiten und Grenzen zu verdeutlichen sowie vor allem ihre Potenziale zu erschließen. In dem vorliegenden Beitrag werden allgemeine Grundlagen und die zukünftigen Arbeitsfelder des AK 2.15 vorgestellt. Ausgehend von der Einführung relevanter Fachbegriffe wird zunächst die Einbettung zuverlässigkeitsbasierter Verfahren in den aktuellen Normungs- und Regelungskontext aufgezeigt. Anschließend werden anhand des Lebenszyklus eines geotechnischen Bauwerks die Unsicherheiten in den geotechnischen Prognosen und Bewertungen beschrieben. Daran anknüpfend wird aufgezeigt, an welchen Stellen zuverlässigkeitsbasierte Methoden als mögliches Werkzeug sinnvoll genutzt werden können, um Ingenieur:innen, Bauherr:innen und Prüfer:innen in Nachweis- und Entscheidungsprozessen zu unterstützen. Zu den sich daraus ableitenden Arbeitsthemen werden durch den AK 2.15 zukünftig Empfehlungen erarbeitet und sukzessive veröffentlicht
This talk provides a brief introduction on general engineering challenges for the offshore (marine) wind energy production, focusing on material, structural and hydromechanical aspects.
The talk begins with a broad overview on general trends for offshore wind-farms, with insights on some characteristic structural features and their associated loads. Then, some particular open issues for the foundation of the offshore wind turbines into the seabed are introduced. Here, different research approaches are discussed, from experimental investigations to coupled computational analysis at micro- and macroscopic scales.
In the second part of the seminar, both the hydromechanical Wave–Tower interaction and some general aspects of the windfarm aerodynamics (wake analysis) are discussed. Some modelling possibilities in the frame of CFD (computational fluid dynamics) are introduced and the relevance of such analyses for a proper windfarm layout optimization is pointed out.
Summing up, this seminar aims to show that: i) Numerical analysis of the turbine’s interaction with wind/waves and with the seabed is both useful and affordable. ii) Simplified models can provide an insight into windfarm aerodynamics. iii) Turbulent wake analysis is very relevant for the windfarm layout.
Grouting is a universal repair and strengthening technique, which is constantly used for structural remediation of concrete components, trenches, mine subsidence, dam joints, restoration of masonry structures, and geological stabilizations. Having an extremely small particle size of only few microns, ultrafine cements are ideal for grouting applications due to their superior permeability and compressive strength properties of the hardened cement paste compared to that of the less-expensive, but coarser ordinary Portland cements. Supplementary cementitious materials (SCMs) are often used to replace ultrafine cement in order to modify certain properties and to reduce costs. The aim of this experimental study is to investigate the effect of three supplementary materials: microsilica (MS), fly ash (FA), and metakaolin (MK) on the workability, and mechanical properties of an ultrafine cement based grout with a constant water-binder ratio and constant superplasticizer content. Maximum percentages of replacement with ultrafine cement were 6% by volume of cement for MS and 16% for FA, and MK. In general, results suggest that the workability is improved by addition of FA, whereas is reduced, when modified with MS and MK. The compressive strength of grout after cement replacement remains comparable to that of pure cement grout. However, there is a tendency of the MS to positively affect the compressive strength opposite to FA, whereas flexural strength is positively affected by FA. Based on the results, it is evident that grouts with Hägerman cone flow more than 500 mm and compressive strength of more than 90 MPa after 28 days can be produced.
Grouting is a universal repair and strengthening technique, which is constantly used for structural remediation of concrete components, trenches, mine subsidence, dam joints, restoration of masonry structures, and geological stabilizations. Having an extremely small particle size of only few microns, ultrafine cements are ideal for grouting applications due to their superior permeability and compressive strength properties of the hardened cement paste compared to that of the less-expensive, but coarser ordinary Portland cements. Supplementary cementitious materials (SCMs) are often used to replace ultrafine cement in order to modify certain properties and to reduce costs. The aim of this experimental study is to investigate the effect of three supplementary materials: microsilica (MS), fly ash (FA), and metakaolin (MK) on the workability, and mechanical properties of an ultrafine cement based grout with a constant water-binder ratio and constant superplasticizer content. Maximum percentages of replacement with ultrafine cement were 6% by volume of cement for MS and 16% for FA, and MK. In general, results suggest that the workability is improved by addition of FA, whereas is reduced, when modified with MS and MK. The compressive strength of grout after cement replacement remains comparable to that of pure cement grout. However, there is a tendency of the MS to positively affect the compressive strength opposite to FA, whereas flexural strength is positively affected by FA. Based on the results, it is evident that grouts with Hägerman cone flow more than 500 mm and compressive strength of more than 90 MPa after 28 days can be produced.
Eindimensionale Modelle des Gleises aus einem Schienenstützpunkt, zweidimensionale Modelle enthalten die Kraftverteilung der Schiene. Eindimensionale Modelle machen einen Fehler, weil sie eine zu große Fahrzeugmasse berücksichtigen. Man kann jedoch bei der Berechnung der Minderungswirkung von Gleiselementen eindimensionale Gleismodelle verwenden, um die Kraftübertragung des Gleises bzw. die Minderungswirkung des Gleises zu berechnen. Die Wechselwirkung mit dem Fahrzeug kann einfach mit der dynamischen Stützpunktsteifigkeit berechnet werden. Dabei muss die Stützpunktsteifigkeit mit einer charakteristischen Gleislänge multipliziert werden, die frequenz- und systemabhängig ist.
Zur Erschütterungsausbreitung an oberirdischen Bahnlinien gibt es gute Übereinstimmungen zwischen Messungen und der Theorie geschichteter Böden. Bei der Interpretation der Ergebnisse spielt die Rayleigh-Welle eine große Rolle. Je nach Frequenz und Wellenlänge hat die Rayleigh-Welle eine bestimmte Eindringtiefe und erreicht damit mehr oder weniger steife Bodenschichten. Damit bekommt man eine frequenzabhängige Bodensteifigkeit für die Erschütterungsprognose. Für die Wellenausbreitung in der Tiefe statt an der Bodenoberfläche müssen eigene Gesetzmäßigkeiten gefunden werden. Es werden die Punktlastlösungen im Frequenz-Wellenzahlbereich und durch Integration über die Wellenzahlen berechnet. Man erhält die Wellenfelder, die Terzspektren für verschiedene Entfernungen und Frequenzen. Es wird die Tiefenlage und das Bodenmodell (homogen, geschichtet und kontinuierlich zunehmende Steifigkeit) variiert. Die Rayleigh-Welle verliert ihre Bedeutung und stattdessen kann die Vollraumlösung zur Interpretation und Prognose verwendet werden. Es werden die Halbraumlösung mit und ohne Rayleigh-Welle und die Vollraumlösung in der Tiefe diskutiert und verglichen. Neben der Wellenausbreitung (der Transmission) werden auch Effekte der Erschütterungsanregung (der Emission) und der Übertragung in Gebäude (der Immission) mit Hilfe der Finite-Element-Randelement-Methode berechnet. Die Verteilung der dynamischen Achslast durch die Tunnelsohle ergibt eine Minderung gegenüber der Punktlastanregung. Bei der Immission hat man keine Freifeldanregung wie an der Bodenoberfläche. Man muss entweder neben der Wellenamplitude (Verschiebung oder Schwinggeschwindigkeit) in der Tiefe auch die Spannung der ankommenden Welle berücksichtigen, oder man muss die Freifeldamplituden nach Bodenaushub berechnen. Die Rechenergebnisse deuten darauf hin, dass man als Freifeldanregung die zweifache Vollraumlösung ansetzen kann.
Zur Erschütterungsausbreitung an oberirdischen Bahnlinien gibt es gute Übereinstimmungen zwischen Messungen und der Theorie geschichteter Böden. Bei der Interpretation der Ergebnisse spielt die Rayleigh-Welle eine große Rolle. Je nach Frequenz und Wellenlänge hat die Rayleigh-Welle eine bestimmte Eindringtiefe und erreicht damit mehr oder weniger steife Bodenschichten. Damit bekommt man eine frequenzabhängige Bodensteifigkeit für die Erschütterungsprognose. Für die Wellenausbreitung in der Tiefe statt an der Bodenoberfläche müssen eigene Gesetzmäßigkeiten gefunden werden. Es werden die Punktlastlösungen im Frequenz-Wellenzahlbereich und durch Integration über die Wellenzahlen berechnet. Man erhält die Wellenfelder, die Terzspektren für verschiedene Entfernungen und Frequenzen. Es wird die Tiefenlage und das Bodenmodell (homogen, geschichtet und kontinuierlich zunehmende Steifigkeit) variiert. Die Rayleigh-Welle verliert ihre Bedeutung und stattdessen kann die Vollraumlösung zur Interpretation und Prognose verwendet werden. Es werden die Halbraumlösung mit und ohne Rayleigh-Welle und die Vollraumlösung in der Tiefe diskutiert und verglichen. Neben der Wellenausbreitung (der Transmission) werden auch Effekte der Erschütterungsanregung (der Emission) und der Übertragung in Gebäude (der Immission) mit Hilfe der Finite-Element-Randelement-Methode berechnet. Die Verteilung der dynamischen Achslast durch die Tunnelsohle ergibt eine Minderung gegenüber der Punktlastanregung. Bei der Immission hat man keine Freifeldanregung wie an der Bodenoberfläche. Man muss entweder neben der Wellenamplitude (Verschiebung oder Schwinggeschwindigkeit) in der Tiefe auch die Spannung der ankommenden Welle berücksichtigen, oder man muss die Freifeldamplituden nach Bodenaushub berechnen. Die Rechenergebnisse deuten darauf hin, dass man als Freifeldanregung die zweifache Vollraumlösung ansetzen kann.
Es wird die Vorgehensweise erläutert wie die Notwendigkeit einer elastischen Gebäudelagerung geprüft wird. Es werden die Möglichkeiten und Schwächen vereinfachter Rechenverfahren dargestellt. Es folgen weitere Beispiele detaillierter Gebäudemodelle und ihres Schwingungsverhaltens. Schließlich greift eine aktuelle Bachelorarbeit die Fragestellung komplexen Gebäudeschwingungsverhaltens auf. Die letzte Folie zeigt dazu Gebäudemodelle, die an die konkreten Erschütterungsprognosen anknüpfen.
Brücken sind Teil der alternden Verkehrsinfrastruktur. Um die Nutzungsdauer zu verlängern und plötzliche Schäden zu detektieren kann Bauwerksmonitoring ("Structural Health Monitoring") eingesetzt werden. Der Einfluss von Umgebungsbedingungen, beispielsweise der Temperatur, auf das Bauwerksverhalten ist meist größer als der Einfluss von Schäden. Diese Einflüsse bestmöglich voneinander zu trennen und Veränderungen im Tragverhalten korrekt Schäden oder Umgebungsbedingungen zuzuordnen ist eine offene Forschungsfrage. Diese Arbeit zeigt eine mögliche Lösung, bei der gekoppelte Modelle von Umwelteinflüssen, Schäden und Tragverhalten des Bauwerks auf Grundlage von Monitoringdaten aktualisiert werden. Das Framework dazu wird vorgestellt und an einem Laborexperiment eines Stahlbetonbalkens in der Klimakammer angewandt. Die Ergebnisse bestätigen die Vorgehensweise. In nächsten Schritten müssen komplexere Tragwerke und die Sensitivität des Ansatzes untersucht werden.
Die B1 Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel wurde im Dezember 2019 aufgrund von während einer turnusmäßigen Inspektion entdeckten Rissen und Hohlstellen entlang der vorgespannten Längsträger gesperrt und im Mai 2021 abgebrochen. In der Zwischenzeit wurde die Brücke detailliert überwacht. Vor dem Abriss wurden zudem umfangreiche Untersuchungen zur Bestandsaufnahme und Schadensanalyse sowie Tests moderner Sensorik vorgenommen. Dabei konnte sowohl die richtige, zuvor nicht sicher bekannte Anzahl von Spanngliedern in den Querträgern sicher ermittelt werden als auch durch moderne Varianten der Schwingungsmessungen und der faseroptischen Sensorik zusätzliche Kenntnisse püber das Bauwerksverhalten ermittelt werden . In dem Beitrag werden die Verfahren mit ihren Möglichkeiten und Grenzen vorgestellt, die Ergebnissee an der Brücke in Brandenburg erläutert und zukünftige Einsatzmöglichkeiten diskutiert.
Die B1 Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel wurde im Dezember 2019 aufgrund von während einer turnusmäßigen Inspektion entdeckten Rissen und Hohlstellen entlang der vorgespannten Längsträger gesperrt und im Mai 2021 abgebrochen. In der Zwischenzeit wurde die Brücke detailliert überwacht. Vor dem Abriss wurden zudem umfangreiche Untersuchungen zur Bestandsaufnahme und Schadensanalyse sowie Tests moderner Sensorik vorgenommen. Dabei konnte sowohl die richtige, zuvor nicht sicher bekannte Anzahl von Spanngliedern in den Querträgern sicher ermittelt werden als auch durch moderne Varianten der Schwingungsmessungen und der faseroptischen Sensorik zusätzliche Kenntnisse püber das Bauwerksverhalten ermittelt werden . In dem Beitrag werden die Verfahren mit ihren Möglichkeiten und Grenzen vorgestellt, die Ergebnissee an der Brücke in Brandenburg erläutert und zukünftige Einsatzmöglichkeiten diskutiert.
Brücken werden durch Inspektionen und teilweise durch Monitoring überwacht, um Daten und Informationen über den Zustand und die Einwirkungen zu sammeln. Auf deren Grundlage werden Entscheidungen hinsichtlich Maßnahmen zur Gewährleistung der Sicherheit und Verfügbarkeit getroffen. In diesem Vortrag werden die Potentiale der Digitalisierung zur Unterstützung und Verbesserung der Brückenüberwachung diskutiert. Insbesondere werden die Bereiche Datenmanagement, Brückenmodellierung und Entscheidungsfindung betrachtet.