7.2 Ingenieurbau
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Changes in the measured response of structural systems can be an indication of structural damages. However, such changes can also be caused by the effect of varying environmental conditions. To detect, localize and quantify changes or damages in structural systems subject to varying environmental conditions, physics-based models of the structural systems have to be applied which explicitly account for the influence of ambient conditions on the structural behavior. Data obtained from the structural systems should be used to calibrate the models and update predictions. Bayesian system identification is an effective framework for this task. In this paper, we apply this framework to learn the parameters of two competing structural models of a reinforced concrete beam subject to varying temperatures based on static response data. The models describe the behavior of the beam in the uncracked and cracked condition. The data is collected in a series of load tests in a climate chamber. Bayesian model class selection is then applied to infer the most plausible condition of the beam conditional on the available data.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat in den letzten 30 Jahren an vielen Orten Bahnerschütterungen gemessen. Dabei wurden immer auch Versuche zur Bestimmung der Bodeneigen-schaften durchgeführt, meist mit Hammeranregung, gelegentlich auch mit Schwingeranregung. Es werden verschiedene Auswertemethoden wie Seismogramm-Montage, Spektrale Analyse (SASW), Multistation Analysis of Surface Waves (MASW), f,v-Analyse (Dispersion aus zweifacher Fourier-Analyse), Spatial AutoCorrelation (SPAC, hier auch für deterministische Quellen) vorgestellt. Durch Approximation der frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeiten (Dispersion) oder der gemessenen Übertragungsfunktionen erhält man ein passendes Bodenmodell. Zu diesem Bodenmodell kann man dann die Übertragungsfunktionen für Hammer- und Zuganregung berechnen. Mit allgemeinen oder spezifischen Achslastspektren werden dann die Bahnerschütterungen prognostiziert und mit den Messergebnissen verglichen. Bei etlichen Messorten, insbesondere in der Schweiz, wurden deutliche Merkmale einer Bodenschichtung beobachtet. Es ergibt sich eine deutliche Reduktion der tiefen Frequenzanteile durch den steifen unterliegenden Halbraum. Die weiche Deckschicht bestimmt das hochfrequente Verhalten. Hier bewirkt die Materialdämpfung des Bodens oft einen starken Amplitudenabfall, sowohl mit der Entfernung als auch mit der Frequenz. Für den verbleibenden mittelfrequenten Anteil wurde an mehreren Messorten die Amplituden-Fahrgeschwindigkeits-Gesetzmäßigkeiten untersucht. Es gibt konstante bis stark ansteigende Amplituden, und es zeigt sich auch hier, dass der geschichtete Boden von entscheidender Bedeutung ist.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat in den letzten 30 Jahren an vielen Orten Bahnerschütterungen gemessen. Dabei wurden immer auch Versuche zur Bestimmung der Bodeneigen-schaften durchgeführt, meist mit Hammeranregung, gelegentlich auch mit Schwingeranregung. Es werden verschiedene Auswertemethoden wie Seismogramm-Montage, Spektrale Analyse (SASW), Multistation Analysis of Surface Waves (MASW), f,v-Analyse (Dispersion aus zweifacher Fourier-Analyse), Spatial AutoCorrelation (SPAC, hier auch für deterministische Quellen) vorgestellt. Durch Approximation der frequenzabhängigen Wellengeschwindigkeiten (Dispersion) oder der gemessenen Übertragungsfunktionen erhält man ein passendes Bodenmodell. Zu diesem Bodenmodell kann man dann die Übertragungsfunktionen für Hammer- und Zuganregung berechnen. Mit allgemeinen oder spezifischen Achslastspektren werden dann die Bahnerschütterungen prognostiziert und mit den Messergebnissen verglichen. Bei etlichen Messorten, insbesondere in der Schweiz, wurden deutliche Merkmale einer Bodenschichtung beobachtet. Es ergibt sich eine deutliche Reduktion der tiefen Frequenzanteile durch den steifen unterliegenden Halbraum. Die weiche Deckschicht bestimmt das hochfrequente Verhalten. Hier bewirkt die Materialdämpfung des Bodens oft einen starken Amplitudenabfall, sowohl mit der Entfernung als auch mit der Frequenz. Für den verbleibenden mittelfrequenten Anteil wurde an mehreren Messorten die Amplituden-Fahrgeschwindigkeits-Gesetzmäßigkeiten untersucht. Es gibt konstante bis stark ansteigende Amplituden, und es zeigt sich auch hier, dass der geschichtete Boden von entscheidender Bedeutung ist.
The local asymptotic approach is promising for vibration-based fault diagnosis when associated to a subspace-based residual function and efficient hypothesis testing tools. It has the ability of detecting small changes in some chosen system parameters. In the residual function, the left null space of the observability matrix associated to a reference model is confronted to the Hankel matrix of output covariances estimated from test data. When this left null space is not perfectly known from a model, it should be replaced by an estimate from data to avoid model errors in the residual computation. In this paper, the asymptotic distribution of the resulting data-driven residual is analyzed and its covariance is estimated, which includes also the covariance related to the reference null space estimate. The importance of including the covariance of the reference null space estimate is shown in a numerical study.
Erschütterungen, die durch Eisenbahnverkehr erzeugt werden, breiten sich durch den Erdboden aus und regen benachbarte Gebäude zu Schwingungen an. Es wurde ein Prognoseverfahren für Bahnerschütterungen ent-wickelt, das mit einfachen Modellen schnell Ergebnisse liefert. Dies sind physikalische Modelle, zum Beispiel 1-dimensionale Modelle mit Übertragungsmatrizen für die Fahrzeug-Fahrweg-Boden-Wechselwirkung und für die Gebäude-Boden Wechselwirkung. Damit werden die komplexen Verhältnisse bei der Emission (dem Zusammen¬wirken von Fahrzeug und Fahrweg), bei der Transmission durch den homogenen oder geschichteten Boden und bei der Immission in Gebäuden näherungsweise erfasst. In (Auersch, 2020) wird gezeigt, dass diese einfachen Prognosemodelle die Ergebnisse von detaillierten Modellen wie der Finite-Element-Randelement-Methode für das Gleis, die Wellenzahlintegrale für den Boden und 3-dimensionale Finite-Element-Modelle für das Gebäude gut wiedergeben können. Dies entspricht auch der Absicht, die Prognosemodelle aus den Ergebnissen der Detailmodelle abzuleiten. Die drei Prognoseteile werden getrennt berechnet, aber es werden physikalisch sinn¬volle Schnittstellen verwendet. Für die Emission und Transmission sind es die auf den Untergrund wirkenden Erregerkräfte von Fahrzeug und Fahrweg, für die Transmission und Immission sind es die Freifeldamplituden des Bodens.
Erschütterungen, die durch Eisenbahnverkehr erzeugt werden, breiten sich durch den Erdboden aus und regen benachbarte Gebäude zu Schwingungen an. Es wurde ein Prognoseverfahren für Bahnerschütterungen ent-wickelt, das mit einfachen Modellen schnell Ergebnisse liefert. Dies sind physikalische Modelle, zum Beispiel 1-dimensionale Modelle mit Übertragungsmatrizen für die Fahrzeug-Fahrweg-Boden-Wechselwirkung und für die Gebäude-Boden Wechselwirkung. Damit werden die komplexen Verhältnisse bei der Emission (dem Zusammen¬wirken von Fahrzeug und Fahrweg), bei der Transmission durch den homogenen oder geschichteten Boden und bei der Immission in Gebäuden näherungsweise erfasst. In (Auersch, 2020) wird gezeigt, dass diese einfachen Prognosemodelle die Ergebnisse von detaillierten Modellen wie der Finite-Element-Randelement-Methode für das Gleis, die Wellenzahlintegrale für den Boden und 3-dimensionale Finite-Element-Modelle für das Gebäude gut wiedergeben können. Dies entspricht auch der Absicht, die Prognosemodelle aus den Ergebnissen der Detailmodelle abzuleiten. Die drei Prognoseteile werden getrennt berechnet, aber es werden physikalisch sinn¬volle Schnittstellen verwendet. Für die Emission und Transmission sind es die auf den Untergrund wirkenden Erregerkräfte von Fahrzeug und Fahrweg, für die Transmission und Immission sind es die Freifeldamplituden des Bodens.
Die natürliche Variabilität des Bodens bewirkt, dass jegliche in-situ Messung dynamischer Bodenparameter stets nur den Untersuchungsort beschreiben, und jede Verwendung für benachbarte Orte bereits eine Extrapolation ist. Gleichzeitig ist die Ermittlung von Bodeneigenschaften in-situ mit erheblichen Kosten verbunden, insbesondere bei Standorten wie z. B. Offshore-Windparks. Im innerstädtischen Raum sind seismische Messungen wegen der vorhandenen Bebauung und Flächenversiegelungen nur eingeschränkt möglich. Es bietet sich daher an, indirekte Methoden auf Basis von Drucksondierungen anzuwenden, weil diese Untersuchungen inzwischen zum Standardrepertoire selbst bei kleineren Bauvorhaben gehören.
Der neue nationale Anhang zu DIN EN 1998-1 erlaubt die Anwendung von Korrelationen zwischen Sondierergebnissen und dynamischen Bodeneigenschaften zur Anwendung bei seismischen Standortanalysen. Es werden jedoch keine Hinweise zur Auswahl geeigneter Korrelationen gegeben. Mit ISO/TS 14837-32 liegt ein Standard vor, in dem sogar für sandartigen Boden und tonartigen Boden zwei konkrete Korrelationen zur Anwendung vorgeschlagen werden. Dasselbe gilt für den Entwurf des Eurocode 7-2, prEN 1997-2 von 2022.
Untersuchungen zeigen, dass seismische Verfahren, wenn sie nicht unter Labor-Freifeldbedingungen durchgeführt werden, signifikante Streuungen aufweisen. Sofern statistische Korrelationen eine Streuung aufweisen, die in derselben Größenordnung liegen wie Ergebnisse seismischer Verfahren, können beide Verfahren in Grundsatz alternativ eingesetzt werden.
Wir zeigen, dass bei homogenen ausgeprägt sandartigen Böden mit statistisch ermittelten Korrelationen die dynamischen Bodensteifigkeiten mit einer Genauigkeit abgeschätzt werden können, die mit der Ungenauigkeit der seismischen Verfahren übereinstimmt. Mit zunehmenden Feinkornanteil werden die Unsicherheiten der statistischen Korrelationen größer. Bei stark überkonsolidierten glazialen Böden sollte von der Anwendung empirischer Korrelationen Abstand genommen werden.
The shaft bearing capacity often plays a dominant role for the overall structural behaviour of axially loaded piles in offshore deep foundations. Under cyclic loading, a narrow zone of soil at the pile-soil interface is subject to cyclic shearing solicitations. Thereby, the soil may densify and lead to a decrease of confining stress around the pile due to microphenomena such as particle crushing, migration and rearrangement. This reduction of radial stress has a direct impact on the shaft capacity, potentially leading in extreme cases to pile failure. An adequate interface model is needed in order to model this behaviour numerically. Different authors have proposed models that take typical Interface phenomena in account such as densification, grain breakage, normal pressure effect and roughness. However, as the models become more complex, a great number of material parameters need to be defined and calibrated. This paper proposes the adoption and transformation of an existing soil bulk model (Pastor- Zienkiewicz) into an interface model. To calibrate the new interface model, the results of an experimental campaign with the ring shear device under cyclic loading conditions are here presented. The constitutive model shows a good capability to reproduce typical features of sand behaviour such as cyclic compaction and dilatancy, which in saturated partially-drained conditions may lead to liquefaction and cyclic mobility phenomena.
We present here a set of conceptual and numerical tools for a micromechanical simulation of general erosion problems involving fluid-saturated granular assemblies, whether frictional or cohesive. We propose a parallel computation using graphical processing units (GPUs) to treat large numbers of degrees of freedom with conventional desktop computers.
The fluid phase is here simulated with a particle-resolved approach in the frame of the Lattice Boltzmann Method (LBM) while the granular solid phase is modelled as a collection of discrete particles from a Molecular Dynamics DEM perspective. The range of possible material behaviors for the solid granular phase is intended here to cover a broad spectrum from purely frictional to viscous cohesive materials with either brittle or transient debonding features. Specific details of the implementation and some validation cases will be put forward.
To conclude we provide some exemplary applications in the field of soil erosion along with details on the parallel performance of the models. The results show that a micromechanical approach can be feasible and useful in practice, providing meaningful insights into complex phenomena like the erosion threshold and kinetics of weakly cemented soils.
Der Vortrag stellt die Durchführung und die ersten Ergebnisse der Belastungsfahrten der BAM im Rahmen des AISTEC Projekts an der Maintalbrücke am 19.05. und 20.05.2021 vor. Es wurden Tragwerksreaktionen des Bauwerks mit dem installierten Dauermonitoringsystem und insbesondere dem Betongelenk mit zusätzlich installierter Sensorik aufgezeichnet. Für die Ermittlung der Lastposition wurden mehrere Verfahren eingesetzt und verglichen.
Today, short- and long-term structural health monitoring (SHM) of bridge infrastructures and their safe, reliable and cost-effective maintenance has received considerable attention. From a surveying or civil engineer’s point of view, vibration-based SHM can be conducted by inspecting the changes in the global dynamic behaviour of a structure, such as natural frequencies (i. e. eigenfrequencies), mode shapes (i. e. eigenforms) and modal damping, which are known as modal parameters. This research work aims to propose a robust and automatic vibration analysis procedure that is so-called robust time domain modal parameter identification (RT-MPI) technique. It is novel in the sense of automatic and reliable identification of initial eigenfrequencies even closely spaced ones as well as robustly and accurately estimating the modal parameters of a bridge structure using low numbers of cost-effective micro-electro-mechanical systems (MEMS) accelerometers. To estimate amplitude, frequency, phase shift and damping ratio coefficients, an observation model consisting of: (1) a damped harmonic oscillation model, (2) an autoregressive model of coloured measurement noise and (3) a stochastic model in the form of the heavy-tailed family of scaled t-distributions is employed and jointly adjusted by means of a generalised expectation maximisation algorithm. Multiple MEMS as part of a geo-sensor network were mounted at different positions of a bridge structure which is precalculated by means of a finite element model (FEM) analysis. At the end, the estimated eigenfrequencies and eigenforms are compared and validated by the estimated parameters obtained from acceleration measurements of high-end accelerometers of type PCB ICP quartz, velocity measurements from a geophone and the FEM analysis. Additionally, the estimated eigenfrequencies and modal damping are compared with a well-known covariance driven stochastic subspace identification approach, which reveals the superiority of our proposed approach. We performed an experiment in two case studies with simulated data and real applications of a footbridge structure and a synthetic bridge. The results show that MEMS accelerometers are suitable for detecting all occurring eigenfrequencies depending on a sampling frequency specified. Moreover, the vibration analysis procedure demonstrates that amplitudes can be estimated in submillimetre range accuracy, frequencies with an accuracy better than 0.1 Hz and damping ratio coefficients with an accuracy better than 0.1 and 0.2 % for modal and system damping, respectively.
Identifying optimal inspection and repair strategies for offshore jacket structures is a challenging task. We pre-sent an approach, which is based on recent developments in the field of risk-based operation and maintenance planning at the structural system level. The approach utilizes heuristics to define inspection and repair strate-gies at the system level and to reduce the search space of possible strategies. For each defined strategy, the expected service life cost of inspection, repair and failure is evaluated based on simulated inspection and re-pair histories. Subset simulation is applied to compute the conditional repair and failure probabilities required for this analysis. It also forms the basis for simulating inspection and repair histories. The strategy that mini-mizes the expected service life cost is the optimal one in the set of pre-selected strategies. The underlying condition and performance model accounts for the stochastic dependence among the deterioration states of the different structural elements and the structural redundancy. The approach is demonstrated in a case study considering a jacket-type frame. In this study, we essentially vary the inspection interval, the minimum num-ber of inspected components and the target reliability, and identify the combination that minimizes the ex-pected total service life cost.
In this presentation, a framework for integrating vibration-based structural health monitoring data into the optimization of inspection and maintenance of deteriorating structural systems is presented. The framework is demonstrated in an illustrative example considering a steel frame subject to fatigue.