7.2 Ingenieurbau
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Organisationseinheit der BAM
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Eingeladener Vortrag
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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.
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.
Nach den bisherigen Regeln werden Bauwerksprüfungen von Brücken in starr definierten Intervallen durchgeführt. Diese starre, periodische, zustandsbasierte Instandhaltungsstrategie soll zukünftig durch eine flexible und prädiktive Instandhaltung ersetzt werden. Hierbei sollen Inspektionen und Instandhaltungsmaßnahmen unterstützt durch autonome Systeme auf der Grundlage von Monitoringdaten geplant und zusätzlich bei unvorhergesehenen Ereignissen ausgelöst werden. Im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens AISTEC wird ein Vorgehen für Großbauwerke und kleinere Regelbauwerke zur Umsetzung eines kombinierten globalen, schwingungsbasierten und quasistatischen Monitorings entworfen. An der Maintalbrücke Gemünden – einer semiintegralen Rahmenbrücke aus Spannbeton auf der Schnellfahrstrecke Hannover–Würzburg – wurde als Demonstrator ein Dauermonitoring realisiert.
Am Fallturm auf dem Testgelände Technische Sicherheit (TTS) der BAM wurden bei Inspektionen Vorspannungsverluste in den Bolzen der Stahlverbindungen festgestellt. Um ein Verständnis für die zugrundeliegenden Trag- und Schädigungsmechanismen zu erlangen und um den Zustand der vorgespannten Schraubverbindungen langzeitlich zu überwachen, wurde am Fallturm ein Structural Health Monitoring (SHM) System installiert. Für die Auslegung des Monitoringsystems sowie zur Unterstützung der Untersuchung des Schädigungsprozesses wurde ein numerisches Modell erstellt und in Bezug auf die gemessenen Antworten des Tragwerks kalibriert.
Im Vortrag werden die experimentellen und numerischen Untersuchungen zur Systemidentifikation des Stahlrohrgitterturms als auch die Überwachungskampagne mit dem eingesetzten Monitoringsystem sowie die Messergebnisse und deren Bewertung vorgestellt.
Structural health monitoring (SHM) of civil structures often is limited due to changing environmental conditions, as those changes affect the structural dynamical properties in a similar way like damages can do. In this article, an approach for damage detection under changing temperatures is presentedand applied to a beam structure. The used stochastic subspace-based algorithm relies on a reference null space estimate, which is confronted to data from the testing state in a residual function. For damage detection the residual is evaluated by means of statistical hypothesis tests. Changes of the system due to temperature effects are handled with a model interpolation approach from linear parameter varying system theory. From vibration data measured in the undamaged state at some few reference temperatures, a model of the dynamic system valid for the current testing temperature is interpolated. The reference null space and the covariance matrix for the hypothesis test is computed from this interpolated model. This approach has been developed recently and was validated in an academic test case on simulations of a mass-spring-damper. In this paper, the approach is validated experimentally on a beam structure under varying temperature conditions in a climate chamber. Compared to other approaches, the interpolation approach leads to significantly less false positive alarms in the reference state when the structure is exposed to different temperatures, while faults can still be detected reliably.
The subject of damage localization is an important issue for Structural Health Monitoring (SHM) particularly in mechanical or civil structures under ambient excitation. In this paper, the statistical subspacebased damage localization method has been applied on a benchmark application, namely a 1/200 scale model of the Saint-Nazaire Bridge, which is a cable-stayed bridge located on the Loire River near the river’s mouth. The employed damage localization method combines data-driven features with physical parameter information from a finite element model in statistical tests, avoiding typical ill-conditioning problems of FE model updating. Damage is introduced in the mockup for cable failures on some of the 72 cables. The purpose of the experiment is to assess the capability of damage assessment methods to find a cable failure.
The subject of damage localization is an important issue for Structural Health Monitoring (SHM) particularly in mechanical or civil structures under ambient excitation. In this paper, the statistical subspacebased damage localization method has been applied on a benchmark application, namely a 1/200 scale model of the Saint-Nazaire Bridge, which is a cable-stayed bridge located on the Loire River near the river’s mouth. The employed damage localization method combines data-driven features with physical parameter information from a finite element model in statistical tests, avoiding typical ill-conditioning problems of FE model updating. Damage is introduced in the mockup for cable failures on some of the 72 cables. The purpose of the experiment is to assess the capability of damage assessment methods to find a cable failure.
Schutzbauwerke von systemkritischen Infrastruktureinrichtungen wie Betonwände und Betonbarrieren müssen Anprallereignissen oder schweren Unfällen in einem vertretbaren Maße widerstehen können. Anprallereignisse können verschiedenster Natur sein. Hierzu zählen Steinschlag, Fahrzeug- oder Flugzeuganprall oder auch Geschosseinschlag. Geschosseinschläge bzw. Bei den Anprall- oder Impaktereignissen wird zwischen hartem und weichem Anprall unterschieden, bei hartem Anprall verformt sich der Anprallkörper nicht oder nur geringfügig, bei weichem Anprall stark.
In diesem Artikel werden Forschungsergebnisse zum harten Anprall auf bewehrte Stahlbetonplatten vorgestellt, welche über die letzten Jahre im Rahmen eines Kooperationsprojekts zwischen dem Institut für Massivbau (IMB) der Technischen Universität Dresden (TUD) und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführt wurden. Auf dem Gelände des Otto-Mohr-Labors (OML) der TUD steht hierfür ein speziell konzipierter Fallturm zur Verfügung. Der Aufbau im Fallturm lässt aktuell druckluftbeschleunigte Impaktversuche mit mittleren Anprallgeschwindigkeiten zu. Die durch Anprall geschädigten Stahlbetonplatten wurden anschließend bei der BAM mit Strahlung tomographisch untersucht. Diese Untersuchungen ermöglichen einen Blick auf die Schädigung und Rissstruktur im Inneren der Stahlbetonplatten.
Ein Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchung ist der Vergleich von Testergebnissen mit den häufig angewendeten halbempirischen Berechnungsmethoden zu den erforderlichen Wandstärken und den sich daraus ergebenden zulässigen Anprallgeschwindigkeiten. Bei diesem Vorgehen wird auch die mit analytischen Methoden abschätzbare Durchdringungsgeschwindigkeit bzw. Austrittgeschwindigkeit eines Projektils ermittelt und mit den realen Testergebnissen verglichen. Außerdem wird der Einfluss von sowohl externen als auch internen Strukturparametern auf Risse betrachtet und ein Fazit abgeleitet. Weiterhin werden laufende und zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen zum Anprall auf Betonstrukturen am IMB und der BAM genannt.
Risslumineszenz
(2018)
Structural health monitoring (SHM) intends to improve the management of engineering structures. The number of successful SHM projects – especially SHM research projects – is ever growing, yielding added value and more scientific insight into the management of infrastructure asset. With the advent of the data age, the value of accessible data becomes increasingly evident. In SHM, many new data-centric methods are currently being developed at a high pace. A consequent application of research data management (RDM) concepts in SHM projects enables a systematic management of raw and processed data, and thus facilitates the development and application of artificial intelligence (AI) and machine learning (ML) methods to the SHM data. In this contribution, a case study based on an institutional RDM framework is presented. Data and metadata from monitoring the structural health of the Maintalbrücke Gemünden for a period of 16 months are managed with the RDM system BAM Data Store, which makes use of the openBIS data management software. An ML procedure is used to classify the data. Feature engineering, feature training and resulting data are performed and modelled in the RDM system.
Planar tomography and numerical analysis for damage characterization of impact loaded RC plates
(2020)
The damage analysis of reinforced concrete (RC) is of high interest for reasons of effective maintenance and structural safe-ty of buildings. The damage structures of RC plates loaded by an impact were investigated, applying X-ray planar tomogra-phy and finite element method (FEM). Planar tomography allows getting three-dimensional information of the RC elements and the damage including crack, spalling and scabbing. The FEM model validated on the tomography data justifies the appli-cation for further predictions of the damage description. In this study, we investigated concrete plates of three different thick-ness subjected to impacts at different low- and medium-velocity, whereby the used impactor had a flat tip, which resulted in small penetrations on the front side and scabbing on the rear side. In order to quantify the damage, the damage volume and its distribution through the plate were computed and the correlations between degree of damage and impact velocity were found out.
The Stochastic Dynamic Damage Locating Vector (SDDLV) approach is a vibration-based damage localization method based on both a finite element model of a structure and modal parameters estimated
from output-only measurements in the damage and reference states. A statistical version of the Approach takes into account the inherent uncertainty due to noisy measurement data. In this paper, the effect of temperature fluctuations on the performance of the method is analyzed in a model-based approach using a finite element model with temperature dependent parameters. Robust damage localization is carried out by rejecting the temperature influence on the identified modal parameters in the damaged state. The algorithm is illustrated on a simulated structure.
The Stochastic Dynamic Damage Locating Vector (SDDLV) approach is a vibration-based damage localization method based on both a finite element model of a structure and modal parameters estimated from output-only measurements in the damage and reference states. A statistical version of the Approach takes into account the inherent uncertainty due to noisy measurement data. In this paper, the effect of temperature fluctuations on the performance of the method is analyzed in a model-based approach using a finite element model with temperature dependent parameters. Robust damage localization is carried out by rejecting the temperature influence on the identified modal parameters in the damaged state. The algorithm is illustrated on a simulated structure.
The structural integrity of outer reinforced concrete (RC) containments of nuclear power plants provides an essential shield against external hazards. If this containment is damaged by an impact event, such as an aircraft crash, the question arises to which degree the reinforced concrete containment still has its protective capability. This concerns both purely structural protection and protection against liquids penetrating the interior of the containment. Due to the dimensions of the containment structures, it is difficult to perform real scale impact experiments, so in the past decades plate geometries at medium scale have been used for investigations. Detailed investigations on the structural behaviour of RC members or RC plates subjected to impact loading have already been presented in Just et al., Hering, Hering et al., Bracklow et al., Hille et al. and Nerger et al.
The following investigations deal with the single and multiple impact event (first hard impact and/or subsequent soft impact) on a RC specimen, which provides the basis for further investigations. A description of the test setup and the test procedure as well as a presentation of the test results from the impact tests are provided.
Furthermore, the experimental program is presented, which the damaged RC specimens are to undergo to deal with the question of how much the impact-damaged RC structure has become permeable to liquid media, such as water and kerosene, depending on the intensity of the impact. The aim of these following investigations is to develop a test setup that can be applied to investigate the liquid penetration behaviour (LPB) of small, medium, and large-scale RC members.
In addition to the liquid penetration experiments, the damaged specimens are to be examined by planar tomography to obtain the damage inside the specimen. The combination of damaging event, fluid penetration behaviour and tomography should enable a comprehensive understanding of the damage to the RC specimen.
Reinforced concrete (RC) is used as structural material in most diverse civil engineering applications. For the variability of its physical properties it is still an engineering challenge to meet all necessary requirements for the prediction of dynamic effects under impact loading. In this paper, investigations are shown within the scope of quantifying and evaluating the damage caused by an impact. The experimental investigations are performed in the field of low- and medium-velocity impact. The chosen flat nose shape results in small penetrations on the top side and scabbing on the bottom side. The plate is scanned with an adapted planar tomographic examination after the impact, and the damage is analysed, afterwards. Cracks and spalling are made visible with a reconstruction. The numerical model validated on the tomographic results justifies the application for further predictions of the damage description.
At the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) full scale specimens for nuclear transport and storage containers (casks) are tested for their structural integrity in a series of drop tests on the Test Site Technical Safety in Horstwalde, 50 km south of Berlin. These drop tests cause a major stress not only on the casks, but also on the steel tower structure of the test facility, itself. The load pattern makes the structure very interesting for detailed investigation. The focus of the monitoring lies on the bolted joints of the flange connections that are a typical connection for cylindrical elements if welding is technical or economical unfavorable. The definition of the monitoring takes was done by investigating the existing documents and inspection results accompanied by building an initial digital representation of the structure, consisting of two finite element (FE) models and a geometrical 3D point cloud representation. As a first step the structures behavior during static and dynamic loading was analyzed using measurement data and an updated numerical FE Model. The idea behind is to use models for a digital planning and operation/evaluation of the structural health monitoring. A static FE simulation and a dynamic FE simulation are generated, to investigate how the structure behaves under the load conditions.
Within the presented research project, experimental and numerical investigations were performed to develop a thin-shelled, modular, mobile element system made of a micro-reinforced ultra-high-performance ductile concrete (DUCON®). Material parameters were experimentally determined to adapt the material model within the numerical analysis applying the Drucker-Prager relationship. Afterwards, for validation of the numerical models, quasi-static and high-velocity impact tests were performed on plate-like structures. Finally, a suitable geometry of transportable barrier elements will be designed, which provides a maximum of resistance against impact by a minimum of weight and a maximum of mobility.
Within the presented research project, experimental and numerical investigations were performed to develop a thin-shelled, modular, mobile element system made of a micro-reinforced ultra-high-performance ductile concrete (DUCON®). Material parameters were experimentally determined to adapt the material model within the numerical analysis applying the Drucker-Prager relationship. Afterwards, for validation of the numerical models, quasi-static and high-velocity impact tests were performed on plate-like structures. Finally, a suitable geometry of transportable barrier elements will be designed, which provides a maximum of resistance against impact by a minimum of weight and a maximum of mobility.