7.2 Ingenieurbau
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In this article, a partial selection of experiments on enhancing the impact resistance of structural components with non-metallic, textile-reinforced concrete is discussed. The focus is on the experimental investigations in which the impact resistance of thin, textile-reinforced concrete plates is characterized. The article discusses the materials, fabrics and test setup used. For the experimental work, a drop tower from the Otto Mohr Laboratory, which belongs to the Technische Universtät Dresden, was used. Furthermore, the experimental results are presented and evaluated using different methods. Based on the collected data, a suitable approach to determining the perforation velocity of an impactor through the investigated thin, textile-reinforced concrete plates is shown.
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.
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.
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.
The fatigue process of concrete under compressive cyclic loading is still not completely explored. The corresponding damage processes within the material structure are especially not entirely investigated. The application of acoustic measurement methods enables a better insight into the processes of the fatigue in concrete. Normal strength concrete was investigated under compressive cyclic loading with regard to the fatigue process by using acoustic methods in combination with other nondestructive measurement methods. Acoustic emission and ultrasonic signal measurements were applied together with measurements of strains, elastic modulus, and static strength. It was possible to determine the anisotropic character of the fatigue damage caused by uniaxial loading based on the ultrasonic measurements. Furthermore, it was observed that the fatigue damage seems to consist not exclusively of load parallel oriented crack structures. Rather, crack structures perpendicular to the load as well as local compacting are likely components of the fatigue damage. Additionally, the ultrasonic velocity appears to be a good indicator for fatigue damage beside the elastic modulus. It can be concluded that acoustic methods allow an observation of the fatigue process in concrete and a better understanding, especially in combination with further measurement methods.
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.
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.
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 advantages of the data-driven residual are demonstrated in a numerical study, and the importance of including the covariance of the reference null space estimate is shown, which increases the detection Performance.
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.
Automated modal analysis for tracking structural change during construction and operation phases
(2019)
The automated modal analysis (AMA) technique has attracted significant interest over the last few years, because it can track variations in modal parameters and has the potential to detect structural changes. In this paper, an improved density-based spatial clustering of applications with noise (DBSCAN) is introduced to clean the abnormal poles in a stabilization diagram. Moreover, the optimal system model order is also discussed to obtain more stable poles. A numerical Simulation and a full-scale experiment of an arch bridge are carried out to validate the effectiveness of the proposed algorithm. Subsequently, the continuous dynamic monitoring system of the bridge and the proposed algorithm are implemented to track the structural changes during the construction phase. Finally, the artificial neural network (ANN) is used to remove the temperature effect on modal frequencies so that a health index can be constructed under operational conditions.
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.
Impact resistance of reinforced concrete (RC) structures can be significantly improved by strengthening RC members with thin composite layers featuring high damage tolerance. Indeed, to limit the well-known vulnerability of cement-based materials against impact loading, the synergistic effects of short fibres and continuous textile meshes as hybrid reinforcement has been proved to be highly beneficial. This paper addresses the characterisation of novel cement-based hybrid composites through accelerated drop-weight impact tests conducted on rectangular plates at different impact energies. Two distinct matrices are assessed, with particular interest in a newly developed limestone calcined clay cement (LC3)-based formulation. Important parameters quantifying energy dissipation capability, load bearing capacity and damage are cross-checked to compute the ballistic limit and estimate the safety-relevant characteristics of the different composites at hand. Although textiles alone can improve the damage tolerance of fine concrete to some extent, the crack-bridging attitude of short, well-dispersed fibres in hybrid composites imparts a certain ductility to the cement-based matrices, allowing a greater portion of the textile to be activated and significantly reducing the amount of matrix spalling under impact.
Using digital twins for decision making is a very promising concept which combines simulation models with corresponding experimental sensor data in order to support maintenance decisions or to investigate the reliability. The quality of the prognosis strongly depends on both the data quality and the quality of the digital twin. The latter comprises both the modeling assumptions as well as the correct parameters of these models. This article discusses the challenges when applying this concept to realmeasurement data for a demonstrator bridge in the lab, including the data management, the iterative development of the simulation model as well as the identification/updating procedure using Bayesian inference with a potentially large number of parameters. The investigated scenarios include both the iterative identification of the structural model parameters as well as scenarios related to a damage identification. In addition, the article aims at providing all models and data in a reproducibleway such that other researcher can use this setup to validate their methodologies.
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.
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.