7.2 Ingenieurbau
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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.
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.
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.
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.
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).
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.
Repair is an indispensable part of the maintenance of structures over their lifetimes. Structural grouting is a widely used remediation technique for concrete components, trenches, mine subsidence, dam joints, restoration of masonry structures, and geological stabilizations. A structural grout system should be injectable in narrow spaces and hence include ingredients with finer particles. Ultrafine cements are ideal for these type of demanding grouts due to their superior properties compared to that of the less expensive, but coarser ordinary Portland cement (OPC). Supplementary cementitious materials (SCMs) are often used to replace OPC clinker based binder in order to modify certain properties and to reduce costs. The most commonly used SCMs are fly ash (FA), and ground granulated blast furnace slag (GGBS). For various special applications microsilica (MS), and metakaolin (MK) are also used. Identifying the optimum replacement contents of OPC by SCMs are a challenge during the design of such grouts. The aim of this experimental study is to investigate the effect of the selected SCMs (FA, MS and MK) on the slump flow, time of efflux, viscosity, shrinkage, and compressive and flexural strength of ultrafine cement based grouts with constant water-binder ratio and superplasticizer content. The test program was formulated using Box-Behnken design principles. Maximum percentages of replacement with ultrafine cement was 6% by volume of cement for MS and 16% for FA, and MK. The results suggest that most investigated grouts have the potential to be used for structural applications. The appropriate quadratic models are then formulated through statistical tools and presented as response surfaces. The trends indicate that fly ash improves the rheological properties, whereas microsilica and metakaolin positively affect shrinkage and mechanical properties to some extent. Based on the influence of SCMs and priorities among the properties, Decision Matrix Analysis (DMA) is carried out to select the most suitable ones among the SCMs. The analysis suggests that microsilica and fly ash are more suitable as SCMs than metakaolin without affecting the properties.
Superplasticizer and shrinkage reducing admixture dosages for microfine cement in grout systems
(2018)
Grouts have numerous applications including crack repair as maintenance in construction industries. Microfine cements are intensively used for high strength mortar and grout products. They are ideal for injection grouting in structural repair. Such grouts should have suitable rheological properties to be injectable, especially those used in repair and rehabilitation. The use of superplasticizers (SP) in these products is thus becoming increasingly crucial to achieve favorable workability and viscosity properties. A difficulty in such grouts is the plastic shrinkage due to finer particles used. It is thus necessary to determine optimum SP and shrinkage reducing admixture (SRA) dosages for a microfine cement based grout. In this study, a saturation dosage was decided from two Polycarboxylate ether (PCE) based SPs in relation to neat cement using slump flow and rheological parameters. A range of grout mixtures was formulated containing micro silica (MS) and fly ash (FA), and tested for suitable rheological and mechanical parameters. Based on the results, a grout mixture with MS and FA was selected to determine optimum SRA content. According to the results, a SP dosage of 3% by weight of neat cement is sufficient to achieve saturation. The grout material including MS and FA can produce comparable properties to neat cement grout. MS is found to improve compressive strength within the range considered, whereas a higher FA content provides favourable rheological properties. Finally, a SRA dosage of 4%, which could reduce the shrinkage by about 43% after 28d days, is determined for the grout system.
Die Grundidee einer Schwingungsminderung ist es eine tiefe Eigenfrequenz der Struktur zu erreichen, so dass höhere Frequenzen abgemindert werden. Das gilt für die Minderung an der Quelle, zum Beispiel einem Eisenbahngleis, und für die Minderung am Empfänger, dem Gebäude. Die Eigenfrequenz ermittelt man aus dem Verhältnis der Auflagersteifigkeit und der Masse. Wie ist die Masse bei einem Gebäude zu wählen? Und wie ist die Untergrund-steifigkeit zu berücksichtigen? Als Referenzsituation ohne Minderungsma߬nahme? Der Beitrag bringt Rechenergebnisse zu abgefederten Gebäuden mit einfachen und komplexen (FE-) Modellen, Mess- und Rechenergebnisse zur Schwingungsübertragung von unabge-federten Gebäuden. Es wird der Einfluss der Abstimmfrequenz, der Bodensteifigkeit und der „starren“ Gebäudemasse untersucht. Die komplexen Gebäudemodelle erlauben, neben der Berechnung einer elastischen Gebäudelagerung, auch die Variation von Gebäudepara¬metern zur Reduktion der Deckenschwingungen. Den Ergebnissen bei der Erschütterungs-übertragung in Gebäude werden zwei ähnliche Beispiele zur elastischen Maschinenlagerung und zur elastischen Gleislagerung gegenübergestellt.
Die Grundidee einer Schwingungsminderung ist es eine tiefe Eigenfrequenz der Struktur zu erreichen, so dass höhere Frequenzen abgemindert werden. Das gilt für die Minderung an der Quelle, zum Beispiel einem Eisenbahngleis, und für die Minderung am Empfänger, dem Gebäude. Die Eigenfrequenz ermittelt man aus dem Verhältnis der Auflagersteifigkeit und der Masse. Wie ist die Masse bei einem Gebäude zu wählen? Und wie ist die Untergrundsteifigkeit zu berücksichtigen? Als Referenzsituation ohne Minderungsmaßnahme? Der Beitrag bringt Rechenergebnisse zu abgefederten Gebäuden mit einfachen und komplexen (FE-) Modellen, Mess- und Rechenergebnisse zur Schwingungsübertragung von unabgefederten Gebäuden. Es wird der Einfluss der Abstimmfrequenz, der Bodensteifigkeit und der „starren“ Gebäudemasse untersucht. Die komplexen Gebäudemodelle erlauben, neben der Berechnung einer elastischen Gebäudelagerung, auch die Variation von Gebäudeparametern zur Reduktion der Deckenschwingungen. Den Ergebnissen bei der Erschütterungs-übertragung in Gebäude werden zwei ähnliche Beispiele zur elastischen Maschinenlagerung und zur elastischen Gleislagerung gegenübergestellt.
This work describes a vibration-based structural health monitoring of a prestressed-concrete box girder bridge on the A100 Highway in Berlin by applying statistical pattern recognition technique to a huge amount of data continuously collected by an integrated monitoring system during the period from 2000 to 2013. Firstly, the general condition and potential damage of the bridge is described. Then, the dynamic properties are extracted from 20 velocity sensors. Environmental variability captured by five thermal transducers and traffic intensity approximately estimated by strain measurements are also reported. Nonlinear influences of temperature on natural frequencies are observed. Subsequently, the measurements during the first year are used to build a baseline health index. The multiple linear regression (MLR) method is used to characterize the nonlinear relationship between natural frequencies and temperatures. The Euclidean distance of the residual errors is calculated to build a statistical health index. Finally, the indices extracted from the following years gradually deviate; which may indicate structural deterioration due to loss of prestress in the prestressed tendons.
Right from the beginning of applying SHM to bridge structures it was obvious that environmental based perturbations on the measurement significantly influence the ability to identify structural damage. Strategies are needed to classify such effects and consider them appropriately in SHM. Various methods have been developed and analyzed to separate environmental based effects from damage induced changes in the measures. Generally, two main approaches have emerged from research activity in this fields: (a) statistics based tools analyzing patterns in the data or in computed parameters and (b) methods, utilizing the structural model of the bridge taking into account environmental as well as damage based changes of stiffness values.
With the back-ground of increasing affordability of sensing and computing technology, effort should be made to increase sensitivity, reliability and robustness of procedures, separating environmental from damage caused changes in SHM measures. The contribution describes both general strategies and points out their Advantages and drawbacks. As basis, a review on relevant methods was conducted. The aim of the study is to classify approaches for separating damage describing information from environmental based perturbations in dependency of the SHM objective. And such, it is intended to describe a best practice in designing concepts for Monitoring infrastructure, naturally effected by environmental influences.
The response of many geotechnical systems, whose structural behavior depends on granular friction and a shearing effect with the ground, is characterized by a complex soil-structure interaction at their interfaces. Experimentally it is found that this interaction is highly non-linear, state-dependent and localized within a narrow layer of soil next to the structure, whereby cyclic loads can play a key role. Numerically, this behavior is often modelled with overly simplified models of interface elements that neglect cyclic effects within the soil. This work introduces a new perspective with an adequate constitutive model in the framework of Generalized Plasticity for sandy soils for an improved consideration of the interface mechanics.
Cerro do Jarau is a conspicuous, circular morpho‐structural feature in Rio Grande do Sul State (Brazil), with a central elevated core in the otherwise flat “Pampas” terrain typical for the border regions between Brazil and Uruguay. The structure has a diameter of approximately 13.5 km. It is centered at 30o12′S and 56o32′W and was formed on basaltic flows of the Cretaceous Serra Geral Formation, which is part of the Paraná‐Etendeka Large Igneous Province (LIP), and in sandstones of the Botucatu and Guará formations. The structure was first spotted on aerial photographs in the 1960s. Ever since, its origin has been debated, sometimes in terms of an endogenous (igneous) origin, sometimes as the result of an exogenous (meteorite impact) event. In recent years, a number of studies have been conducted in order to investigate its nature and origin. Although the results have indicated a possible impact origin, no conclusive evidence could be produced. The interpretation of an impact origin was mostly based on the morphological characteristics of the structure; geophysical data; as well as the occurrence of different breccia types; extensive deformation/silicification of the rocks within the structure, in particular the sandstones; and also on the widespread occurrence of low‐pressure deformation features, including some planar fractures (PFs). A detailed optical microscopic analysis of samples collected during a number of field campaigns since 2007 resulted in the disclosure of a large number of quartz grains from sandstone and monomict arenite breccia from the central part of the structure with PFs and feather features (FFs), as well as a number of quartz grains exhibiting planar deformation features (PDFs). While most of these latter grains only carry a single set of PDFs, we have observed several with two sets, and one grain with three sets of PDFs. Consequently, we here propose Cerro do Jarau as the seventh confirmed impact structure in Brazil. Cerro do Jarau, together with Vargeão Dome (Santa Catalina state) and Vista Alegre (Paraná State), is one of very few impact structures on Earth formed in basaltic rocks.
Risslumineszenz
(2018)
Die Risikoanalyse ist ein formales Verfahren zur Unterstützung von Entscheidungen unter Unsicherheit und Risiko. Es ermöglicht eine Optimierung von Maßnahmen zur Verhinderung unerwünschter Konsequenzen. Der Vortrag stellt die aktuellen Aktivitäten an der BAM in dem Feld Risikoanalyse technischer System vor.
Remediation of Cracks Formed in Grouted Connections of Offshore Energy Structures under Static Loads
(2018)
The future energy demand necessitates the exploration of all potential energy sources both onshore and offshore. Global trend has shifted towards offshore energy, which can be obtained from either carbon intensive or renewable options, hence requiring structures such as rigs, platforms, and monopiles. Most of these structures adopt easily installable construction techniques, where lower foundation need to be connected with the super structure by mean of grouted composite joints. Generally, these composite connections have exterior sleeve, interior pile and infill grout. Being located in remote offshore conditions, connections can experience considerable adverse loading during their lifetimes. Degradations were reported inside similar connections, which were installed in last three decades. Besides, grouting in the offshore sites may often be proven difficult, which eventually leads to reduced capacity of connections in the long run. Thus, repair and rehabilitation of such connections should be planned ahead to minimize operational delays and costs in the future. This study aims at characterizing the nature of crack generation in grouted connections and thereby identifying the potential of repair using suitable repair material. Scaled grouted joints were manufactured using a novel mold, and connections were loaded under static load to visualize the main failure pattern. The failure mechanism and loading capacity are found compatible to previous results from earlier literature. Grouted connection was then repaired using cementitious injectable grout. The effectiveness of the repair system is also discussed.