7.2 Ingenieurbau
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Dieses Dokument enthält die Präsentationsfolien des BAM-Teams beim Abschlusstreffen des Forschungsprojekts DiMoWind-Inspect. Es wurden die Arbeitspakete Datenmanagement, Referenzkennzeichnungssystem, Grundlagen der Schadensbewertung, Risikobasierte Inspektions- und Instandhaltungsplanung und Schadensdetektion mittels Risslumineszenz sowie eine abschließende Bewertung des Projekts vorgestellt.
Protection against terrorist or accidental scenarios in industrial settings requires suitable designs of structures to resist blast loads. Field testing as well as finite element simulations are among the techniques available to engineers in the understanding of the structural behavior against blast loading. As blast testing of complex scenarios can be very resource intensive, tests are generally performed for simplified scenarios. Numerical tools can be used to model these scenarios in order to get a better insight into blast loading, structural response and the resulting damage to the structure. In the next steps, the simplified scenario is successively modified in numerical simulations to incorporate complexities that cannot be covered in blast testing experiments. One of the conditions for this approach to work is that the original simplified numerical simulation is valid. The scopes and challenges encountered in such a validation are the focus of this presentation. A relatively ‘simple’ field test of a horizontal reinforced concrete (RC) slab subjected to blast loading is taken as an example for validation of the performance of numerical tools. The blast test incorporated various measurement techniques to quantify the blast load as well as the behavior of the RC slab. Blast load was measured using flush-mounted piezoelectric pressure gauges, whereas acceleration sensors and fiber-optic sensor cables were used to characterize the dynamic behavior of the slab under blast loading. Additionally, damage characteristics were ascertained also using fiber-optic sensing. The application of such measurement techniques, along with different numerical software available for the analysis of the scenario in question,
demonstrate the scope of our contribution.
This paper presents an experimental study on the hydraulic failure of a submerged layer of cemented soil stressed by a localized upward water flow. Different mixtures of glass beads bonded with solid paraffin bridges were used as artificial material for the cemented granular soil. Variations in the cementation strength of the material were carefully introduced with different particle sizes and binder contents. The hydraulic fracture tests were then carried out with an upward flow injected at a controlled rate through a small section at the bottom of the samples. From a phenomenological perspective, the results reveal the existence of at least three modes of failure for a cemented soil layer: (1) overall block uplift, (2) block rupture by median crack at the inflow zone, and (3) progressive excavation of a fluidized path along the walls. The critical flow rate and pressure drop conditions at failure have been carefully quantified for the different mixtures and layer thicknesses, leading to a fair estimation of the hydraulic resistance of the samples, which here is found to be virtually independent of the grain size. However, the test results also showed inconsistent failure modes precluding so far the derivation of a simple phase diagram. Nevertheless, it was possible to rationalize all the measured data by employing appropriate modifications of the classical dimensionless numbers that describe the fluidization of purely frictional materials, whereby the cementation strength of the soil is quantified at the microscale through the yield tensile force of the intergranular bonds. Irrespective of its subsequent development, during which boundary conditions obviously play a major role, the initiation of the instability appears to take place very locally at the inlet when the drag force induced by the flow overcomes the cementation strength of the paraffin bonds. The results of this study thus appear to endorse the extension of the dimensional relationships of particulate systems in interaction with fluid flows to the case of cemented granular materials, in a similar vein as in recent previous studies.
Structural Health Monitoring (SHM) wird zunehmend zur kontinuierlichen Zustandsbewertung von Ingenieurbauwerken eingesetzt. Wichtige Bewertungsparameter sind globale Systemeigenschaften, wie z. B. Eigenfrequenzen, zu deren Bestimmung Beschleunigungssensoren eingesetzt werden. Häufig werden sog. MEMS-Sensoren (Micro Electro Mechanical Systems) verwendet, die jedoch ein hohes Rauschniveau aufweisen. Alternativ können rauschärmere IEPE-Sensoren (Integrated Electronics Piezo Electric) eingesetzt werden, die auch bei geringster Strukturanregung Schwingungen zuverlässig erfassen. Ferner besteht das Problem, dass Änderungen der Eigenfrequenzen infolge Bauwerksschädigung schwer von Änderungen der Eigenfrequenzen infolge Umwelteinflüssen zu unterscheiden sind. Letztere verändern die Eigenschaften der Struktur und die des Messsystems. Um Umwelteinflüsse auf das Messsystem im Anwendungsgebiet Ingenieurbau zu untersuchen, wurden IEPE-Beschleunigungsaufnehmer hinsichtlich ihres Übertragungsverhaltens im niederfrequenten Beschleunigungsbereich analysiert. Es zeigt sich, dass das Verhalten nicht nur frequenz-, sondern auch temperaturabhängig ist, während die Luftfeuchte keinen Einfluss hat. Diese für das Bauwerk unbedenklichen Einflüsse müssen für eine robuste Zustandsüberwachung kompensiert werden. Für die Anwendung im Ingenieurbau werden IEPE-Sensoren empfohlen, da sie ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis aufweisen und niederfrequente Bauwerksschwingungen zuverlässig erfassen.
Im Forschungsprojekt DiMoWind-Inspect wurde untersucht, welche Grundvoraussetzungen geschaffen werden müssen, um digitale Methoden für die Instandhaltung von Offshore-Windenergieanlagen einsetzen zu können. Daten aus allen Lebensphasen der Anlagen werden derzeit nur selten effizient dafür genutzt, um die sinnvollsten Instandhaltungsmaßnahmen am richtigen Ort, zum richtigen Zeitpunkt und mit den geringsten Kosten durchzuführen. Eine im Vorhaben entwickelte einheitliche Strukturierung der bisher häufig unstrukturierten Bau- und Instandhaltungsdaten ermöglicht ihre übergreifende, anwenderspezifische Verfügbarkeit. Hierfür werden Prinzipien des Referenzkennzeichnungssystems RDS-PP adaptiert. Es wird aufgezeigt, wie neben Bauteilen auch zusätzliche Informationen wie Instandhaltungsmaßnahmen oder Mängel strukturiert werden können. Dem Ansatz des Building Information Modeling folgend werden die Bauwerkskomponenten direkt mit den Informationen aus Inspektionen und weiteren Instandhaltungsmaßnahmen verknüpft. So können Informationen aus dem Betrieb über den Zustand der Struktur verarbeitet und für die maßgebenden Berechnungen und Nachweise zur Verfügung gestellt werden. Als Anwendungsfall wird ein zweistufiges Konzept vorgestellt, das zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer eines korrosionsgeschädigten Konstruktionsdetails der Gründungsstruktur einer Offshore-Windenergieanlage mit Informationen aus der Instandhaltung eingesetzt wird.
This presentation is part of the Engineering Risk Analysis group open seminars. It aims to showcase the results of an ongoing study centered on developing a novel probabilistic methodology for 3D geotechnical site characterization. This methodology integrates data from Cone Penetration Tests (CPTs) and categorical borehole data. The presentation covers the mathematical details of the proposed Multivariate Gaussian Process model and demonstrates its application to a real geotechnical site in New Zealand.
Quantifying uncertainties in subsurface properties and stratigraphy can lead to better understanding of the ground conditions and enhance the design and assessment of geotechnical structures. Several studies have utilized Cone Penetration Test (CPT) data and employed Bayesian and Machine Learning methods to quantify the geological uncertainty, based on the Robertson’s soil classification charts and the Soil Behaviour Type Index (Ic). The incorporation of borehole data can reduce the stratigraphic uncertainty. Significant challenges can arise, however, mainly due to the intrinsic differences between field and laboratory-based soil classification systems, which can potentially lead to inconsistent soil classification. To this end, this study proposes a multivariate Gaussian Process model that utilizes site-specific data and: i) jointly models multiple categorical (USCS labels) and continuous (Ic) variables, ii) learns a (shared) spatial correlation structure and the betweenoutputs covariance, and iii) produces two types of dependent classification outputs. The results indicate that the integration of geotechnical and geological information into a unified model can provide more reliable predictions of the subsurface stratification, by allowing simultaneous interpretation of USCS and Ic profiles. Importantly, the model demonstrates the potential to integrate multiple variables of different types, aiming to contribute to the development of a methodology for joint modeling of geotechnical, geological and geophysical data.
Dieses Dokument beschreibt das Verfahren Schallemissionsanalyse zur Detektion von Spanndrahtbrüchen in Spannbetonbrücken im Rahmen einer kontinuierlichen Überwachung. Die Überwachung mit Schallemission liefert eine Aussage über die Anzahl von Spanndrahtbrüchen innerhalb des Überwachungszeitraumes und innerhalb der Reichweite der installierten Sensoren. Mit dem Verfahren können die Spanndrahtbrüche lokalisiert werden. Auf Basis einer weitgehend automatisierten Datenanalyse stehen Informationen über Drahtbrüche kurzfristig nach dem Ereignis zur Verfügung.
Der Anwendungsbereich des Dokuments umfasst Brücken- und Ingenieurbauwerke mit Spanndrähten mit sofortigem oder nachträglichem Verbund. Spannsysteme ohne Verbund fallen nicht in den Anwendungsbereich. Die beschriebenen Verfahren können auf Spannsysteme ohne Verbund übertragen werden. Mit dem Verfahren Schallemissionsanalyse ist es nicht möglich, Spanndrahtbrüche zu finden, die vor dem Beginn der Überwachung entstanden sind.
Das Dokument richtet sich an Baulastträger, Anbieter und Betreiber von Monitoringsystemen auf Basis der Schallemissionsanalyse sowie Ingenieurbüros, welche die Ergebnisse der Überwachung bewerten und Maßnahmen daraus ableiten. Es gibt Hinweise zur Planung, Ausschreibung, Installation und zum Betrieb von Monitoringsystemen zur Detektion von Spanndrahtbrüchen mit Schallemission sowie zur Überprüfung der Funktion installierter Systeme. Zur Funktionskontrolle werden Signale mit der Referenzquelle am Bauwerk ausgelöst. Diese Signale sind zu detektieren, innerhalb der vorgegebenen Genauigkeit zu
lokalisieren und die vorgegebene Alarmkette muss angestoßen werden.
Wir stellen unseren Ansatz und unsere Methodik zur Simulation von Piping-Erosion vor, welche während des Installationsprozesses von Suction Bucket Fundamenten für Offshore-Windkraftanlagen auftreten kann und ein kritisches Versagen des Installationsprozesses darstellt. Wir zeigen die Ergebnisse mehrere Simulationen und analysieren die hydrodynamischen und Kontaktkräfte, die auf das granulare Medium wirken, sowie die Druckdifferenz der flüssigen Phase. Solche Simulationen können zum besseren Verständnis von Piping-Erosion und letztendlich zu dessen Verhinderung beitragen.
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.