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Eingeladener Vortrag
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Brücken werden durch Inspektionen und teilweise durch Monitoring überwacht, um Daten und Informationen über den Zustand und die Einwirkungen zu sammeln. Auf deren Grundlage werden Entscheidungen hinsichtlich Maßnahmen zur Gewährleistung der Sicherheit und Verfügbarkeit getroffen. In diesem Vortrag werden die Potentiale der Digitalisierung zur Unterstützung und Verbesserung der Brückenüberwachung diskutiert. Insbesondere werden die Bereiche Datenmanagement, Brückenmodellierung und Entscheidungsfindung betrachtet.
Acetylene pressure cylinders are widely used in the industrial sector for welding, flame cutting, or heating.
Sometimes during work, not only with acetylene cylinders, fires occur and in this case the risk of destruction increases and the behavior of such an exposed cylinder is unpredictable. The purpose of this study is to identify those critical conditions when acetylene cylinders burst and explode in fires. In the present study, acetylene cylinders were exposed to fire conditions. For this purpose, a woodpile as a source of fire was chosen, tested, and evaluated. In addition to the fire condition, this option guaranteed reproducibility and similar conditions for all tests. The individual cylinders were equipped with thermocouples measuring the shell temperature, and half of them were prepared in order to measure the temperatures inside the cylinder. An important factor was the measurement of the amount of pressure that was achieved during the destruction of the cylinder. For this purpose, a pressure transducer was attached to the outlet of the cylinder valve. Exposed to direct fire, they can explode in 10 min, which was confirmed. The critical pressure of 40 bar has been reached in 6 min, followed by destruction after 7 min in fire. Cylinders with internal thermocouples were destroyed when lower pressure was achieved. This confirms the fact that any change of the pressure cylinder affects the original properties. After the tests, the fragments of the selected cylinders were subjected to material tests. The results obtained in these tests are the main source of information for understanding the behavior of acetylene cylinders in fire and the possibility of increasing the safety of intervening rescue services in an emergency.
This paper presents a method for processing acceleration data registered on a train and determining the health condition of a subway’s substructure. The acceleration data was converted into a dynamic deformation by applying a transfer function defined using the Empirical Mode Decomposition Method.
The transfer function was constructed using data produced on an experimental rig, and it was scaled to an existing subway system. The equivalent deformation improved the analysis of the dynamic loads that affect the substructure of the subway tracks because it is considered the primary load that acts on the track and substructure. The acceleration data and the estimated deformations were analyzed with the Continues Wavelet Transform. The equivalent deformation data facilitated the application of a health monitoring system and simplified the development of predictive maintenance programs for the subway or railroad operators. This method better identified cracks in the substructure than using the acceleration data.
Forschung zur zivilen Sicherheit: Homemade Explosives besser erkennen und Anschläge verhindern
(2022)
Terroranschläge stellen nach wie vor eine stete Bedrohung für Gesellschaften weltweit dar. Häufig bedienen sich Terroristen*innen dabei selbsthergestellter Explosivstoffe, auch als homemade explosives (HMEs) bezeichnet, die aus alltäglichen Chemikalien in improvisierten Laboratorien hergestellt werden. Anleitungen für die Herstellung solcher Explosivstoffe werden im Internet geteilt und setzen meist kein oder nur ein rudimentäres Verständnis der Chemie voraus. Um geplante Terroranschläge schon während der Phase der Herstellung zu vereiteln, werden Methoden entwickelt, die frühzeitig Hinweise auf solche Aktivitäten geben. In dem EU-geförderten Projekt ODYSSEUS wird in enger Zusammenarbeit zwischen Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) sowie Partnern aus Industrie und Forschung an der Entwicklung neuer Methoden zur Erkennung von HMEs und ihrer Ausgangsstoffe gearbeitet.
Cementitious materials are frequently applied in environments in which they are exposed to acid attack, e.g., in sewer systems, biogas plants, and agricultural/food-related industries. Alkali-activated materials (AAMs) have repeatedly been shown to exhibit a remarkably high resistance against attack by organic and inorganic acids and, thus, are promising candidates for the construction and the repair of acid-exposed structures. However, the reaction mechanisms and processes affecting the acid resistance of AAMs have just recently begun to be understood in more detail. The present contribution synthesises these advances and outlines potentially fruitful avenues of research. The interaction between AAMs and acids proceeds in a multistep process wherein different aspects of deterioration extend to different depths, complicating the overall determination of acid resistance. Partly due to this indistinct definition of the ‘depth of corrosion’, the effects of the composition of AAMs on their acid resistance cannot be unambiguously identified to date. Important parallels exist between the deterioration of low-Ca AAMs and the weathering/corrosion of minerals and glasses (dissolution-reprecipitation mechanism). Additional research requirements relate to the deterioration mechanism of high-Ca AAMs; how the character of the corroded layer influences the rate of deterioration; the effects of shrinkage and the bond between AAMs and substrates.
Der diesjährige Beitrag zeigt den Einfluss ausgewählter Versuchsrandbedingungen auf das Abplatzverhalten von Normalbeton im kleinskaligen Brandversuch. Im Rahmen der Untersuchungen wurde die Abplatzneigung von acht zylindrischen Betonprüfkörpern der Maße Ø47 cm x 29 cm aus Normalbeton analysiert. Vier Prüfkörper wurden aus Normalbeton mit quarzitischer Gesteinskörnung hergestellt, wohingegen die grobe Gesteinskörnung (>2 mm) der anderen vier Prüfkörper durch Basaltsplitt ersetzt wurde. Neben der Art der groben Gesteinskörnung wurden zusätzlich ausgewählte Versuchsrandbedingungen variiert. Dies umfasste zum einen die Vorlagerung der Prüfkörper bei verschiedenen Umgebungsfeuchten und zum anderen die Ummantelung der Prüfkörper mit zwei Ringen aus Stahl bzw. einem durchgehenden Stahlblech. Die Ummantelung der Prüfkörper mit Stahlringen im Brandversuch führt zu einer Behinderung der thermischen Ausdehnung der Prüfkörper und zum Aufbau thermomechanischer Zwangsdruckspannungen. Diese Zwangsdruckspannungen werden maßgeblich von der thermischen Ausdehnung der verwendeten Gesteinskörnung beeinflusst. Zusätzlich wird die Feuchteabgabe über die Mantelfläche behindert. Der Einsatz des Stahlblechs reduziert lediglich die Abgabe der Feuchtigkeit über die Mantelfläche und induziert vernachlässigbare Zwangsdruckspannungen im Beton. Die Brandbeanspruchung der Prüfkörper erfolgte einseitig nach der Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK) über einen Zeitraum von 60 Minuten. Mit Hilfe eines Laser Scanners wurden vergleichende 3D-Messungen der brandbeanspruchten Oberfläche vor und nach dem Brandversuch durchgeführt. Aus diesen Messungen konnten das Abplatzvolumen, die Abplatztiefenverteilung und die maximale Abplatztiefe ermittelt werden. Während des Brandversuchs wurde die Temperaturverteilung im Prüfkörper mittels fünf eingebetteter Mantelthermoelemente in verschiedenen Tiefen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Abplatzungen an der brandbeanspruchten Oberfläche infolge der Prüfkörperummantelung mit Stahlringen bzw. Stahlblech zunehmen. Bei einer Ummantelung mit Stahlringen mit gleichzeitiger Vortrocknung der Betonrandzone platzt der Prüfkörper mit quarzitischer Gesteinskörnung ab, wohingegen der Prüfkörper mit basaltischer Gesteinskörnung keine Abplatzungen aufweist. Dies wird auf die unterschiedliche Ausprägung der thermomechanischen Schädigung infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Quarzkies und Basalt zurückgeführt.
Die Ergebnisse der Brandprüfserie zeigen, dass die Variation der Prüfrandbedingungen bei Beibehaltung der Prüfkörpergröße einen maßgeblichen Einfluss auf das Abplatzverhalten haben. Die Randbedingungen sind daher bei kleinskaligen Brandversuchen, die zukünftig als „Screening-Tests“ ersatzweise für kostenintensive Bauteilversuche verwendet werden sollen, zu berücksichtigen.
Der Beitrag stellt experimentelle Untersuchungen zum Feuerwiderstand von Carbonzuggliedern vor. Die Anwendung von Zuggliedern aus Carbon ist durch die außergewöhnlich gute Ermüdungs- sowie hohe Zugfestigkeit des Werkstoffs motiviert. Ferner ergibt sich gegenüber Stahl eine deutliche Reduzierung des Querschnitts. Perspektivisch sollen damit Stahlzugglieder im Netzwerkbogenbrückenbau ersetzt werden. Durch die Materialsubstitution werden Ressourcen nicht nur beim Zugglied selbst, sondern auch am Gesamttragwerk der Brücke eingespart. Da zum Tragverhalten von Carbonzuggliedern im Brandfall bislang keine Erkenntnisse vorliegen, sollen mit Hilfe von Bauteilbrandversuchen die Versagensmechanismen sowie die grundsätzliche Gleichwertigkeit gegenüber konventionellen Stahlhängern untersucht werden.
Der Beitrag beschreibt die Durchführung und die Ergebnisse von Brandversuchen an mechanisch belasteten Carbonzuggliedern. Die realmaßstäblichen Versuche werden am unikalen Zugbauteil-prüfofen der BAM im Mai 2022 durchgeführt. Das Versuchsprogramm umfasst vier Carbonzugglieder mit kreisrunden Querschnitten in zwei verschiedenen Durchmessern, ⌀36 mm und ⌀51 mm. Aus Gründen der Vergleichbarkeit erfolgt die Brandbeanspruchung nach Einheits-Temperaturzeitkurve (ETK). Während des Brandversuches wird die axiale Prüfkraft von 750 kN bzw. 1500 kN bis zum Eintreten des Probenversagens konstant gehalten. Zusätzlich werden die Längsverformung sowie die Bauteil- und Brandraumtemperaturen aufgezeichnet.
In einem Vorversuch an einem unbelasteten Bauteilabschnitt eines Carbonzuggliedes konnte das Brand- und Erwärmungsverhalten des Verbundmaterials untersucht werden. Dabei zeigten sich Makrorisse und eine Zersetzung der Kunststoffmatrix sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit der Kohlenstofffasern. Durch das Fehlen der schützenden Matrix reagierten die Carbonfasern sensibel auf Querbeanspruchung. Dies führte zu einem Bruch und Ablösen der oberflächennahen Fasern.
Intumescent coatings are used in civil engineering to improve the fire resistance of steel constructions. Due to the thin coating thickness and the profile-following application, the architectural appearance of the steel structure can be preserved. EN 13381-8 provides regulations to determine the contribution to the fire resistance of intumescent coatings applied to steel beams and columns. The scope of this standard excludes tension members and steel members with solid sections. For products that have already been successfully tested and assessed on beams and columns, EN 13381-10 offers the possibility based on unloaded fire tests to extend the scope of application of intumescent coatings to tension bars with solid sections. This approach contradicts the national safety level in Germany, where mechanically loaded testing is mandatory. Therefore, a new part of the test standard series EN 13381 is currently developed to enable the application of intumescent coatings on steel tension bars with solid section based on mechanically loaded fire tests. BAM has already carried out numerous fire tests on loaded steel tension members with intumescent coatings. Currently, in the BAM research project FIRESTEMIC, the influence of the steel bar orientation and the profile type on the thermal performance of intumescent coatings are investigated. Both questions concerning the thermal protection ability of intumescent coatings were analysed based on three different test sets, which were carried out in the tension furnace (Fig. 1a). The fire exposure corresponds to the standard temperature-time curve according to EN 1363-1.
This paper summarises the main findings from the fire tests conducted in the FIRESTEMIC project. The results serve as an experimental background for the proposal of the new standard. Regarding the bar orientation, a new test setup was developed and proposed for the new standard. The two tested commercial water-based intumescent coatings with applied dry film thickness from 1.5 mm to 2.5 mm showed only a slight dependence on the bar orientation. In terms of the steel profile type, circular and rectangular solid sections with identical section factor and applied dry film thickness were tested. It was observed that the circular solid bars with diameter 30 mm heat up faster compared to the solid rectangular bars with dimension 30×30 mm (Fig. 1b). Also at larger steel bars, i.e. diameter 40 mm and dimension 40×40 mm, the same trend occurred. Thus, it is recommended for the new test standard to allow a transfer of the test results from circular to rectangular solid sections. In addition, the paper will describe and explain the test and assessment procedure proposed for the newly developed standard.
Bei einer turnusmäßigen Inspektion der B1 Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel wurden im Dezember 2019 Risse und Hohlstellen entlang der Längsträger festgestellt. Als Ursache wurde das Versagen eines signifikanten Anteils der Spanndrähte der konzentrierten Spannglieder vermutet. Die Brücke wurde umgehend für den Verkehr gesperrt und nach weiteren, umfassenden Untersuchungen im Mai 2021 abgebrochen.
Um die Sicherheit des unter der Brücke geführten Verkehrs zu gewährleisten, wurde die Brücke unter anderem mit einem Schallemissionsmesssystem überwacht. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Spanndrahtbrüche zuverlässig zu detektieren und zu lokalisieren. In dem gut einjährigen Überwachungszeitraum wurden mehr als einhundert Spanndrahtbrüche detektiert, die in einigen Bereichen der Brücke besonders konzentriert auftraten.
Vor dem Abbruch der Brücke war es möglich, den Nachweis der Detektion von Spanndrahtbrüchen mit der Schallemissionsanalyse und ihre Ortungsgenauigkeit anhand von künstlich erzeugten Drahtbrüchen zu validieren. Weiterhin konnte das sichtbare Schadensbild, Längsrisse und Hohlstellen über den Spannkanälen, auf die lokale Schädigung der Spanndrähte zurückgeführt werden. Derzeit wird ein Merkblatt erarbeitet, in dem die Erfahrungen in der bisherigen Anwendung der Schallemissionsanalyse zum Monitoring von Spanndrahtbrüchen zusammengefasst werden.
In diesem Beitrag werden die Grundlagen der Schallemissionsanalyse und die Ergebnisse der Validierungsversuche an der Brücke in Brandenburg dargestellt. Weiterhin werden die Vorteile und Grenzen der Brückenüberwachung mittels Schallemissionsanalyse sowie Maßnahmen zur Sicherstellung der Qualität und der Zuverlässigkeit diskutiert.
During their life span, concrete structures interact with many kinds of external mechanical loads. Most of these loads are considered in advance and result in reversible deformations. Nevertheless, some of the loads cause irreversible, sometimes unnoticed changes below the macroscopic scale depending on the type and dimension of the impact. As the functionality of concrete structures is often relevant to safety and society, their condition must be known and, therefore, assessed on a regular basis. Out of the spectrum of non-destructive monitoring methods, Coda Wave Interferometry using embedded ultrasonic sensors is one particularly sensitive technique to evaluate changes to heterogeneous media. However, there are various influences on Coda waves in concrete, and the interpretation of their superimposed effect is ambiguous. In this study, we quantify the relations of uniaxial compression and uniaxial tension on Coda waves propagating in normal concrete. We found that both the signal correlation of ultrasonic signals as well as their velocity variation directly reflect the stress change in concrete structures in a laboratory environment. For the linear elastic range up to 30% of the strength, we calculated a velocity variation of −0.97‰/MPa for compression and 0.33%/MPa for tension using linear regression. In addition, these parameters revealed even weak irreversible changes after removal of the load. Furthermore, we show the time-dependent effects of shrinkage and creep on Coda waves by providing the development of the signal parameters over time during half a year together with creep recovery. Our observations showed that time-dependent material changes must be taken into account for any comparison of ultrasonic signals that are far apart in time. The study’s results demonstrate how Coda Wave Interferometry is capable of monitoring stress changes and detecting even small-size microstructural changes. By indicating the stated relations and their separation from further impacts, e.g., temperature and moisture, we anticipate our study to contribute to the qualification of Coda Wave Interferometry for its application as an early-warning system for concrete structures.
Bei einer turnusmäßigen Inspektion der B1 Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel wurden im Dezember 2019 Risse und Hohlstellen entlang der Längsträger festgestellt. Als Ursache wurde das Versagen eines signifikanten Anteils der Spanndrähte der konzentrierten Spannglieder vermutet. Die Brücke wurde umgehend für den Verkehr gesperrt und nach weiteren, umfassenden Untersuchungen im Mai 2021 abgebrochen.
Um die Sicherheit des unter der Brücke geführten Verkehrs zu gewährleisten, wurde die Brücke unter anderem mit einem Schallemissionsmesssystem überwacht. Mit diesem Verfahren ist es möglich, Spanndrahtbrüche zuverlässig zu detektieren und zu lokalisieren. In dem gut einjährigen Überwachungszeitraum wurden mehr als einhundert Spanndrahtbrüche detektiert, die in einigen Bereichen der Brücke besonders konzentriert auftraten.
Vor dem Abbruch der Brücke war es möglich, den Nachweis der Detektion von Spanndrahtbrüchen mit der Schallemissionsanalyse und ihre Ortungsgenauigkeit anhand von künstlich erzeugten Drahtbrüchen zu validieren. Weiterhin konnte das sichtbare Schadensbild, Längsrisse und Hohlstellen über den Spannkanälen, auf die lokale Schädigung der Spanndrähte zurückgeführt werden. Derzeit wird ein Merkblatt erarbeitet, in dem die Erfahrungen in der bisherigen Anwendung der Schallemissionsanalyse zum Monitoring von Spanndrahtbrüchen zusammengefasst werden.
In diesem Beitrag werden die Grundlagen der Schallemissionsanalyse und die Ergebnisse der Validierungsversuche an der Brücke in Brandenburg dargestellt. Weiterhin werden die Vorteile und Grenzen der Brückenüberwachung mittels Schallemissionsanalyse sowie Maßnahmen zur Sicherstellung der Qualität und der Zuverlässigkeit diskutiert.
The oxidation of sulfur in aqueous solutions is an important process in several geochemical and industrial contexts. In concrete technology, it is particularly relevant for the protection of steel reinforcement in slag cement-based concretes, as the presence of sulfides affects the passivation of the steel and corrosion initiation in the presence of chlorides. However, the knowledge about the kinetics of sulfide oxidation in alkaline solutions, such as concrete pore solutions, is incomplete. To address this issue, we prepared solutions with 0.80 M NaOH, and nominally 10, 100 and 350 mM HS−, respectively, and followed the evolution of the sulfur species during bubbling with oxygen-containing gas (concentration 100% or 22%) using X-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy at the sulfur K-edge. Polysulfide, thiosulfate, sulfite and sulfate were identified and quantified via linear combination fitting of the spectra, using previously measured standards. A preliminary analysis of the results shows that the initial rate constant of sulfide oxidation depends strongly on the HS− concentration, while it less strongly depending on the oxygen concentration, in line with previous results for lower pH values. Approaches to fit the data to obtain the rate constants of all relevant reactions will be discussed.
Brückenbauwerke, die im Spannblockverfahren hergestellt wurden, können bauartbedingt wasserstoffinduzierte Spannungsrisse über den gesamten Querschnitt eines Spannkanals aufweisen. Das Risswachstum kann infolge dynamischer Beanspruchung über die Nutzungsdauer fortschreiten und zu Spanndrahtbrüchen führen.
This study aims to develop a real time structural health monitoring method by ultrasonic tests combined with advanced six component (6C) translation and rotation measurements. Conventionally, the investigation of the velocity and acceleration response in the translation direction is used to obtain the eigenfrequencies of structures. Recently the measurement of rotation has been considered to fully characterize the dynamic behavior of structures. This research undertakes the evaluation of a novel 6C sensor (IMU50-iXblue) with components originally developed for navigation for the purpose of bridge monitoring. However, as for all vibration recordings, there is a certain influence of environmental conditions (mainly temperature) which may affect evaluation and the results of structural assessment. We propose applying the cross-correlation function to the 6C ambient vibration signals to reconstruct wave propagation and using coda wave interferometry (CWI) to obtain internal velocity variation from waveforms. A field experiment on a large-scale prestressed concrete bridge model is presented. To verify that we are able to identify the pre-stress loss even in presence of temperature effects, we perform measurements in two different scales: the ultrasonic and output-only, vibration measurements. The change in the structural properties due to the pre-stress loss should be detected by the pulse velocity change. The results reveal both the performance and advantages of ultrasonic techniques and the capabilities of 6C sensors. To conclude, the application of CWI to wave signals contributes to a comprehensive assessment for bridge monitoring.
The acquisition and appropriate processing of relevant information about the considered system remains a major challenge in assessment of existing structures. Both the values and the validity of computed results such as failure probabilities essentially depend on the quantity and quality of the incorporated knowledge. One source of information are onsite measurements of structural or material characteristics to be modeled as basic variables in reliability assessment. The explicit use of (quantitative) measurement results in assessment requires the quantification of the quality of the measured information, i.e., the uncertainty associated with the information acquisition and processing. This uncertainty can be referred to as measurement uncertainty. Another crucial aspect is to ensure the comparability of the measurement results.This contribution attempts to outline the necessity and the advantages of measurement uncertainty calculations in modeling of measurement data-based random variables to be included in reliability assessment. It is shown, how measured data representing time-invariant characteristics, in this case non-destructively measured inner geometrical dimensions, can be transferred into measurement results that are both comparable and quality-evaluated. The calculations are based on the rules provided in the guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM). The GUM-framework is internationally accepted in metrology and can serve as starting point for the appropriate processing of measured data to be used in assessment. In conclusion, the effects of incorporating the non-destructively measured data into reliability analysis are presented using a prestressed concrete bridge as case-study.
Brückenbauwerke, die im Spannblockverfahren hergestellt wurden, können bauartbedingt wasserstoffinduzierte Spannungsrisse über den gesamten Querschnitt eines Spannkanals aufweisen. Das Risswachstum kann infolge dynamischer Beanspruchung über die Nutzungsdauer fortschreiten und zu Spanndrahtbrüchen führen.
This talk reports the findings of the WIPANO "Knowledge and Technology Transfer via Patents and Standards" research project "Safety of Prestressing Steels," founded by the German Ministry of Economic Affairs and Climate Action (BMWK). A new test method for assessing the susceptibility of prestressing steels to hydrogen-induced stress corrosion cracking (SCC) is presented, which serves the demands of a lower scattering compared with the present standard. Moreover, the ability to differentiate between high susceptible and low susceptible prestressed wires is possible, modifying the method by hydrogen charging and surface preparation.
This study aims to develop a real-time monitoring method for the structural performance by ultrasonic testing in combination with six-component (6-C) translation and rotation measurements. So far, the recordings of the velocity and acceleration response in the translation direction have been used to obtain the eigenfrequencies of structures. Recently, measurement of rotation has been used to fully characterize the dynamic behavior of structures. In this research, 6-C sensors consisting of a three-component rotational seismometer and a three-component broadband seismometer are evaluated for their suitability for bridge monitoring. Since changes in environmental conditions such as temperature during vibration recordings affect the structural evaluation results, cross-correlation function is applied here to the 6-C ambient vibration signals to reconstruct the wave propagation on the one hand, and coda wave interferometry (CWI) is applied to obtain the internal velocity variation from waveforms on the other hand. In field tests on a large-scale prestressed concrete bridge model, it was verified whether the prestress loss can also be determined in presence of temperature effects. For this purpose, measurements were performed in two scales, ultrasonic and output-only vibration measurements. The change in structural properties due to the prestress loss should be detected by the pulse velocity change. The results demonstrate both the performance and advantages of ultrasonic techniques and the capabilities of 6-C sensors. Thus, the application of CWI to wave signals can contribute comprehensively to bridge monitoring.
Introduction of a monitoring system for Bingham fluids in additive manufacturing with concrete
(2022)
Freeform additive manufacturing of concrete structures is a rising technology in civil engineering with several fascinating advantages. Nonetheless, to ensure reliability and structural integrity, standards and quality control are required in the future to bring this technology into the market. As the concrete is manufactured continuously, continuous quality control of the printing process is also required, i.e. comprehensive process monitoring. At BAM, a test rig will be installed, enabling the printing of concrete structures with a maximum size of 2 m x 1 m x 1 m (l x w x h). Here, process monitoring is the focus of the test rig. In this study, we show the results of the first pump tests, including the measurement of several parameters such as temperature and pressure along the supply system, i.e. from the concrete pump to the printer head.
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.
This contribution introduces an investigation of a large-scale prestressed concrete bridge model (“BLEIB” structure at the BAM-TTS open air test site) by means of on-site cooperative measurements. This bridge has an external post-tensioning system and has been instrumented with the ultrasonic transducers, temperature sensors and optical fibers for Distributed Acoustic Sensing (DAS). Our experiment was designed to test the suitability of the novel 6C sensors developed within the framework of the GIOTTO project – the IMU50. The IMU50 sensor enables vibration measurements in translation along three axes and rotation around three axes. The geophone sensors were considered for complementary measurements of vertical velocity response. In the experiment, several perturbations were achieved by controlling the external influence factors such as loading and prestressing changes. The aim of the integrated measurement strategy was to fully observe the results of the condition change and to verify the effectiveness of multiple sensors for bridge monitoring.
To reveal the corrosion resistance of casing steel/mortar interface in CO2 injection condition, sandwich samples were prepared and exposed up to 20 weeks in aquifer fluid under 10 MPa and 60 °C. Cross section analysis revealed the crevice corrosion as main mechanism instead of pitting corrosion, which would be expected to happen in the extremely high Chloride concentration. Detailed analysis using EDS line scan shown the slow diffusion of Chloride, suggesting why pitting did not happen after 20 weeks. To mimic the passivated steel surface, the steel coupon was passivated in simulated pore solution having pH 13.5 for 42 days. The passivated coupon was further exposed to NGB solution for 28 days. Electrochemical characterization was performed along the exposure processes to reveal the change in impedance, indicating the corrosion resistance of steel casing/mortar interface.
Introduction of a monitoring system for Bingham fluids in additive manufacturing with concrete
(2022)
Freeform additive manufacturing of concrete structures is a rising technology in civil engineering with several fascinating advantages. Nonetheless, to ensure reliability and structural integrity, standards and quality control are required in the future to bring this technology into the market. As the concrete is manufactured continuously, continuous quality control of the printing process is also required, i.e. comprehensive process monitoring. At BAM, a test rig will be installed, enabling the printing of concrete structures with a maximum size of 2 m x 1 m x 1 m (l x w x h). Here, process monitoring is the focus of the test rig. In this study, we show the results of the first pump tests, including the measurement of several parameters such as temperature and pressure along the supply system, i.e. from the concrete pump to the printer head.
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.
This contribution introduces an investigation of a large-scale prestressed concrete bridge model (“BLEIB” structure at the BAM-TTS open air test site) by means of on-site cooperative measurements. This bridge has an external post-tensioning system and has been instrumented with the ultrasonic transducers, temperature sensors and optical fibers for Distributed Acoustic Sensing (DAS). Our experiment was designed to test the suitability of the novel 6C sensors developed within the framework of the GIOTTO project – the IMU50. The IMU50 sensor enables vibration measurements in translation along three axes and rotation around three axes. The geophone sensors were considered for complementary measurements of vertical velocity response. In the experiment, several perturbations were achieved by controlling the external influence factors such as loading and prestressing changes. The aim of the integrated measurement strategy was to fully observe the results of the condition change and to verify the effectiveness of multiple sensors for bridge monitoring.
Significant Cu-deposition and ‑precipitation only occurred in combination with carbon steel. High-alloyed materials prevent the disturbing Cu-agglomeration. Pb-deposition and ‑precipitation only occurred in combination with carbon steel. No negative Pb-effect could be observed in combination with high-alloyed steels. High alloyed corrosion resistant alloys are suitable and shall be chosen for future design of the piping system, either in massive or in cladded form, if formation of crevices with non-metallic materials can be excluded!
To reveal the corrosion resistance of casing steel/mortar interface in CO2 injection condition, sandwich samples were prepared and exposed up to 20 weeks in aquifer fluid under 10 MPa and 60 °C.
Cross section analysis revealed the crevice corrosion as main mechanism instead of pitting corrosion despite very high concentration of Cl in NGB.
EDS element line scan analysis of the 20-week-exposed metal/mortar coupon showed Chloride distribution, which still not reached the metal/mortar interface, explaining no pitting was observed.
It was confirmed that FeCO3 cannot protect the steel surface in CO2 saturated NGB.
To verify the protective possibility of passivation happened on casing steel/mortar interface, simulated pore solution was synthesized and used to passivate the steel for 42 days. OCP and EIS confirmed the formation of passive layer.
The 42 day passivated layer was broken during the first minute of exposure in CO2 saturated NGB.
However, due to high concentration of Ca2+, a new carbonate CaCO3 dense layer was formed, increased the corrosion resistance of steel surface.
In the course of the deconstruction of the "Bridge of the 20th anniversary of the GDR" at the Altstädter Bahnhof in Brandenburg a. d. Havel, new information on the initiation of hydrogen-induced stress cracks was obtained. BAM was commissioned by the Brandenburg State Road Administration to participate in a corresponding joint project which is financed by the Federal Ministry for Digital and Transport. The added value of the new information gained in this project goes beyond the specific structure. It describes unexpected new damage patterns that can be transferred to other structures with concentrated tendons (tendon block method and Baur-Leonhardt method) and were previously unknown in this form. These should be made known to other developers to enable them to initiate any necessary actions.
Due to the high corrosivity that are present in road tunnel structures, cleaning and maintenance work on stainless steel components in the tunnels is carried out at regular intervals in the tunnels, which means that parts of the lanes or the whole tunnel have to be temporarily closed. To reduce these traffic disruptions and maintenance costs, it is important to reduce the work that is needed for cleaning and maintenance of stainless steel components in road tunnels. One possibility is the identification and utilization of better suited alternatives to the commonly used austenitic stainless steels AISI 316L and AISI 316Ti. Thus, a field exposure study was carried out in different road tunnels throughout Germany to qualify different duplex and lean duplex stainless steels for tunnel constructions.
The proposed scientific poster gives an overview of results after the first three years of exposure in three different road tunnels. Samples of different stainless steels were placed in different areas of the tunnel – at lane height and at the ceiling. Some samples were exposed under sheltered conditions. Pit depths were evaluated on the free surface and in crevice areas after each year of exposure. The investigations show that duplex stainless steels have a comparable or even better corrosion resistance than austenitic steels in tunnel atmospheres.
Numerical models built as virtual-twins of a real structure (digital-twins) are considered the future ofmonitoring systems. Their setup requires the estimation of unknown parameters, which are not directly measurable. Stochastic model identification is then essential, which can be computationally costly and even unfeasible when it comes to real applications. Efficient surrogate models, such as reduced-order method, can be used to overcome this limitation and provide real time model identification. Since their numerical accuracy influences the identification process, the optimal surrogate not only has to be computationally efficient, but also accurate with respect to the identified parameters. This work aims at automatically controlling the Proper Generalized Decomposition (PGD) surrogate’s numerical accuracy for parameter identification. For this purpose, a sequence of Bayesian model identification problems, in which the surrogate’s accuracy is iteratively increased, is solved with a variational Bayesian inference procedure. The effect of the numerical accuracy on the resulting posteriors probability density functions is analyzed through two metrics, the Bayes Factor (BF) and a criterion based on the Kullback-Leibler (KL) divergence. The approach is demonstrated by a simple test example and by two structural problems. The latter aims to identify spatially distributed damage, modeled with a PGD surrogate extended for log-normal random fields, in two different structures: a truss with synthetic data and a small, reinforced bridge with real measurement data. For all examples, the evolution of the KL-based and BF criteria for increased accuracy is shown and their convergence indicates when model refinement no longer affects the identification results.
Damage Assessment of Civil Structures Using Wave Propagation Analysis and Transmissibility Functions
(2022)
A common damage detection method in civil engineering is to monitor dynamic characteristics such as natural frequencies and modal shapes, which are directly related to the structural stiffness. However, the discrepancy in measured natural frequencies may result from environmental changes, the soil-structure interaction or effects caused by earthquakes. This makes it difficult to decide whether the local change in structural properties is caused by damage or other factors. To address this challenge and thus improve the current damage detection method, the wave propagation analysis method and the transmissibility relationship were considered. In our study, the wave propagation field in structures was reconstructed by applying the Normalized-Input-Output-Minimization (NIOM) method to vibration recordings. Wave velocities and transmissibility functions were considered as reference values for the damage indicators. This paper demonstrates the evaluation of local property changes in two examples of large-scale structures: a 14-story RC building and a 64 m long pedestrian bridge. The proposed damage indicators show a clear correspondence to structural changes.
Ziel des Projekts HYTEGRA ist die Herstellung leichter Gesteinskörnungen durch hydrothermale Behandlung quarz- und kalkreicher Reststoffe. Als Ausgangsstoffe dienen heterogener Mauerwerkbruch aus Bau- und Abbruchabfällen als SiO2-Träger und Papierasche aus dem Altpapierrecycling als CaO-Träger. Für beide Reststoffe besteht derzeit ein Verwertungsdefizit. Das Verfahren beruht auf der Idee des rohstofflichen Recyclings, d. h. die chemisch-mineralogischen Stoffeigenschaften werden für die hydrothermale Stoffumwandlung genutzt. Bei der Härtung der Hydrothermalgranulate bilden sich Calciumsilicathydrat-Phasen (CSH) aus der Reaktion zwischen Quarzpartikeln und Kalk im Autoklav bei 200 °C und 16 bar Sattdampf.
Recently, non-destructive testing in civil engineering (NDT-CE), in particular of concrete components, has successfully mastered the leap from research to practice. Several methods have been established for field inspections to determine the concrete cover of reinforcement or to estimate the compressive strength as well as other parameters related to the concrete material. In addition, the application of nondestructive testing is indispensable, if information about the inner structure - such as the location of rebars and tendon ducts or the damage-related condition assessment to detect grouting defects, honeycombs, delamination, or corrosion - is required. Besides the selection of a suitable NDT method and an appropriate inspection system, the reliability of the results depends largely on the person who applies the non-destructive inspection technique and evaluates the inspection results. To ensure a high quality of non-destructive concrete evaluation as well as to keep the uncertainty caused by the inspection personnel to a minimum, structured, consistent and regulated theoretical as well as practical training of inspection personnel is essential. To close this gap, the subcommittee of education (UA-A) within the committee for NDT-CE of the German Society for Nondestructive Testing (DGZfP) has been reactivated in 2018 to establish uniform training standards for nondestructive concrete inspections in the long term. The subcommittee consists of scientists, practitioners, authorities, and clients. So far, the national standard DIN 4871 “Non-destructive testing - Qualification and Certification of NDT personnel in Civil Engineering (NDT-CE)” was developed and is currently under review. This standard considers the civil-industry-specifics, for example, that standards for NDT of concrete, as well as related product standards with a few exceptions, still do not exist at the moment. Within this presentation, the concept, the connection to ISO 9712 and other standards as well as an overview of the developed German standard DIN 4871 will be presented.
Recently, non-destructive testing in civil engineering (NDT-CE), in particular of concrete components, has successfully mastered the leap from research to practice. Several methods have been established for field inspections to determine the concrete cover of reinforcement or to estimate the compressive strength as well as other parameters related to the concrete material. In addition, the application of non-destructive testing is indispensable, if information about the inner structure - such as the location of rebars and tendon ducts or the damage-related condition assessment to detect grouting defects, honeycombs, delamination, or corrosion - is required. Besides the selection of a suitable NDT method and an appropriate inspection system, the reliability of the results depends largely on the person who applies the non-destructive inspection technique and evaluates the inspection results. To ensure a high quality of non-destructive concrete evaluation as well as to keep the uncertainty caused by the inspection personnel to a minimum, structured, consistent, and regulated theoretical as well as practical training of inspection personnel is essential. To close this gap, the subcommittee of education and training (UA-A) within the committee for NDT-CE of the German Society for Non-Destructive Testing (DGZfP) has been reactivated in 2018 to establish uniform training standards for non-destructive concrete inspections in the long term. The subcommittee consists of scientists, practitioners, authorities, and clients. So far, the national standard DIN 4871 “Non-destructive testing - Qualification of NDT personnel in Civil Engineering (NDT-CE)” was developed. This standard considers the civil-industry-specifics, for example, that standards for NDT of concrete, as well as related product standards with a few exceptions, still do not exist at the moment. Within this presentation, the concept, the connection to ISO 9712 and other standards as well as an overview of the recently developed German standard DIN 4871 will be presented.
Potential Mapping - What could we measure and what should we able to detect – guideline B03 of DGZfP
(2022)
“Electrochemical potential mapping according to guideline B3 of DGZfP (German Society for Non-Destructive Testing) is a recognized technique for the localization of corroding reinforcing steels.
Areas of corroding reinforcement steel can be located in a non-destructive manner by means of this procedure. Half‐cell potential measurements are used in order to detect chloride‐induced corrosion. However, it is not recommended in order to assess the risk of carbonation‐induced corrosion. For this purpose, determining the carbonation depth and the concrete cover appears more appropriate. The content of this specification exclusively refers to the application of mobile, local variable reference electrodes, which are only placed on the concrete surface while measuring. The technique distinguishes itself thereby from the range of corrosion monitoring systems with stationary installed reference electrodes and sensor systems, respectively, whereby it is possible to continuously track measurements within the area of the installed electrodes. However, these methods are not dealt with in this specification.”
Für die flächige Instandsetzung von Stahlbetonkonstruktionen kommen nahezu ausschließlich zementgebundene Systeme mit hohem Zementgehalt zum Einsatz (1). Bereits 2008 war die Zementproduktion für 5% des weltweiten, anthropogenen CO2-Ausstoßes verantwortlich (2). Um die prozessbedingten CO2-Emissionen zu senken, wird der Zement bereits durch gewisse Mengen an Sekundärrohstoffen wie Flugasche, Silicastaub oder Hüttensandmehl (Hochofenschlacke) substituiert. Das Potenzial für weitere Modifikationen ist inzwischen begrenzt (3). Zudem ist eine hohe Lebensdauer der Konstruktionen in vielen Anwendungsbereichen nur bedingt realisierbar. Spätestens mit Erreichen der geplanten Nutzungsdauer müssen Stahlbetonkonstruktionen mit zementgebundenen Systemen instandgesetzt werden, was im ökonomischen und ökologischen Sinne keine nachhaltige Lösung darstellt. Die Verwendung neuer Baustoffe wie alkalisch aktivierte Mörtel hält sich bisher in Grenzen (4), sodass die Akzeptanz durch praxisnahe Forschung adressiert werden muss.
Vorangegangene Forschungsergebnisse zeigen, dass alkalisch aktivierte Bindemittel vielversprechende technische Eigenschaften besitzen. So zeigen sich im Vergleich zu herkömmlichem Portlandzement ein ausgesprochen wirkungsvoller Verbund zu Stahl und Zementmörtel (5), (6), eine hohe chemische Beständigkeit sowie ein Erfolg versprechendes Abwitterungsverhalten bei Frost-Tau-Wechseln (7). Mit diesen Eigenschaften können alkalisch aktivierte Mörtel einen erheblichen Beitrag zur dauerhaften Betoninstandsetzung leisten und somit durch die verringerten CO2-Emmissionen dem Prinzip des nachhaltigen Bauens gerecht werden. Wichtig für die Produktion im größeren Maßstab ist die Verfügbarkeit der möglichen Reststoffe, um eine CO2-positivere Bilanz abzubilden.
Im Zuge des Forschungsvorhabens sollen Rezepturen für Instandsetzungsprodukte entworfen werden, die auf alkalisch aktivierte industrielle Reststoffe zurückgreifen und die Anforderungen an konventionelle Instandsetzungsprodukte erfüllen. Hierzu wurden potenzielle Ausgangs-stoffe mit Natriumcarbonat aktiviert und die Verarbeitbarkeit der Leime sowie die Druckfestigkeiten nach sieben Tagen verglichen. Hüttensandmehl reagiert ausreichend mit diesem Aktivator, was sich mit Ergebnissen von (8) und (9) deckt. Es werden 〖CO〗_3^(2-)-Ionen in das System eingebaut, was zu einer anfänglichen Erstarrung des Gefüges durch die Bildung von Carbonaten (Calcit und Hydrotalcit) führt. Nach einer längeren dormanten Phase bilden sich zusätzlich Hydratphasen, die die Festigkeit weiter erhöhen. Weiterhin ist die chemische Zusammensetzung der Schlacken für die Erhärtung und die späteren Eigenschaften von großer Bedeutung (10), (11), was mit einer Parameterstudie im laufenden Jahr an natriumcarbonataktivierten Schlacken näher betrachtet werden soll. Erkenntnisse aus vergleichenden Versuchen durch (12) bestätigen die Einflussnahme der chemischen Zusammensetzung. Die übrigen Reststoffe konnten mit anderen Aktivatoren (z. B. Natriumsilicat und -hydroxid) zu einer Reaktion angeregt werden. Im Hinblick auf die Akzeptanz der alkalisch aktivierten Bindemittel stellen diese Aktivatoren jedoch bei der Herstellung höhere technische Anforderungen an das Personal und die verwendeten Geräte im Vergleich zur konventionellen Beton- und Mörteltechnik. Die Aktivierung mittels Alkalicarbonaten ermöglicht die Herstellung von Beton bzw. Mörtel nach dem üblichen „just add water“-Prinzip (13).
Aktuell wird unter Einbindung einer studentischen Abschlussarbeit eine Rezeptur mit Hüttensandmehl hinsichtlich der Frisch- und Festeigenschaften charakterisiert und einer Referenzmischung – basierend auf Portlandzement – gegenübergestellt. Hieraus resultierende Ergebnisse sollen neben den Erkenntnissen aus den Vorversuchen zur Konferenz vorgestellt und ein Ausblick auf die weitere Forschungsarbeit gegeben werden.
Im Dezember 2019 wurden bei einer turnusmäßigen Inspektion der B 1-Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel massive und schnell voranschreitende Schäden festgestellt. Als Ursache für die Risse entlang der Längsträger wurde das Versagen eines signifikanten Anteils der Spanndrähte der konzentrierten Spannglieder vermutet. Die Brücke wurde umgehend für den Verkehr gesperrt und im Mai 2021 gesprengt. Im Vorfeld der Sprengung wurden durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) weiterführende Untersuchungen zum Schadensbild veranlasst, welche vom Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg koordiniert und in den Bauablauf integriert wurden. Das von der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Dresden erstellte Versuchskonzept ist Bestandteil des vorangestellten ersten Teils des Beitrags [1]. Hier im zweiten Teil werden ausgewählte Ergebnisse der umfangreichen versuchsbegleitenden Mess- und Monitoringmaßnahmen beschrieben, welche in Kooperation der HTW Dresden, der Bilfinger Noell GmbH sowie der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführt wurden.
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.
Die Infrastruktursysteme der Industriestaaten erfordern heute und in Zukunft ein effizientes Management bei alternder Bausubstanz, steigenden Lasten und gleichbleibend hohem Sicherheitsniveau. Digitale Technologien bieten ein großes Potenzial zur Bewältigung der aktuellen und künftigen Herausforderungen im Infrastrukturmanagement. Im BMBF-geförderten Projekt Bewertung alternder Infrastrukturbauwerke mit digitalen Technologien (AISTEC) wird untersucht, wie unterschiedliche Technologien und deren Verknüpfung gewinnbringend eingesetzt werden können. Am Beispiel der Maintalbrücke Gemünden werden ein sensorbasiertes Bauwerksmonitoring, bildbasierte Inspektion mit durch Kameras ausgestatteten Drohnen (UAS) und die Verknüpfung digitaler Bauwerksmodelle umgesetzt. Die aufgenommenen Bilder dienen u. a. als Grundlage für spätere visuelle Anomaliedetektionen und eine 3D-Rekonstruktion, welche wiederum für die Kalibrierung und Aktualisierung digitaler Tragwerksmodelle genutzt werden. Kontinuierlich erfasste Sensordaten werden ebenfalls zur Kalibrierung und Aktualisierung der Tragwerksmodelle herangezogen. Diese Modelle werden als Grundlage für Anomaliedetektionen und perspektivisch zur Umsetzung von Konzepten der prädiktiven Instandhaltung verwendet. Belastungsfahrten und historische Daten dienen in diesem Beitrag der Validierung von kalibrierten Tragwerksmodellen.
Die aktuelle Instandhaltungsstrategien von Ingenieurbauwerken arbeiten zustandsbasiert und stützen sich auf visuelle Inspektionen in kurzen, starren Intervallen. Beim Übergang zu Predicitive-Maintenance-Strategien können Sensordaten eigesetzt werden um Prognosemodelle der Bauwerke zu aktualisieren. Ein erster Schritt hierzu ist die sensorbasierte Systemidentifikation.