Identification of the state of stress in iron and steel truss structures by vibration–based experimental investigations

Bestimmung des Beanspruchungszustands in fachwerkartigen Eisen– und Stahltragwerken mit Hilfe schwingungsbasierter experimenteller Untersuchungen

  • Safety evaluation of truss structures depends upon the determination of the axial forces and corresponding stresses in axially loaded members. Due to presence of damages, change in intended use, increase in service loads or accidental actions, structural assessment of existing truss structures is necessary. Precise identification of the stresses plays a crucial role for the preservation of historic truss structures. The assessment measures require non-destructiveness, minimum intervention and practical applicability. Motivated by the preservation of existing truss−type constructions composed of axially loaded slender members, the present work aims to develop a non-destructive methodology to identify the axial forces or corresponding stress states in iron and steel truss structures. The approach is based on vibration measurements and the finite element method combined with optimization techniques. After a state of the art review, numerical and experimental studies were carried out in the research work on different partial systems ofSafety evaluation of truss structures depends upon the determination of the axial forces and corresponding stresses in axially loaded members. Due to presence of damages, change in intended use, increase in service loads or accidental actions, structural assessment of existing truss structures is necessary. Precise identification of the stresses plays a crucial role for the preservation of historic truss structures. The assessment measures require non-destructiveness, minimum intervention and practical applicability. Motivated by the preservation of existing truss−type constructions composed of axially loaded slender members, the present work aims to develop a non-destructive methodology to identify the axial forces or corresponding stress states in iron and steel truss structures. The approach is based on vibration measurements and the finite element method combined with optimization techniques. After a state of the art review, numerical and experimental studies were carried out in the research work on different partial systems of truss-type structures. The examined aspects included the effects of structural loading on the dynamic performance of truss structures, modelling of joint connections, mode pairing criteria, selection of updating parameters and definition of an objective function, as well as the use of different optimization techniques. A methodology consisted of a two-stage model updating procedure using optimization techniques was proposed for the determination of multiple member axial forces and estimation of the joint flexibility of truss-type constructions. In the first stage optimization, the validation criterion is based on the experimentally identified global natural frequencies and mode shapes of the truss. Additionally, the axial forces in selected individual members of the truss are used. They are estimated from the natural frequencies and five amplitudes of the corresponding local mode shapes of the members using an analytically−based algorithm. Based on the results of the identified axial forces in the first stage, a second optimization procedure for the joint stiffness is performed. In this stage, the modal parameters of the global natural frequencies and mode shapes are used as validation criterion. From the results of the investigated systems, the identified axial forces by the proposed methodology agree well with the experimentally measured axial forces. Furthermore, recommendations are given in the work for a guideline of measuring concepts and assessment strategies applied to existing iron and steel truss-type structures.show moreshow less
  • Die Bewertung der Tragfähigkeit von fachwerkartigen Stahlkonstruktionen ist wesentlich von den vorhandenen Stabnormalkräften und den daraus resultierenden Spannungen abhängig. Eine Zustands- und Tragfähigkeitsbewertung der bestehenden Konstruktion ist besonders dann erforderlich, wenn aufgrund von Nutzungsänderungen bzw. Umbaumaßnahmen höhere Lasten auf das Tragwerk aufgebracht werden sollen, oder sich Schäden an der Konstruktion bzw. dem Material zeigen. Für die Identifizierung des Spannungszustands der fachwerkartigen Eisen- und Stahlkonstruktionen ist ein zerstörungsfreies und praktikables Verfahren erforderlich, welches zudem nur minimal in die bestehende Struktur eingreift. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab ein zerstörungsfreies Verfahren zu entwickeln, welches in der Lage ist die Spannungszustände in fachwerkartigen Eisen- und Stahltragwerken zu identifizieren. Das Verfahren basiert auf Schwingungsmessungen und der Finite-Elemente Methode in Verbindung mit Optimierungsstrategien. Nach einer ausführlichen Recherche zumDie Bewertung der Tragfähigkeit von fachwerkartigen Stahlkonstruktionen ist wesentlich von den vorhandenen Stabnormalkräften und den daraus resultierenden Spannungen abhängig. Eine Zustands- und Tragfähigkeitsbewertung der bestehenden Konstruktion ist besonders dann erforderlich, wenn aufgrund von Nutzungsänderungen bzw. Umbaumaßnahmen höhere Lasten auf das Tragwerk aufgebracht werden sollen, oder sich Schäden an der Konstruktion bzw. dem Material zeigen. Für die Identifizierung des Spannungszustands der fachwerkartigen Eisen- und Stahlkonstruktionen ist ein zerstörungsfreies und praktikables Verfahren erforderlich, welches zudem nur minimal in die bestehende Struktur eingreift. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab ein zerstörungsfreies Verfahren zu entwickeln, welches in der Lage ist die Spannungszustände in fachwerkartigen Eisen- und Stahltragwerken zu identifizieren. Das Verfahren basiert auf Schwingungsmessungen und der Finite-Elemente Methode in Verbindung mit Optimierungsstrategien. Nach einer ausführlichen Recherche zum Stand der Technik wurden im Rahmen der Forschungsarbeit numerische und experimentelle Untersuchungen an fachwerkartigen Tragstrukturen durchgeführt. In den Untersuchungen wurden mehrere Aspekte betrachtet. Neben dem Einfluss der äußeren Belastung auf das dynamische Verhalten der Konstruktion werden in dem Analyseverfahren die Modellierung der Knotenverbindungen, die Zuordnung der Eigenschwingformen, die Auswahl und Festlegung von Kalibrierungsparametern, die Definition von Zielfunktionen, sowie die verschiedenen Optimierungsmethoden untersucht. Für die Bestimmung der Stabnormalkräfte in fachwerkartigen Tragwerken und zur Abschätzung der Rotationsfedersteifigkeit in den Knotenverbindungen wird ein zweistufiges Modellkalibrierungsverfahren vorgeschlagen. Im ersten Schritt werden als Validierungskriterium die experimentell ermittelten globalen Eigenfrequenzen und Eigenformen der fachwerkartigen Tragstrukturen verwendet. Ergänzend können die Stabnormalkräfte in ausgewählten Zuggliedern aus Einzelstabuntersuchungen heranzugezogen werden. Basierend auf den Ergebnissen der identifizierten Stabnormalkräfte kann ein zweiter Optimierungsprozess zur Bestimmung der Rotationsfedersteifigkeit in den Knotenverbindungen durchgeführt werden. Hierzu werden ausschließlich die modalen Parameter der globalen Eigenfrequenzen und -formen der gesamten fachwerkartigen Konstruktionen herangezogen. Die Ergebnisse der experimentell getesteten Tragsysteme weisen für verschieden hohe Beanspruchungen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den im Versuch aufgebrachten und den mit Hilfe des entwickelten Verfahrens identifizierten Stabnormalkräften auf. Des Weiteren wurde in der Arbeit eine Leitlinie für die Erstellung von Messkonzepten erarbeitet. Ferner gibt die Arbeit Hilfestellungen bei der Entwicklung von Bemessungsstrategien für die in-situ Untersuchung und Spannungsbeurteilung von fachwerkartigen Eisen- und Stahlkonstruktionen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Luong, Thi Mai Hoa
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-44142
ISSN:1610-7381
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Lorenz, Werner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Date of final exam:2017/06/22
Creating Corporation:Bauhaus-Universität Weimar, Fakultät Bauingenieurwesen
Release Date:2018/04/24
Tag:Beanspruchungszustand; Fachwerkartige Stahltragwerke; Finite-Elemente-Modellkalibrierung; Optimierungsmethoden; Schwingungsmessungen
Finite element model updating; Optimization techniques; State of stress; Truss structures; Vibration measurements
GND Keyword:Fachwerk; Fachwerkbau; Finite-Elemente-Methode; Kalibrieren <Messtechnik>; Normalkraft; Stahl; Tragfähigkeit; Tragwerk
Series; issue number:ISM-Bericht / Institut für Strukturmechanik, Bauhaus-Universität Weimar; 2018,1
Institutes:Fakultät 6 Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung / FG Bautechnikgeschichte
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.