Life-cycle robustness : quantification and challenges

Life-cycle robustness is achieved when a structural member or a system is designed to maintain its intended function and required safety level within its desired life-cycle. The different character of effects that each element of the system needs to undergo (damage, ageing, extreme events, changes in usage) in conjunction with the diversity in the intrinsic material properties, form a demanding problem. Further complexity emerges when one realizes that time is not simply a variable, but a factor permeating model choices and uncertainty representation approaches. Different effects in the load side, and properties in the resistance side develop differently in time. Depending on the scale of the problem, the spatial randomness of materials such as concrete may be relevant for the accurate quantification of failure probabilities, and may require careful modelling, even at a mesoscale. For a long-term analysis, where the influence of uncertainties may dominate over predictability, robust design concepts and analyses methods that are relatively insensitive to small variations in variable inputs related to secondary effects and processes can prove decisive. On the computational side, challenges are associated with the computational cost of simulations and nonlinear analyses required to determine time-variable reliability profiles, considering all likely scenarios. Furthermore, statistical characteristics of the inputs, in particular their tail behaviour and their statistical dependence, needs to be properly captured and reproduced while maintaining sufficiently small sample size, and thus acceptable computational cost. Within this contribution, a framework for the quantification of life-cycle robustness is presented in the context of fasteners subjected to sustained load and extreme events. The emerging challenges are presented and briefly discussed

Korrelation zwischen Veränderungen der Anatomie des proximalen Femurs und funktionellen Ergebnissen nach medialer Schenkelhalsfraktur und Versorgung mittels Duokopfprothese - eine prospektive Beobachtungsstudie

Die mediale Schenkelhalsfraktur gehört zu den häufigsten Traumata des älteren Menschen weltweit, wobei die Inzidenz v.a. in Europa und Nordamerika hoch ist. Die Osteoporose stellt einen wichtigen Risikofaktor für eine hüftgelenknahe Fraktur dar, weil schon durch geringe Krafteinwirkung, wie z.B. ein Sturz aus Standhöhe oder eine forcierte Außenrotation des Beines, eine Fraktur resultieren kann. Bei jungen Patienten mit Schenkelhalsfraktur stehen dagegen Hochrasanztraumata mit axialer Stauchung des Femurs im Vordergrund. Diagnostisch ist die Anamnese zum Unfallhergang sowie zu den Komorbiditäten, die klinische Untersuchung und die Anfertigung konventioneller Röntgenbilder zielführend. Zur Therapieentscheidung wird v.a. die Klassifikationen nach Garden herangezogen. Die operative Therapie repräsentiert heute den Goldstandard der Versorgung dieser Verletzungen, ein konservatives Vorgehen bleibt Einzelfällen vorbehalten. So wird entweder hüftkopferhaltend, z.B. mittels kanülierter Schrauben oder der dynamischen Hüftschraube, oder hüftkopfersetzend, mit einer Total- oder Hemiendoprothese, operiert. Es besteht eine Kontroverse bezüglich der Indikation von Total- oder Hemiendoprothesen. Vereinfacht gesagt wird bei älteren, wenig aktiven Patienten die Versorgung mit einer Hemiendoprothese bevorzugt. Die Prognose und die postoperative Lebensqualität hängen von verschiedenen Faktoren ab. Dabei spielt die Wiederherstellung der Biomechanik des Hüftgelenks, v.a. die Rekonstruktion des femoralen Offsets (FO), eine zunehmend wichtige Rolle. Das FO bezeichnet die Strecke auf einer Orthogonalen zur Längsachse des Femurs zum Drehzentrzum des Femurkopfes und ist insbesondere wichtig für die Funktion der Hüftabduktoren. Die Wiederherstellung des FO spiegelt auch eine Modifikation des Therapieziels wider, da das Hauptaugenmerk nicht mehr nur auf einer Senkung der operationsbedingten Mortalität liegt, sondern auch auf einem möglichst optimalen funktionellen Ergebnis sowie einer größtmöglichen Patientenzufriedenheit. Im Rahmen der Therapie von hüftgelenksnahen Frakturen mittels TEP gibt es zahlreiche Studien, die das funktionelle Ergebnis und die Biomechanik untersucht haben. Jedoch existieren wenige Studien, welche die Biomechanik nach Versorgung mit einer Hemiendoprothese, speziell einer Duokopfprothese, untersuchen. Daher analysiert diese Studie den Einfluss des FO auf die funktionellen Ergebnisse nach einer dislozierten Schenkelhalsfraktur und Versorgung mit einer Duokopfprothese. Im Rahmen der Studie wurden die postoperativen Röntgenbilder von 126 Patienten mit einem Durchschnittsalter von 82 Jahren und einem Frauenanteil von 76% ausgemessen. Zusätzlich wurde das FO mit den klinischen Ergebnissen aus dem Harris Hip Score (HHS), dem Instrumental Activities of Daily Living- (IADL) Score und dem Timed Up and Go Test (TUG) korreliert. Da die Messung des FO anhand konventioneller Röntgenbilder ungenau ist und das FO häufig unterschätzt wird, wurden die Messergebnisse zunächst anhand der Größe des Prothesenkopfes kalibriert. Anschließend wurden die kalibrierten Ergebnisse mithilfe einer Formel, die von Lechler et al. entwickelt wurde, rotationskorrigiert und die Messergebnisse mit den klinischen Daten korreliert. Der durchschnittliche projizierte FO (FOP) betrug 36,8 mm, nach Rotationskorrektur (FORC) jedoch 41,1 mm, was einen signifikanten Unterschied darstellt (p < 0,0001). 12 Monate postoperativ betrug der HHS 68 Punkte, der TUG 39 s und der durchschnittliche IADL 3,6 Punkte. Es konnte eine positive Korrelation zwischen dem rekonstruierten FORC und dem HHS sowie dem IADL festgestellt werden. Keine Korrelation bestand zwischen dem FORC und dem TUG. Nach einer multivariaten Analyse, welche die Störfaktoren mit einschloss, zeigte sich ein nicht signifikanter Trend für eine positive Korrelation zwischen FORC und HHS. Eine wiederum signifikante Korrelation bestand zwischen FORC und IADL. In der multivariaten Analyse wurde kein Zusammenhang zwischen FORC und TUG festgestellt. Die Ergebnisse deuten im Einklang mit einigen anderen Studien darauf hin, dass eine Vergrößerung des FO vorteilhaft ist. Jedoch kann auch einer Verkleinerung des FO Vorzüge zugesprochen werden, z.B. im Hinblick auf weniger postoperative Schmerzen. Chirurgische Komplikationen wurden in 12,7% aller Patienten beobachtet, wobei 6,3% eine Revisionsoperation benötigten und davon nur 3 Patienten eine Dislokation hatten. Aufgrund der vorliegenden Arbeit und ähnlicher Forschungsergebnisse in diesem Bereich ist eine adäquate Wiederherstellung des FO zu empfehlen. Weitere Studien mit einem prospektiven interventionellen Studiendesign könnten die Erkenntnisse bezüglich der Biomechanik der Hüfte nach Prothesenversorgung präzisieren. So könnten noch bessere funktionelle Ergebnisse und eine bessere Langzeitprognose für die Patienten erreicht werden

Life-cycle robustness of fastening systems

Fastening systems are an important part of the construction industry. The requirements of the future —faster and automatized construction, improved life-cycle performance and sustainability of infrastructure — will further promote their significance. However, the challenges associated with the safe and efficient design and assessment of such systems in the light of life cycle concepts requires new concepts. Life–cycle robustness is achieved when a (fastening) system is designed to maintain its intended function and required safety level for the full duration of its intended life time. The different characteristics of processes each element will face in course of time (damage, ageing, extreme events, changes in usage) in conjunction with the diversity in the intrinsic material properties form a demanding problem. Further complexity emerges when one realises that time is not simply a variable, but a factor permeating model choices. Different effects on the load side and properties on the resistance side develop differently in time, as does the dependence structure between variables. Spatial randomness of materials, such as concrete, requires careful modelling, even at a meso–scale. For a long–term analysis, where the influence of uncertainty on the safety level may dominate over the mean trend, robust design can prove decisive. On the computational side, challenges often appear since the computational costs of simulations and non–linear analyses may quickly prove infeasible. Suitable numerical techniques for small scale sampling, accounting for arbitrary distribution types and dependence structures, are yet to be developed. The realistic prediction of spatial randomness for now fails due to a lack of understanding regarding the physical basis of main input parameters. Within this contribution the authors present the general concept of life–cycle robustness and the expected prospects that arise from its application to fastening systems. A detailed discussion of the aforementioned challenges and review of the state of the art complement the paper

Load transfer mechanism of concrete screws

Even though the market and development for concrete screws has been increasingly rising in recent years, the load transfer mechanism of concrete screws has not yet been fully investigated. Therefore, different tests of concrete screws made of galvanized and stainless steel were performed in concrete C20/25 and C50/60. The main aim is to measure the strain along the embedment depth. This will be achieved by using strain gauges that get placed in a centrically drilled borehole through the concrete screw. To get a comparison to the mechanism of the screws the same process will be executed in threaded rods used as a part of bonded anchors. Due to the fact that the threaded cuts of concrete screws have geometrical similarities to bonded anchors, it was examined if the load transfer of both fasteners is related and may be compared. The results of the testing have shown that the load transfer mechanism of both fastener types is similar in low-strength concrete showing a concrete cone failure. In high strength concrete due to the mainly occurring steel failure the maximum measured strains at the maximum load step are not comparable. However, at lower load steps where the steel does not exceed the yield strength the results show a similar load transfer mechanism, too

A heuristic solution procedure of a real world location routing problem

In einer globalisierten Wirtschaft spielt das Logistiknetzwerk eine elementare Rolle. Die zwei Hauptsäulen dieses System ist die Standortauswahl und die Tourenplanung. Anstatt wie bisher diese beiden Probleme getrennt zu betrachten, das Location-Routing Problem (LRP) sieht sie als ein zusammenhängendes Problem. Wir haben eine reale Probleminstanz, wo unsere Aufgabe darin besteht, die Depots eines österreichischen Logistikdienstleisters zu planen. Die Vorgehensweise die von uns verfolgt wird ist ein iterativer und heuristischer Lösungsansatz, welcher p-median-Lösungen als Startpunkt nutzen wird, einen Savings-Algorithmus in Kombination mit einer r-opt-Heuristik zur Tourenplanung verwenden und eine angepaßte Nearest-Neighbour-Heuristik zur Verschiebung der Standorte einsetzen wird. Der Schwerpunkt während der Entwicklung war die Schaffung einer schnellen und einfachen Heuristik, welche akzeptable Ergebnisse liefert. Das Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung dieser Lösungungsmethode in C++ und die Präsentation der erzielten Ergebnisse. Um dem Leser auch die nötigen Hintergrundinformationen zu diesem Thema zur liefern werden wir auch einige einführende Defintionen, sowie Erklärungen für der verwendeten Subprobleme und Algorithmen, die während der Implementierung verwendet werden. Mittels dieser grundlegenden Definitionen und Eigenschaften kreierten wir ein lineares Programm für das LRP, welches auf unsere Situation zugeschnitten ist. Außerdem werden wir noch zwei Klassifizierungsmodelle für das Location-Routing Problem vorstellen um in der Lage zu sein unsere Probleminstanz entsprechen einzuordnen.In a globalized economy the logisitical system is an important part of every business. The two main pillars of these systems are facility location decision and the tour-planning. Instead of looking here at two different problems, the Location-Routing Problem (LRP) sees them as interlinked. We have obtained a real-life problem instance, where we have to locate the depots of an Austrian Logistical Company in Eastern Austria. The approach proposed by us is an iterative heuristic solution procedure, which is using p-median-solutions as a starting point, a Savings-Algorithm combined with a r-opt-heuristic for tour-planning and an adapted Nearest-Neighbour-Heuristic for the relocation of depots. The main emphasis during the development was to create a fast and relatively simply heuristic which provides reasonable results. The objective of this thesis is to implement this solution procedure in C++ and present the results. In order to provide the necessary background information this thesis will give some introductive definitions as well as explanations concerning the underlying problems and algorithms that are used during the implementation. Using these basic attributes and definitions we derived a linear program for the LRP which is adapted to our situation. Additionally we are going to present two models of categorizations for the Location-Routing Problem in order to be able to classify the instance we want to solve

seismic demands on nonstructural components anchored to concrete accounting for structure fastener nonstructural interaction sfni

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Applied and research based performance indicator database for highway bridges across Europe

Publicado em "Life-cycle of engineering systems: emphasis on sustainable civil infrastructure: proceedings of the Fifth International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering (IALCCE 2016), ISBN 978-1-138-02847-0"Structural codes provide several practical principles and application rules such as the use of protective systems for material exposed in aggressive environment, the construction detailing aimed at avoiding the initiation of degradation, the maintenance actions to be regularly performed. Each construction, during its life cycle, will face with deterioration depending on several factors such as the environmental condition, the natural aging, the quality of the material, the execution of works and the planned maintenance. Therefore, several design procedures based on the prediction of the deterioration that will likely act on the structure will be developed in the framework of the international research. In addition, performance indicators for the present and future structural conditions on deterministic and probabilistic level will be defined and determined. It is extremely important to analyse such indicators in terms of used assessment frameworks, and in terms of the quantification procedure itself.COST (European Cooperation in Science and Technology

Gamma prediction models capturing the long term creep shrinkage performance of segmentally-erected prestressed box girder bridges

For creep-sensitive structures like statically in determined large bridges, it is essential to implement an efficient and realistic creep model for example in 3D Finite element considerations. Concrete creep, characterized by the gradual strain growth with time under a unit sustained stress applied at age t’, is generally calculated based on the given compliance function J(t, t’), where t is the current time. For stress level within the designed service strength, the concrete creep is assumed to follow the constitutive law of ageing linear viscoelasticity. In order to systematically study the main influence factors on bridge deflection measurements, which are known to show large scatter, a probabilistic analysis can be performed. Due to the associated computational costs such investigation are limited. The predictions based on these large-scattering basic variables (model inputs) are fraught with uncertainties and accordingly there is interest in alternative prediction models decoupled from complex analytical and numerical models, using measured structural responses. Gamma process considerations are such alternative methods. These approaches are suitable for capturing the structural behavior, like crack formation, bending, and surface strain, as well as previously mentioned long term creep shrinkage performance (can also be captured by traditional inspection and/or monitoring methods). The objective of this contribution is to illustrate the use of gamma process approaches for the prediction of the creep shrinkage performance of complex pre-stressed concrete bridges that incorporates uncertainties and makes predictions in terms of load rating and system-level more reliable with the help of structural health monitoring (SHM) data. The creep-shrinkage response of a statically in determined three span boxgirder bridge extracted (a) from a complex finite-element (FE) model, which is based on the gradual strain growth concrete creep, and (b) from structural health monitoring data, serves for the calibration and verification of the considered gamma process approaches. Finally, The ability of the Gamma process approaches to capture complex creep shrinkage processes in complex statically in determined will be critically examined

3rd Probabilistic Workshop Technical Systems, Natural Hazards

Modern engineering structures should ensure an economic design, construction and operation of structures in compliance with the required safety for persons and the environment. In order to achieve this aim, all contingencies and associated consequences that may possibly occur throughout the life cycle of the considered structure have to be taken into account. Today, the development is often based on decision theory, methods of structural reliability and the modeling of consequences. Failure consequences are one of the significant issues that determine optimal structural reliability. In particular, consequences associated with the failure of structures are of interest, as they may lead to significant indirect consequences, also called follow-up consequences. However, apart from determining safety levels based on failure consequences, it is also crucially important to have effective models for stress forces and maintenance planning ... (aus dem Vorwort