Energetic damage analysis regarding the fatigue of concrete

Due to the visco-elasto-plastic material behavior, the added energy to concrete specimens during fatigue tests is transformed into another form of energy. Besides the description of the energetic material behavior of concrete, the elastic and the plastic part of the energy as well as the dissipation energy are analyzed for different specimens. Especially the dissipation energy shows a correlation with the damage process as a result of the cyclic loading. Regarding this correlation, a new energetic damage model is introduced. With this model, a degree of damage during the tests and the development of the damage parameter over the load cycles can be determined. First tests with the developed model show good and plausible results. © 2020 fib. International Federation for Structural Concret

Ingenieurbau im Bestand

Ingenieurbauwerke sind zentrale Elemente der technischen Infrastruktur eines Landes. Ihr sicheres Funktionieren ist von entscheidender Bedeutung für die Daseinsvorsorge und die wirtschaftliche Entwicklung. In den letzten Jahren sind vor allem die bestehenden Brückenbauwerke in den Fokus der öffentlichen Aufmerksamkeit geraten. Zum einen wird nach langen Erklärungsbemühungen der Bauverwaltungen nun auch seitens der Politik endlich wahrgenommen, dass sich der Zustand der Bauwerke in den vergangenen Jahrzehnten merklich verschlechtert hat. Zum anderen sorgen die jüngsten unplanmäßigen Brückensperrungen auf Autobahnen und Eisenbahnstrecken für Verkehrsinfarkte und heftige Verspätungen. Die Bundesrepublik Deutschland verfügt über einen Bestand von ca. 40.000 Brücken auf Bundesfernstraßen mit einer Gesamtfläche von ca. 32 Millionen Quadratmetern. Der überwiegende Teil dieser Bauwerke besteht aus Stahlbeton und Spannbeton. Hinzu kommen ca. 26.000 Eisenbahnbrücken mit einer Gesamtbrückenfläche von ca. 9 Millionen Quadratmetern, ebenfalls weitgehend in Massivbauweise. Mit einem durchschnittlichen Preis von 3.500 €/m² für Straßenbrücken und von 10.000 €/m² für Eisenbahnbrücken hätten diese Bauwerke einen Wiederbeschaffungsneuwert von etwa 200 Milliarden Euro, was etwa 25 % der gesamten jährlichen Steuereinnahmen von Bund und Ländern entspricht. Hinzu kommen nochmals etwa 70.000 Brückenbauwerke im kommunalen Bestand. Der Brückenbestand Deutschlands stellt damit ein riesiges Anlagevermögen dar. Ihn vollständig zu erneuern würde erhebliche Aufwendungen verursachen. Deshalb kommt der kontinuierlichen Instandhaltung und Sanierung der Brückenbauwerke eine entscheidende Bedeutung zu

Anwendung der mathematischen Optimierung bei der geometrisch und physikalisch nichtlinearen Analyse von Stahlbetontragwerken

Ausgehend von den klassischen Variationsprinzipien der Mechanik werden kinematische und gemischte Extremalprinzipe abgeleitet, die zur Beschreibung geometrisch und physikalisch nichtlinearen Tragverhaltens geeignet sind. Ein Schwerpunkt der Arbeit besteht in der Anwendung der Prinzipe zur Analyse und Bemessung von Stahlbeton-, Spannbeton- und Verbundquerschnitten. Aus einem einheitlichen Berechnungsmodell wird eine Vielzahl praxisrelevanter Problemstellungen abgeleitet. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Anwendung der kinematischen Extremalformulierung für die geometrisch und physikalisch nichtlineare Berechnung von Stabtragwerken.Based on the classical variational principles, kinematical and mixed extremum principles are derived. These principles are used to describe geometrical and physical nonlinear behaviour. A first focus is the application of the principles to analyse and design prestresst reinforced concrete and combined cross-sections. Based on an uniform calculation model a number of various practical problems is dealt. A second point is the use of kinematical extremum problem for geometrical and physical nonlinear calculation of framed structures

Concrete Support Structures for Offshore Wind Turbines: Current Status, Challenges, and Future Trends

Today’s offshore wind turbine support structures market is largely dominated by steel structures, since steel monopiles account for the vast majority of installations in the last decade and new types of multi-leg steel structures have been developed in recent years. However, as wind turbines become bigger, and potential sites for offshore wind farms are located in ever deeper waters and ever further from the shore, the conditions for the design, transport, and installation of support structures are changing. In light of these facts, this paper identifies and categorizes the challenges and future trends related to the use of concrete for support structures of future offshore wind projects. To do so, recent advances and technologies still under development for both bottom-fixed and floating concrete support structures have been reviewed. It was found that these new developments meet the challenges associated with the use of concrete support structures, as they will allow the production costs to be lowered and transport and installation to be facilitated. New technologies for concrete support structures used at medium and great water depths are also being developed and are expected to become more common in future offshore wind installations. Therefore, the new developments identified in this paper show the likelihood of an increase in the use of concrete support structures in future offshore wind farms. These developments also indicate that the complexity of future support structures will increase due to the development of hybrid structures combining steel and concrete. These evolutions call for new knowledge and technical know-how in order to allow reliable structures to be built and risk-free offshore installation to be executed

Torsionstragverhalten segmentierter Turmkonstruktionen für Windenergieanlagen

Bei der weiteren Kostensenkung der Windstromerzeugung haben sich in den letzten Jahren sogenannte Hybridturme erfolgreich etabliert. Der untere Teil dieser Turmstrukturen besteht aus aufeinander gestapelten Betonfertigteilringen, die mit dem aufgesetzten Stahlturm verbunden sind. Mit der neuen Turmgeneration zerlegen vertikale Fugen die Betonsegmente in kleinere Komponenten, sodass Halbschalen einen erheblichen Beitrag zur Reduzierung der Transportkosten und des Montageaufwands leisten. Dieser Artikel beschäftigt sich mit numerischen Voruntersuchungen zum Vergleich der Torsionstragfähigkeiten von konventionellen Kreisring- und geteilten Halbschalenkonstruktionen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Torsionstragverhalten zusammengesetzter Halbschalen deutlich komplexer ist. Die Auswertung der Verdrehsteifigkeiten zeigt, dass die geteilten Segmente lediglich geringfügig kleinere Tragfähigkeiten aufweisen. Das Verhältnis von Reibbeiwert zu Vorspannung wird dabei als signifikante Einflussgröße für die Ermittlung der Fugentragfähigkeit identifiziert.In recent years, so-called hybrid towers have been successfully established themselves in the further cost reduction of wind power generation, especially for large hub heights. The lower part of these tower structures consists of stacked concrete ring segments whereas the upper part is composed of steel sections. With the new generation of towers, vertical joints divide the concrete segments into even smaller components, so that half shells increase transportability and reduce installation effort. This paper deals with numerical investigations to compare the torsional load capacities of conventional circular rings with half shell constructions. The results indicate that the torsional load bearing behaviour of composite half shells is much more complex. The evaluation of the torsional stiffness shows that the divided segments have only a slightly reduced load carrying capacity. The ratio of friction coefficient to prestressing level is identified as a significant factor for determination of joint load bearing capacity

Energetische Schädigungsanalyse der Betonermüdung

Aufgrund des visko-elasto-plastischen Materialverhaltens wird während Ermüdungsversuchen die den Betonprobekörpern zugeführte Energie in eine andere Energieform umgewandelt. Neben der Beschreibung des energetischen Materialverhaltens von Beton werden in diesem Beitrag die elastischen und plastischen Energieanteile sowie der Anteil der Dissipationsenergie von Beton unter Ermüdungsbeanspruchungen ausgewertet. Dabei zeigt insbesondere die Dissipationsenergie einen deutlichen Zusammenhang zur Schädigungsentwicklung infolge der zyklischen Beanspruchung. Mithilfe des entwickelten und auf dieser Erkenntnis aufbauenden energetischen Schädigungsmodells können während zyklischer Versuche der aktuelle Schädigungsgrad abgeschätzt sowie Schädigungsverläufe über die Versuchslaufzeit dargestellt werden. Die ersten Anwendungen des Schädigungsmodells zeigen gute und plausible Ergebnisse.Due to the visco-elastoplastic material behaviour the added energy to the concrete specimens during fatigue tests is transformed into another form of energy. Besides the description of the energetic material behaviour of concrete, the elastic and the plastic part of the energy as well as the dissipation energy was analysed for different fatigue tests. Especially the dissipation energy shows a correlation to the damage process as a result of the cyclic loading. Regarding this correlation, a new energetic damage model is introduced. With this model a degree of damage during the tests and the development of the damage parameter over the load cycles can be determined. First tests of the developed model show good and plausible results

Zustandsentwicklung und -prognose von Eisenbahnbrücken

Der vorliegende Beitrag befasst sich im Rahmen des Forschungsprojekts DiMaRB (Digital Maintenance of Railway Bridges) mit der Auswertung einer Datenbank der DB AG, die zu den Eisenbahnbrücken vorliegt. Ziel ist es, Prognosen zu Zustandsentwicklungen unterschiedlicher Bauwerksarten von Eisenbahnbrücken zu erstellen und dafür die maßgebenden Einflussparameter (Merkmale) zu charakterisieren. Die hier dargestellten Untersuchungen beschränken sich größtenteils auf Daten von Stahlbeton-, Spannbeton- und Rahmenbrücken. Aus den Ergebnissen geht erwartungsgemäß hervor, dass das Bauwerksalter den ausschlaggebenden Einfluss auf den Zustand einer Brücke hat, die Entwicklung allerdings von weiteren Merkmalen wie dem statischen System und der Bauwerksart beeinflusst wird. Ein Zusammenhang zwischen dem Bauwerkszustand und Größendimensionen wie beispielsweise der Stützweite oder Brückenfläche wurde nicht festgestellt.The present article deals as a part of the research project DiMaRB (Digital Maintenance of Railway Bridges) with the evaluation of data concerning railway bridges of the DB AG. The aim is to create predictions of condition development for different structure types of railway bridges and therefore to characterize the relevant influencing parameters (features). In this article a closer look is only taken on data of reinforced concrete bridges, prestressed concrete bridges and concrete frame bridges. Results of the investigation are presented in chapter 4 and show that the age of bridges has a decisive influence on the bridge condition, but the condition development is influenced by other features such as the static system and the structure type. On the other hand, the maximum span of the bridge and the bridge surface seem to rather not affect the condition development

Ermüdungsversuche an großformatigen vorgespannten Betonbalken

Zur besseren Einschätzung des Ermüdungsverhaltens realer Bauteile sind großformatige Ermüdungsversuche gegenüber Zylinderdruckversuchen geeigneter, da in ihnen Prozesse wie lokale Steifigkeitsänderungen und Spannungsumlagerungen realitätsnäher berücksichtigt werden. In diesem Beitrag wird ein Versuchskonzept für großformatige Betonbalken unter Ermüdungsbeanspruchung vorgestellt. Die geplanten Ermüdungsversuche werden zudem in einem numerischen Modell simuliert. Als Ergebnis der Berechnungen lässt sich ein sukzessiver Schädigungsfortschritt erkennen, der von den Randzonen des Querschnitts in Balkenmitte mit zunehmender Beanspruchungsdauer in das Querschnittsinnere fortschreitet. Infolge der ermüdungsbedingten lokalen Steifigkeitsänderungen kommt es zu Spannungsumlagerungen, sodass die ursprünglich stark beanspruchten Randzonen entlastet werden und sich die Lebensdauer des Bauteils verlängert.For a better assessment of the fatigue behaviour of real structures, large-scale fatigue tests are more suitable than cylinder compression tests, since effects such as local stiffness changes and stress redistributions can be reproduced more realistically. This article presents an experimental setup for large-scale concrete beams subjected to fatigue loading. Additionally, the planned fatigue tests are simulated with a numerical model. The results of the numerical investigations show a successively increasing damage propagating with increasing load cycles from the edges in the middle of the beam into the centre of the cross-section. Stress redistributions occur as a result of local stiffness changes. The initially high stressed edges are relieved and the stresses in the centre of the beam increase, which extends the lifetime of the component

Quasi-kontinuierliche Dehnungsmessungen an chemisch vorgespannten Balken

Quasikontinuierliche faseroptische Sensoren und Messungen mit einem optischen Reflektometer auf Basis der Rayleigh-Rückstreuung ermöglichen die Untersuchung von Dehnungsänderungen im Beton und in der Bewehrung. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse einer solchen Messung von Längenänderungen bei der Aushärtung von Normal- und Quellbeton vorgestellt. Dieses Messverfahren eröffnet neue Perspektiven auch für chemisch vorgespannte Bauteile, da die Verformungen entlang der gesamten Elementlänge im Zeitverlauf untersucht werden können. Im Rahmen des Forschungsprojekts „Chemische Vorspannung von textilbewehrten Sichtbetonbauteilen mit Quellbeton“ wurden das Schwinden und das Quellen von neun axial bewehrten Betonbalken untersucht. Darüber hinaus konnte die Übertragungslänge bestimmt werden, nach der die Betondehnungen auf die Bewehrung übertragen werden.Distributed fibre optic sensors and measurements conducted with an optical reflectometer based on Rayleigh scattering phenomenon allow to investigate strain changes in concrete and its reinforcement. Here results of measuring length changes during hardening of normal and expansive concrete are presented. This novel measurement method opens new possibilities for chemically prestressed elements, as the deformations along the total element length can be investigated in time. As a part of a research project “Chemical prestressing of thin textile reinforced concrete elements”, shrinkage and expansion of nine axially reinforced concrete beams were investigated. Furthermore, it was possible to determine the transfer length after which the concrete strains are transferred to the reinforcement

Betonermüdung unter verschiedenen Belastungsfrequenzen und -pausen

Der Ermüdungswiderstand von druckschwellbeanspruchtem Beton wird üblicherweise versuchstechnisch an zylindrischen Probekörpern mit Belastungsfrequenzen zwischen 1 Hz und 10 Hz ermittelt. Allerdings ist dieser von der Belastungsfrequenz abhängig. So führt eine Erhöhung der Belastungs-frequenz zu einer Erhöhung der Spannungsgeschwindigkeit sowie zu einer stärkeren Probekörpererwärmung. Anhand von Ermüdungsversuchen mit Belastungsfrequenzen von 2 Hz, 4 Hz und 7 Hz sowie pausierten Ermüdungsversuchen mit 4 Hz und 7 Hz konnte gezeigt werden, dass sich unter gleichen Probekörpertemperaturen der Belastungsfrequenzeinfluss auf die Druckfestigkeitserhöhung infolge erhöhter Spannungsgeschwindigkeiten zurückführen lässt. Bei kontinuierlichen Ermüdungs-versuchen führen insbesondere auf den niedrigen Oberspannungsniveaus höhere Belastungsfrequenzen zu höheren Probekörpertemperaturen, die sich wiederum negativ auf den Ermüdungswiderstand auswirken.The fatigue resistance of concrete is usually determined experimentally on cylindrical specimens with loading frequencies between 1 Hz and 10 Hz. However, the fatigue resistance depends on the loading frequency. An increase in the loading frequency leads to an increase in the stress rate and to a stronger warming of the specimen. Based on fatigue tests with loading frequencies of 2 Hz, 4 Hz and 7 Hz as well as 4 Hz and 7 Hz fatigue tests with rest periods it could be shown that under the same specimen temperatures the loading frequency influence can be explained with the increase in compressive strength as a result of increased loading rates. In continuous fatigue tests, higher loading frequencies lead especially at low stress levels to higher specimen temperatures, which have a negative effect on the fatigue resistance