02 Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften
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Item Open Access Einfluss des Tragverhaltens von Dübelbefestigungen auf die Bauwerk-Komponenten-Wechselwirkungen bei Erdbebenbeanspruchung(2019) Dwenger, Fabian; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)Befestigungen mit nachträglich montierten Dübeln haben sich im Hochbau in den letzten Jahrzehnten als flexibel einsetzbare Verbindungsmethode zwischen Komponenten und Stahlbetontragwerken bewährt. Auch im kerntechnischen Bereich wurden nachträglich montierte Dübel zur Befestigung z. B. von Rohrleitungen an Stahlbetonstrukturen eingesetzt. Aufgrund der hohen sicherheitstechnischen Bedeutung von Integrität und Funktionsfähigkeit kerntechnischer Komponenten werden an deren lastabtragende Befestigungen ebenfalls hohe Anforderungen gestellt. Dies gilt insbesondere für außergewöhnliche Einwirkungen z. B. im Falle eines Erdbebens. Durch die Erdbebenerregung des Reaktorgebäudes und der daran befestigten Komponenten sind auch die Befestigungen schwingenden Belastungen ausgesetzt. Kommt es infolge der Erdbebeneinwirkung auf das Tragwerk zu Rissbildung im Beton, können Risse im Verankerungsgrund auch zu einer signifikanten Anzahl von Rissöffnungszyklen führen, die das Last-Verschiebungsverhalten der Dübel beeinflussen. Die detaillierte Untersuchung des Tragverhaltens von Dübelbefestigungen bei schwingender Belastung und bei Öffnen und Schließen von Rissen war in den letzten Jahren Gegenstand zahlreicher Forschungsvorhaben auch in Deutschland, nachdem in deutschen Kernkraftwerken fehlerhaft montierte Dübel festgestellt wurden und dadurch Sicherheitsbedenken hinsichtlich der Auswirkungen auf Komponenten entstanden. Die in dieser Dissertation vorgestellten Untersuchungen leisten insbesondere zur numerischen Untersuchung des Tragverhaltens des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung einen Beitrag. Ziel dieser Arbeit ist es, anhand realitätsnah gewählter numerischer Modelle den Einfluss des lokalen Befestigungstragverhaltens auf das strukturdynamische und –mechanische Verhalten des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden zunächst nach Darlegung der Problemstellung (Kapitel 1), Vorgehensweise und Zielsetzung (Kapitel 2) die notwendigen Grundlagen der relevanten Themengebiete im Stand von Wissenschaft und Technik (Kapitel 3) erarbeitet. Für die Entwicklung eines numerischen Modells des Tragverhaltens einer Befestigung werden zunächst vereinfachte (Rechen-)Modelle und Modellansätze, die in der Literatur zu finden sind, erläutert (Kapitel 4). Anhand dieser analytischen Rechenmodelle wird eine erste Abschätzung der zu erwartenden Dübelverschiebungen infolge Erdbebeneinwirkung durchgeführt. Anschließend wird entsprechend der Regeln des Kerntechnischen Ausschusses (KTA) eine Erdbebensimulation jeweils für ein Reaktorgebäude und für eine Rohrleitungskomponente durchgeführt (Kapitel 5). Um eine numerische Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung zu ermöglichen, wird ein numerisches Modell für eine Befestigung mit nachträglich montierten Dübeln auf Basis der zuvor dargestellten vereinfachten Rechenmodelle entwickelt (Kapitel 6). Darüber hinaus werden zulässige Modellvereinfachungen vorgenommen, um den Modellierungs- und Simulationsaufwand bei den Erdbebensimulationen zu reduzieren. Das numerische Modell für die Befestigung wird anschließend bei der numerischen Analyse des Gesamtsystems Bauwerk-Befestigung-Rohrleitung bei Erdbebeneinwirkung verwendet (Kapitel 7). Abschließend werden die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit diskutiert (Kapitel 8) und zusammengefasst (Kapitel 9) und ein Ausblick auf weitere Untersuchungen gegeben, die an diese Arbeit anknüpfen können (Kapitel 10).Item Open Access Finite element based design of timber structures(2023) Töpler, Janusch; Schweigler, Michael; Lemaître, Romain; Palma, Pedro; Schenk, Martin; Grönquist, Philippe; Tapia Camú, Cristóbal; Hochreiner, Georg; Kuhlmann, UlrikeItem Open Access Real-size structural health monitoring of a pre-stressed concrete bridge based on long-gauge fiber Bragg grating sensors(2021) Sakiyama, Felipe Isamu H.; Garrecht, Harald (Prof.)The ability to track the structural condition of existing structures is one of engineers, governments, and estate managers’ main con-cerns. In bridge maintenance programs, for example, visual in-spection predominates nowadays as the primary source of infor-mation. Nonetheless, visual inspections alone are insufficient to satisfy the current needs for structural safety assessment. The in-creasing demand for civil infrastructures, the aging of existing assets, and the strengthening of safety and liability laws have led to the inclusion of structural health monitoring (SHM) techniques into the structural management process. With the latest develop-ments in the sensors field and computational power, real-scale SHM deployment has become logistically and economically feasi-ble. However, it is still challenging to perform a quantitative evalua-tion of the structural condition based on measured data. Although the current approaches of SHM systems using traditional single-point sensors - such as electric strain sensors, accelerometers, and GPS-based sensors - have appropriate measurement precision for SHM purposes, they present challenges when deployed in real-scale applications, given the limited number of possible points to assess the structural behavior and the harsh environmental condi-tions during operation. When it comes to prestressed and rein-forced concrete structures, structural monitoring and damage identification present further challenges. They are affected by vari-ous chemical, physical and mechanical degradation processes and have a heterogeneous composition and non-linear behavior. On the other hand, fiber optic (FO) technology can provide integrated sensing in extensive measurement lengths with high sensitivity, durability, and stability, making them ideal for SHM of concrete structures. From this perspective, extensive research on structural health monitoring has been developed in the last decades. How-ever, the transfer rate from laboratory experiments to real-case applications is still unsatisfactory. This research addressed the main limitations that slow the deployment and the acceptance of real-size structural health monitoring systems in bridge mainte-nance programs. It proposed a long-term SHM concept to moni-tor prestressed concrete bridges, enabling the real-time detection of inherent damaging processes such as prestressing tendon break and crack opening and providing meaningful structural in-formation to support decision-making within bridge maintenance programs. An SHM system based on long-gauge fiber Bragg grat-ing (LGFBF) sensors was designed and deployed in a real-size prestressed concrete bridge. Autonomous and intelligent meas-urement tasks with data management and post-processing tools were implemented to operate the SHM system and delivery the expected results. A novel runtime algorithm for real-time analysis based on random variables correlation for condition monitoring was implemented to automatically detect unexpected events, such as local structural failure, within many random dynamic loads. Additionally, an integrated methodology for data interpretation and model updating built on data feature extraction using the principal component analysis (PCA), finite element (FE) modeling, and Monte Carlo simulations was proposed to identify existing damages and optimize the FE model updating process. The re-sults showed that the deployed SHM system successfully translates the massive raw data into meaningful information to access struc-tural response, predict damage formation, and calibrate a FE model of the monitored structure. Finally, the proposed real-time analysis algorithm delivers a reliable notification system that allows bridge managers to track unexpected events as a basis for deci-sion-making.Item Open Access Instrumented monitoring of moisture and salt by electrical impedance measurements(2018) Lehmann, Frank; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)The determination of the moisture content in building materials is a contro versially discussed subject. The only scientifically accepted reference is the gravimetric method, i.e. the moisture assessment of a sample of building material by drying. Yet, even here, disagreements arise from the question of the “correct” drying temperature, which results from the multiple definitions in use for the dry material state. The significance of moisture for a virtually inconceivable number of matters in civil engineering reflects in the nonetheless numerous approaches for its measurement. Some of them are successfully established in practice, despite of the debates on their accuracy and reproducibility. The reason lies in the urgent need for suitable moisture measurement methods. Their use is not totally condemnable, but requires a profound understanding of the underlying physical concepts and the knowledge of each method’s application, possibilities and limitations. The measurement of a material’s electrical impedance for the determination of its moisture content are often viewed especially critical. This objection is justified primarily by the strong influence of salts and other conductive inclusions, such as clay or metals. However, the method has some unique features, which, if applied right, can give valuable insight into processes within the considered material or investigated structure. In contrast to many other methods, it is possible to realize an instrumented monitoring of an object outside of laboratory conditions. The measurement location remains fixed wherever chosen and therefore allows the comprehension of gradual processes, such as drying or accumulation of salts, while offering the possibility to continuously take the ever-changing ambient conditions into account. The focus of this research work lies on putting impedance spectroscopy into practical application. The method itself has long been studied, but only the latest developments of fully integrated impedance converters have made it possible to incorporate impedance functionality into structural health monitoring systems. Their scope regarding accuracy or frequency range is certainly reduced compared to laboratory devices. However, this evolution provides the opportunity for a permanent instrumentation of structures outside of laboratory conditions to assess moisture developments therein. Special attention was set in the research to the development and optimization of suitable impedance electrodes, which show both sufficient durability for instrumented monitoring and minimize the influence of the electric double layer. It was found that nickel-graphite silicon electrodes are well suited. To be capable of understanding impedance data, which is influenced under natural conditions by many factors that do not or only in other ways occur in a protected laboratory environment, it is necessary to study these effects on the impedance. The two main sources of material moisture are the humidity from the air and capillary water. The present thesis regards impedance measurements for qualitative moisture monitoring of porous building materials, particularly sandstone. Long-term measurements were carried out to research the gradually adapting material moisture of different sandstones caused by a change in the ambient relative humidity between 54 and 100 %. The considered sandstone varieties were selected from southern Germany. In detail Abbacher green sandstone, Burgpreppacher sandstone, Main sandstone white-grey, Sander reed sandstone and Trebgaster new red sandstone. Further measurements were performed to study the detectability of water fronts during the capillary rise of water and the subsequent drying process, as well as the influence of temperature changes. To begin with, the scientific motivation for the present work is presented in chapter 1. Chapter 2 introduces the basic concepts of porosity, water storage and transport therein, and the effects of soluble salts in this water. Chapter 3 gives an overview of electrical impedance monitoring with special respect to measurements on porous materials. Possibilities for the temperature compensation of impedance data are presented. The developed device for impedance monitoring is described in chapter 4. Its conception in the global context of other moisture measurement options and with regard to the specific field of monitoring of protected historic structures is examined. The optimization of the impedance electrodes and the choice of a suitable measurement frequency are discussed. Chapter 5 presents the impedance monitoring of sandstone in the hygroscopic and over-hygroscopic moisture range. A look at the time-dependent data collected for different sandstone types during a long-term experiment with stepwise variation of the ambient relative humidity is followed by an analysis of the impedance regarding material moisture and its distribution within the porous network. The measurement of capillary rise of water and a reflection on possible electrode configurations along with their consequences for the detection of capillary water fronts are regarded thereafter. The chapter closes with a description of the procedure for temperature compensation of impedance data. An example of applied impedance monitoring is presented in the concluding chapter 6, which regards both the hygroscopic and over-hygroscopic moisture range. Two more application examples follow, which show a perspective for other applications. The first pictures the monitoring of hydrating screed, the second illustrates the use of impedance monitoring for the assessment of self-healing concrete.Item Open Access Ermüdungsverhalten von Befestigungen in Beton bei überlagerter statischer Beanspruchung(2025) Fröhlich, Thilo; Hofmann, Jan (Prof. Dr.-Ing.)Im Bauwesen werden Befestigungselemente zur Verbindung von Stahlkonstruktionen mit Betonbauteilen u.a. für Aufzüge, Kranbahnträger und Schwenkkrane oder Maschinen verwendet, bei denen häufig wiederholte Beanspruchungen in Kombination mit einer statisch wirkenden Belastung auftreten, die zu einem Ermüdungsversagen des Befestigungspunkts führen können. Der bisherige Wissensstand zur Ermüdungstragfähigkeit von Befestigungen in Beton basiert im Wesentlichen auf Schwingversuchen im Schwellbereich mit geringer Unterlast, wobei die Versagensart Stahlbruch des Befestigungsmittels häufig maßgebend wird. Bei der Bemessung werden für Befestigungen unter kombinierter Beanspruchung daher sehr konservative Annahmen getroffen, die insbesondere im Hinblick auf die Materialermüdung des Stahls von geltenden Normenregelungen im Bauwesen abweichen und vergleichsweise unwirtschaftliche Ergebnisse liefern. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des statischen Lastniveaus auf das Schädigungsverhalten und die Tragfähigkeit von ermüdungsbeanspruchten Befestigungen bei Stahlversagen systematisch untersucht. Hierzu erfolgten experimentelle Untersuchungen an drei verschiedenen Typen mechanischer Befestigungsmittel aus Kohlenstoffstahl, die durch unterschiedliche Kerbdetails gekennzeichnet sind. Aus den durchgeführten Untersuchungen geht hervor, dass der Einfluss des statischen Lastniveaus auf das Ermüdungsverhalten von Befestigungen von der Art des Befestigungsmittels abhängt und bei der Bemessung nicht generell vernachlässigt werden kann. In den Versuchen hat sich dennoch bestätigt, dass der Lastniveaueinfluss nach den vorliegenden Bemessungsansätzen überschätzt wird und je nach Befestigungsmittel zu unwirtschaftlichen Ergebnissen führen kann. Für die untersuchten Dübel und Kopfbolzen konnte ein ähnliches Ermüdungsverhalten wie bei Schraubenverbindungen im Stahlbau bzw. Kopfbolzendübeln im Verbundbau festgestellt werden. Dadurch ist es möglich, eine Bewertung der Ermüdungstragfähigkeit von Befestigungen auf der Basis des Nennspannungskonzepts vorzunehmen. Auf Grundlage der erzielten Erkenntnisse wird ein neues Bemessungskonzept zur Bestimmung des Ermüdungswiderstandes mit statischen Lastanteilen abgeleitet. Dieses erlaubt, die vorhandenen Tragfähigkeitsreserven von Befestigungen unter kombinierter Beanspruchung bei der Bemessung zu nutzen. Darauf basierend wird ein mehrstufiges Nachweiskonzept vorgestellt, das aus drei verschiedenen Bemessungsverfahren besteht, die einen zunehmenden Grad an Genauigkeit und Komplexität bei der Nachweisführung aufweisen. Dies führt zu einer effizienteren Auslegung von Befestigungen wie auch zu Potentialen bei der Bewertung der Restnutzungsdauer von bestehenden Anschlüssen und liefert damit einen wichtigen Beitrag zur Ressourceneinsparung im Bauwesen.Item Open Access Das Oxidationsverhalten und die elektrochemische Charakterisierung von Stählen in Nitratschmelzen bei hohen Temperaturen(2019) Rückle, Dagmar; Garrecht, Harald (Prof. Dr.-Ing.)Thermische Energiespeicher werden häufig in solarthermischen Kraftwerken eingesetzt und basieren auf der Verwendung von Salzschmelzen als Speichermedium. Zur Steigerung der Energieeffizienz sind kontinuierliche Weiterentwicklungen der Technik sowie das Einführen neuer Prozessparameter, wie z.B. höhere Prozesstemperaturen, notwendig. Diese Änderungen wirken sich jedoch häufig auch auf die Anforderungen an die einzusetzenden Werkstoffe aus. Ziel dieser Arbeit war es, die veränderten Anforderungen an die Werkstoffe hinsichtlich des Korrosionsverhaltens zu untersuchen, um die Lebensdauer solcher Kraftwerke zu erhöhen und substantielle wissenschaftliche Ergebnisse in diesem Anwendungsgebiet zu erhalten. Das Korrosionsverhalten der Stähle wurde mittels Oxidationsversuchen und gravimetrischer Auswertung bei 560°C untersucht, um die Abtragsraten für verschiedene nichtrostende Stähle und einen hochwarmfesten Stahl in unterschiedlichen Nitratsalzmischungen in Abhängigkeit von der Auslagerungsdauer isotherm und zyklisch bestimmen zu können. Im Anschluss wurden mittels diverser elektronenmikroskopischer und röntgenografischer Untersuchungsmethoden (FIB, REM, EDX; XRD) die Eigenschaften der gebildeten Oxidschichten hinsichtlich Beschaffenheit, Haftfestigkeit, chemischer Zusammensetzung und der vorliegenden Phasen untersucht, das Wachstumsverhalten der Oxidschichten analysiert sowie der erfolgte korrosive Angriff begutachtet. Weiterhin wurden durch TEM-Untersuchungen die Einflüsse der Nitratsalzschmelze auf die Struktur des Grundwerkstoffs identifiziert. Mittels zwei verschiedener elektrochemischer Prüfmethoden, Stromdichte-Potential-Kurven (I/E) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), wurde das Korrosionsverhalten der Stähle in-situ bei Temperaturen zwischen 410 und 560 °C und in Abhängigkeit von der Reinheit der Salzschmelze analysiert sowie die Stabilität und Eigenschaften der gebildeten Oxidschichten evaluiert. Die Korrosionsbeständigkeit der untersuchten Cr,Ni-Stähle erwies sich gegenüber der des hochwarmfesten Cr-Stahls speziell in Salzschmelzen, die Chloridgehalte über 0,5 Gew.-% aufweisen, deutlich überlegen. Der Effekt der Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens vom Chloridgehalt ist der Ausbildung von Fe- bzw. Cr-Chloriden und deren unterschiedlichem Einfluss auf die Stabilität der Oxidschichten zuzuschreiben. Die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der Oxidschichten ergab für alle untersuchten Stähle Cr,Fe-reiche Oxide, die sowohl als vorwiegend Cr-reiche oder Fe-reiche Oxide sowie als Mischoxide vorkommen. Die Schichten weisen außerdem eine hohe Porosität und eine schlechte Haftung auf dem Grundmaterial auf. Bei längeren Auslagerungszeiten (3000 h) wurden Auswirkungen der natriumhaltigen Schmelze, sowohl auf das Grundmaterial als auch auf die Oxidschicht, beobachtet. Es entstehen zum einen zusätzlich Na,Fe- reiche Oxidschichten, die aus einer Reaktion mit der Schmelze resultieren und zum anderen wurden im Grundwerkstoff Gefügeveränderungen identifiziert. Beim hochwarmfesten Stahl 1.4903/T91 bildeten sich in der kompletten Matrix nadelförmige Cr-Nitride, während bei 1.4404 in Ni-reichen Körnern an der Grenze zwischen Oxid und Grundwerkstoff Cr,N-reiche runde Ausscheidungen beobachtet wurden. 1.4571 zeigt nach den Auslagerungen eine Sensibilisierung der Korngrenzen, obwohl dieser Stahl mit Titan stabilisiert ist. Durch den zusätzlichen Stickstoffeintrag aus der Schmelze können sich direkt sensibilisierend wirkende Chromnitride an der Korngrenze bilden oder alternativ ist durch die Bildung von Titannitriden nicht mehr genug ungebundenes Titan vorhanden und es bilden sich trotz der Stabilisierung Chromkarbide. Weiterhin wurde die Stabilität der Salzschmelze untersucht. Es wurden Änderungen des Nitrat/Nitrit-Verhältnisses, bedingt durch Zersetzungsreaktionen der Salzschmelze beobachtet und die Tendenz von Chrom zur Lösung in der Salzschmelze festgestellt. Diese unerwünschten Effekte können zu veränderten Eigenschaften der Salzschmelze hinsichtlich ihrer Wärmespeicherkapazität, ihrer generellen Stabilität und ihrer Korrosivität führen. Durch elektrochemische Untersuchungen konnte die Abhängigkeit der Korrosionsbeständigkeit vom Cl--Gehalt bestätigt werden sowie eine eindeutige Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von der gewählten Temperatur nachgewiesen werden. Die Beständigkeit ist bei 410°C deutlich höher als bei 560°C. Sie sinkt also mit zunehmender Temperatur. Sowohl durch Aufnahme von I/E-Kurven als auch mittels EIS war keine bedeutende Unterscheidung der Werkstoffe unter den gleichen Bedingungen möglich. Allerdings konnte mittels EIS erstmalig die Stabilität und Beständigkeit der Werkstoffe in Nitratsalzschmelzen bei 560°C abhängig von der Dicke und Beschaffenheit der Oxidschichten sowohl qualitativ als auch quantitativ dargestellt werden. Das vorgeschlagene Ersatzschaltbild ermöglicht trotz der Komplexität der Bedingungen eine gute Adaptierung der berechneten Kennwerte auf das vorliegende Korrosionssystem. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass auch andere physikalische Prozesse, die in dieser Arbeit nicht bedacht wurden, eine Rolle spielen könnten. Die elektrochemische Impedanzspektroskopie eignet sich daher prinzipiell sehr gut, um bei hohen Temperaturen auch in komplexen Elektrolyten einen ersten Eindruck vom jeweiligen Korrosionssystem zu erhalten, sollte aber grundsätzlich durch mikroskopische Analysen ergänzt werden um eine vollständige Aussage treffen zu können. Die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse erweitern den bisher in der Fachliteratur präsentierten Kenntnisstand des Korrosionsverhaltens von verschiedenen anwendungsrelevanten Stählen in Nitratsalzschmelzen und ermöglichen damit für Planer und Konstrukteure eine gezieltere Materialauswahl.