Enhanced assessment of ageing phenomena in steel structures based on materials data and non‐destructive testing

The increasing amount of ageing civil steel infrastructure requests an enhanced assessment of this infrastructure in terms of determining its residual fatigue life in a more realistic way than this has been done in the past. Often the relevant materials data for cyclic loading of such an ageing infrastructure is not available and its retrieval turns out to be relatively cumbersome bearing the urgency in data availability and continuous cost pressure in mind. This article addresses different approaches and techniques on how materials data for cyclic loading can be obtained at a fraction of the effort compared to state‐of‐the‐art techniques, considering load increase tests, non‐destructive testing techniques and finally even a stepped bar specimen allowing a complete set of materials data (stress‐strain behaviour and stress‐ and strain‐life curve) to be obtained with a single specimen in the end only. Options for ’digitizing’ materials data evaluation are discussed and some prospect on application of those novel approaches and techniques in damage accumulation assessments on real steel infrastructure is provided.     

Research on corrosion performance of 6061 aluminum alloy in salt spray environment

Salt spray corrosion test was carried out on 6061 aluminum alloy, and quasi-static tensile test at room temperature was carried out on the sample with universal testing machine. The effect of salt spray corrosion on the mechanical properties of 6061 aluminum alloy was studied by scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectrometer (EDS) and electrochemistry. The corrosion rate of 6061 aluminum alloy was quantitatively characterized by different corrosion parameters. It was found that local corrosion of 6061 aluminum alloy occurred in salt spray environment, mainly pitting corrosion and intergranular corrosion. With the increase of corrosion time, the polarization resistance of 6061 aluminum alloy decreases, and the corrosion rate significantly increases. The average corrosion rate and the maximum corrosion rate of 6061 aluminum alloy were characterized by corrosion weight loss and corrosion pit depth. And they can be transformed into each other. The mechanical properties of 6061 aluminum alloy were mainly affected by the depth of corrosion pit. With the increase of corrosion time, the tensile strength and fracture strain decreased, resulting in poor plasticity of the sample. At the same time, the change of elongation of 6061 aluminum alloy can be accurately predicted by the depth of corrosion pit.     

Entwicklung und Anwendung von mathematischen Optimierungsmethoden zur Ableitung von vereinfachten Prüfungen für Fahrwerksbauteile

Testing the fatigue life time of chassis components is necessary during the development process and for quality supervision during the period of series production. In many cases a simplified test is done to reduce the complexity of the test. The development engineer has to develop the specification of those simplified tests. According to the task different approaches are possible: Looking for an adaquate test load or for a simplified mounting ore both. This paper deals with several numerical methods for test specification development. Especially a numerical optimization routine is presented for detection of a signifcant load case. Also the iterative searching for a simplified mounting in combination with damage based selection of load channel is shown. Exemplary the application of the routines is demonstrated by Porsche PANAMERA wheel carrier and a suspension‐strut receiving. The actual stage of development of the numerical routines is presented. In addition intended upgrades of the software are shown.     

Ingenieurwissenschaftliche Untersuchungen an der Hagia Sophia in Istanbul — Teil 1: Das Konstruktionsgefüge

Die Hagia Sophia in Istanbul ist eines der baugeschichtlich wichtigsten und ingenieurmäßig bemerkenswertesten Bauwerke der letzten 1500 Jahre. Aufgrund restauratorischer Sicherungsarbeiten und der damit verbundenen Einrüstung der Hauptkuppel war in den letzten Jahren die einmalige Gelegenheit gegeben, den geometrischen und materiellen Irregularitäten und Diskontinuitäten, die aus mehreren Teileinstürzen und Wiederaufbauten herrühren, mit Hilfe zerstörungsfreier geophysikalischer Untersuchungsverfahren nachzugehen. Damit konnte der heutige Bestand und Zustand der aus Ziegeln gemauerten Hauptkuppel und der aus Naturstein errichteten vier Hauptpfeiler intensiv erkundet werden. Die erlangten neuen Kenntnisse zum Konstruktionsgefüge erlaubten einerseits die Entwicklung differenzierter Berechnungsmodelle, mit deren Hilfe eine Aussage zum Lastfluss, den Spannungszuständen und dem Stabilitätsverhalten der Hagia Sophia möglich wurde und bieten andererseits Grundlage, um die Frage der Erdbebengefährdung mit einer der historischen Bedeutung des Gebäudes entsprechenden Zuverlässigkeit zu beantworten. Im vorliegenden ersten Teil des Berichtes zum DFG‐Projekt “Ingenieurwissenschaftliche Untersuchungen an der Hauptkuppel und den Hauptpfeilern der Hagia Sophia in Istanbul“ [1] wird über die Erkundungen am Bauwerk berichtet. Der im nächsten Heft erscheinende zweite Teil wird dann die Folgerungen, die sich daraus für das Tragverhalten und Tragvermögen des Gebäudes ergeben, zum Inhalt haben. Engineering Studies on the Hagia Sophia in Istanbul — Part 1: The Structural Characteristics. The Hagia Sophia in Istanbul is one of the most significant and remarkable buildings of the past 1500 years, both from an architectural history and an engineering point of view. Due to restoration work and the related scaffolding of the main dome, the past years have provided a unique opportunity to investigate the geometrical and material irregularities and discontinuities resulting from several partial collapses and rebuilding, by using nondestructive geophysical analytical methods. They allowed a thorough exploration of the present substance and condition of the main dome’s brick masonry and of the four main pillars built from natural stone. The new findings regarding the structural characteristics allowed, on the one hand, developing differentiated calculation models by means of which statements on load flow, stress states and stability behavior of the Hagia Sophia became possible and on the other, provided a basis for answering the question about the earthquake risks with a reliability corresponding to the historical significance of the building. The first part of the report on the DFG project “Engineering Studies on the Main Dome and Main Pillars of the Hagia Sophia in Istanbul” describes the explorations of the building. The second part, which will appear in the next issue, will present the conclusions resulting for the structural behavior and structural capacity of the building.     

Ingenieurwissenschaftliche Untersuchungen an der Hagia Sophia in Istanbul — Teil 2: Zum Tragverhalten

Die Hagia Sophia in Istanbul, eines der bau‐ und kulturgeschichtlich wichtigsten und ingenieurmäßig bemerkenswertesten Bauwerke der letzten 1500 Jahre, war im Rahmen des DFG‐Projektes “Ingenieurwissenschaftliche Untersuchungen an der Hauptkuppel und den Hauptpfeilern der Hagia Sophia in Istanbul” [1] Gegenstand umfänglicher Forschungstätigkeit, erst zum Konstruktionsgefüge, dann zum Tragverhalten. Ein optimierter Einsatz zerstörungsfreier, geophysikalischer Untersuchungsmethoden ermöglichte erstmals eine umfassende Aussage zum Bestand und inneren Zustand der tragenden Bauteile, wie sie sich über die Jahrhunderte und mehrere Teileinstürze hinweg bis zum heutigen Tag entwickelt haben. Hierüber wurde im ersten Teil dieses Beitrages berichtet [15]. Der sich nun anschließende zweite Teil beschäftigt sich mit dem Tragverhalten der Hagia Sophia. Ausgehend von grundsätzlichen Überlegungen zum Lastfluss in Pendentifkuppeln werden die erarbeiteten neuen Kenntnisse über die Bauwerksstruktur in ihrer statischen Bedeutung bewertet, den bisherigen Berechnungsgrundlagen vergleichend gegenübergestellt und im Rahmen eigener Studien zum Lastfluss und Tragverhalten unter statischer Belastung eingesetzt. Hinsichtlich der Frage der Erdbebengefährdung wird ein Ausblick auf ein Anschlussprojekt gegeben, welches — auf den erzielten Forschungsergebnissen aufbauend — die dynamische Analyse der Hagia Sophia zum Inhalt hat. Engineering Studies on the Hagia Sophia in Istanbul — Part 2: On the Structural Behavior. The Hagia Sophia in Istanbul, which is one of the most important and remarkable buildings of the past 1500 years from the point of view of architectural and cultural history as well as from a civil‐engineering perspective, has been the object of extensive research — first, regarding its structure and then, its structural behavior as the subject of the DFG Project ”Engineering Studies of the Main Dome and Main Pillars of the Hagia Sophia in Istanbul”. The optimized use of non‐destructive, geo‐physical methods of examination allowed, for the first time, making comprehensive statements on the existing structure and the internal condition of the structural parts as they have developed over the centuries and through several partial collapses to this day. A report on this can be found in the first part of my article. This second part focuses on the structural behavior of the Hagia Sophia. Departing from fundamental deliberations on load flow in pendentive domes, the importance of the new findings about the structural characteristics for structural behavior is evaluated, compared to the bases for calculation used before, and used in the context of studies on load flow and structural behavior under a structural load. With regard to the issue of earthquake risk, an outlook is provided on a follow‐up project that will focus on a dynamic analysis of the Hagia Sophia, based on these research results.     

Electromagnetism as a means for understanding materials mechanics phenomena in magnetic materials

Electromagnetic properties are an interesting means for monitoring a variety of materials' mechanical properties in ferro‐ and paramagnetic materials non‐destructively. Those properties include uni‐ und multi‐axial stress states as well as plasticity and fatigue damage and can be measured at macro‐ as well as at microscopic scales, depending on what measurement equipment will be used. The article describes the general electromagnetic phenomena to be considered as well as the equipment to be used before presenting a variety of different experimental results from which the materials mechanical properties mentioned above can be directly derived being an ideal means for monitoring the health of any magnetic metallic structure.     

Versuche zur Ermüdungsfestigkeit alter Betonstähle

Die Frage der Ermüdungssicherheit hat im Zusammenhang mit der Überprüfung bestehender Stahlbetonbauwerke, insbesondere Brücken, an Aktualität gewonnen. Während auf der Einwirkungsseite die Anzahl der Lastwechsel und die Lasten, die die Brücke im Laufe ihres Lebens erfahren hat, von Bedeutung sind, sind es auf der Widerstandsseite die Genauigkeit des Tragwerkmodells und die Materialkennwerte. Mit Letzteren befasst sich dieser Aufsatz. Der wichtigste Parameter auf der Widerstandsseite ist die Ermüdungsfestigkeit des Betonstahls. Mittels Dauerschwingversuchen wurde die Ermüdungsfestigkeit von vier Betonstahlsorten ermittelt. Zwei Sorten stammen von abgebrochenen Brücken aus den 1950er Jahren; zwei weitere sind kürzlich produzierte Sorten von Ring‐ und Stabmaterial der Betonstahlsorte B 500 B. Das Ziel der Versuche bestand darin, festzustellen, ob das Alter einer Stahlbetonkonstruktion einen Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit des Betonstahls hat. Im Aufsatz werden die Problematik beim Nachweis der Ermüdungssicherheit bestehender Brücken kurz geschildert, die Versuche beschrieben und deren Resultate diskutiert. Fatigue Tests with Old Reinforcing Steels Recently, fatigue safety has become an issue with respect to surveying the condition of existing structures, in particular bridges. While questions considering traffic loads and frequencies dominate the calculations of the appropriate load scenarios, the accuracy of the structural model and material properties play a vital role for the calculation of the resistance. This article deals with the latter. The most important parameter on the resistance side is the fatigue strength of the reinforcement. Therefore, fatigue strength of four brands of reinforcing steel was determined in fatigue tests. Two brands of reinforcement bars could be gathered during demolition work of two bridges which were built in the 1950ies. Another two brands of new reinforcing steel B 500 B, a rod‐steel and a steel from the roll, were tested. The aim of the tests was to prove whether age and environment of the built‐in reinforcement bars affect their fatigue resistance or not. The article briefly describes the difficulties with verifying the fatigue safety of existing bridges while the main part deals with the experimental work and the discussion of the test results.