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.     

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.     

Nachweis der Firstspaltverpressung bei zerstörungsfreien Schalendickenmessungen an Tunnelinnenschalen

Bisherige Auswertungen bei diversen Tunnelprojekten ergaben, dass bei Tunnelinnenschalen die Firstspaltverpressung nicht immer zerstörungsfrei nachgewiesen wurde. In Bereichen, die beispielsweise durch eine freiliegende Bewehrung in der Firste instand gesetzt werden müssen, ist der Nachweis des Verpressguts von großer Bedeutung. In Laborversuchen wurde an Betonprobekörpern dieser Fragestellung durch Variation verschiedener Einflussgrößen und Parameter experimentell nachgegangen. Im Anschluss daran erfolgte die praktische Umsetzung der Versuchsergebnisse auf einer Tunnelbaustelle im Bereich von detektierten Fehlstellen im Firstbereich. Durch den Einsatz spezieller Verpressgüter und Vorbehandlungen konnte die Tunnelinnenschale mit dem Verpressgut in diesem Bereich zerstörungsfrei einwandfrei nachgewiesen werden. Verification of Ridge‐Gap Grouting by Measuring the Shell Thickness of the Inner Tunnel Layer by Non‐Destructive Testing Previous evaluations of various tunnel projects showed results where the ridge‐gap grouting of the inner tunnel shells was not always been non‐destructively proven. In areas which, for example, have to be repaired through exposed reinforcement in the ridge, the proof of the grouting material is of great importance. This problem was explored experimentally in laboratory tests on concrete test specimens through variation of different actuating variables and parameters. Afterwards, the experimental results were put into practice in areas of detected flaws in the ridge area on a tunnel construction site. The inner tunnel shell with the grouting material could be proved perfectly non‐destructively by using special grouting material and pre‐treatments in this area.     

Ermittlung des Aufbaus und der Stoffkennwerte von Außenbauteilen mit Hilfe von In‐situ‐Messungen und FEM‐Berechnungen

Determination of the construction and the material identity values of outside building components with the help of in‐situ measuring procedures and FEM‐simulation calculations. The aims formulated nationwide and internationally to the climate protection can be achieved by combining of the energy‐efficient construction and rehabilitation of the existing buildings. Knowledge about the construction and the material identity values of the warmth‐transferring outside components is a condition for the energetic balance of buildings. The essential information to this can frequently be no more taken from the construction documents particularly for older buildings since they are no longer traceable or incomplete. At the example by univalve and bivalve out‐wall construction it is shown that the thermophysical qualities can be determined with the help of in‐situ measuring procedures and FE‐simulation calculations without destruction.