Entwurfsmethodik für ein lebensdauerübergreifendes Bauwerksmonitoring
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title Entwurfsmethodik für ein lebensdauerübergreifendes Bauwerksmonitoring bei unbekanntem Schadensprozess | Design methodology for cross-life structural health monitoring with unknown damage process Förderer | Funding Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / SPP 2388 Zeitraum | Period 08/2022 – 07/2025 Projektleiter | Project manager Prof. Dr.-Ing. Steffen Marx Team | Team Dipl.-Ing. Cedric Eisermann, Dr.-Ing. Chongjie Kang, Jan-Hauke Bartels, M.Sc. |
Bericht aus dem Jahrbuch 2023
Monitoringkonzepte für Brücken ohne Schäden
Die historische Nibelungenbrücke Worms – das Validierungsbauwerk des SPP 2388
Das Ziel des Projektes im Schwerpunktprogramm 2388 (SPP 2388) ist die Entwicklung einer Entwurfmethodik, mit der Monitoringkonzepte für Brücken mit zunächst unkanntem Schadensmechanismus ausgelegt werden können. In der ersten Förderphase liegt der Forschungsschwerpunkt auf der physikalischen Struktur und den physikalischen Größen, die zur Identifizierung potenzieller Schäden überwacht werden müssen. Das Arbeitsprogramm beinhaltet zwei interagierende Ansätze: einen cluster- und einen objektbezogenen Ansatz.
Im Rahmen des clusterbezogenen Ansatzes wird untersucht, ob und wie anhand der filterbaren Merkmale in Bauwerksmanagementsystemen Vergleichscluster für Spannbetonbrücken gebildet werden können. Hierzu wird die Gesamtheit an filterbaren Merkmalen zunächst literaturbasiert auf eine abgegrenzte Anzahl schädigungsrelevanter Merkmale reduziert. Darauf aufbauend wird der Spannbetonbrückenbestand mithilfe unüberwachten Lernens geclustert. Für die Bauwerke eines Clusters werden auf Grundlage von Bauwerksbüchern und Prüfberichten charakteristische Schadensprozesse identifiziert sowie physikalische Größen zu deren Überwachung festgelegt. Da die Validierung der im SPP 2388 entwickelten Methoden an der Nibelungenbrücke erfolgt, werden in diesem Bearbeitungsschritt vor allem Freivorbaubrücken analysiert. Eine für den deutschen Brückenbestand repräsentative Stichprobe an Spannbeton- sowie Freivorbaubrücken wurde bereits identifiziert.
Der objektbezogene Ansatz beruht auf der Analyse des spezifischen Bauwerkes. Dazu werden typische Bewertungsmethoden für Bestandsbauwerke, die Bauwerksprüfung und die Nachrechnung, in den Kontext einer zukünftigen, messtechnischen Überwachung gesetzt. Für die Nibelungenbrücke erfolgte bereits eine umfangreiche Bauwerksdiagnose anhand der vorhandenen Prüfberichte, wobei die Bewehrungs- und Spanngliedkorrosion sowie die Querkraftragfähigkeit als maßgebende Schwachstellen identifiziert wurden. Zudem wurde ein numerisches Modell der Nibelungenbrücke entwickelt. Die ersten Berechnungen zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und den Messdaten der am Bauwerk applizierten Sensoren.
Bericht aus dem Jahrbuch 2022
Brückenmonitoring der Zukunft – prädiktiv statt reaktiv
Planung des Sensornetzes für die Nibelungenbrücke in Worms
Thema des Dresdner Teilprojekts des Schwerpunktprogramms (SPP) 2388 „Hundert plus“ ist die Erarbeitung einer Entwurfsmethodik für lebensdauerübergreifende Brückenmonitoringsysteme, beginnend bei der Errichtung und Inbetriebnahme des Bauwerks, also zu einem Zeitpunkt, an dem normalerweise keine Schäden vorhanden sind.
Die aktuelle Instandhaltungsstrategie von Brücken ist durch turnusmäßige Vor-Ort-Inspektionen charakterisiert. Die Bauwerke werden alle drei Jahre hinsichtlich Schäden untersucht und diese werden dokumentiert. Dieser analoge Prozess ist personalintensiv und Bauwerksanomalien können nur zeitdiskret erfasst werden. Alle Schäden, die die Sicherheit der Brücke gefährden und zwischen zwei Inspektionen auftreten, können nicht rechtzeitig berücksichtigt werden. Eine kontinuierliche Überwachung in Form eines Brückenmonitorings würde hier Abhilfe schaffen. Das Projektziel besteht daher in der Entwicklung einer Methodik, mit der ein Sensorkonzept für lebensdauerübergreifende Monitoringsysteme ausgelegt werden kann.
In der ersten Förderphase liegt der Forschungsschwerpunkt auf dem Verhalten der physikalischen Struktur und den entsprechenden physikalischen Größen, die mit Sensoren gemessen werden können. Das Arbeitsprogramm sieht zwei interagierende Ansätze vor. Zum einen werden mit einem clusterbezogenen Ansatz bestehende Brücken hinsichtlich ihrer kritischsten Schäden systematisch ausgewertet. Zum anderen wird ein objektbezogener Ansatz verfolgt, mit dem ein konkretes Bauwerk hinsichtlich der zu überwachenden physikalischen Größen analysiert wird. Dabei werden sowohl physikalisch basierte Finite-Elemente-Modelle als auch Machine-Learning-Methoden nutzende, datenbasierte Modelle bezüglich ihrer Eignung für die Entwicklung von Sensorkonzepten untersucht. Beide Ansätze münden in der Entwurfsmethode für ein Sensornetzwerk, das an der Nibelungenbrücke im rheinland-pfälzischen Worms validiert wird.
In Kooperation mit dem Zentralprojekt des SPP 2388 „Hundert plus“ wurden erste Sensorapplikationsorte für die Nibelungenbrücke festgelegt. Ein initiales Structural-Health-Monitoring wurde über die TU Dresden ausgeschrieben und extern vergeben. Das Sensorkonzept wird innerhalb des Teilprojektes sukzessive weiterentwickelt und verbessert.