smart_tendon
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
| Titel | Title TP der TU Dresden im Verbundprojekt smart_tendon: Erfassung von Bauwerksdaten mittels in Spannglieder integrierter ortsauflösender Dehnungssensoren | Subproject of the TU Dresden within the joint research project smart_tendon: Acquisition of structural data by means of spatially resolved strain sensors integrated in tendons Förderer | Funding Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) Zeitraum | Period 11/2021 – 10/2024 Teilprojektleiter | Subproject manager Prof. Dr.-Ing. Steffen Marx Bearbeiterin | Contributor Dr.-Ing. Kerstin Speck Projektpartner | Project partners Institut für experimentelle Mechanik, HTWK Leipzig | DYWIDAG Systems International GmbH, Leipzig | MKP GmbH, Weimar | Ingenieurgesellschaft für experimentelle Bauwerksuntersuchung mbH, Leipzig | Solifos Deutschland GmbH, Bonn |
Bericht aus dem Jahrbuch 2023
smart tendon in Forschungsbrücke
Das smart tendon wird durch eine Spezialkappe aus dem Spannglied herausgeführt
Beim smart tendon werden faseroptische Sensoren direkt in Spannstahllitzen integriert, damit sie die Dehnung kontinuierlich entlang der Litzen aufzeichnen. Mit dem Spannglied wird also gleichzeitig ein Sensor in Spannbetonbrücken integriert, der den Zustand der Brücken über deren gesamte Nutzungsdauer hinweg erfassen kann. Schadensfreie Bauwerke können somit im Rahmen der Hauptuntersuchungen detailliert überprüft oder die Auswirkungen außergewöhnlicher Schwerlasttransporte ohne wesentlichen Aufwand dokumentiert werden. Vor allem aber können Schäden frühzeitig erkannt, Messwerte in eine Nachrechnung einbezogen und das smart tendon in ein Monitoringkonzept integriert werden.
Die Anordnung der faseroptischen Sensoren im Spannglied wurde durch unsere Projektpartner in Leipzig und Bonn entwickelt und optimiert. An kleinformatigen Probekörpern konnten die Eignung der Sensorkonfiguration nachgewiesen und die Anwendungsgebiete abgegrenzt werden. Mögliche Schäden wie Spanndrahtbrüche oder Verpressfehler sind eindeutig in den Messwerten erkennbar. Auswirkungen von Rissen auf die Steifigkeit eines Bauteils und somit die Dehnungen im Spannglied sollen dagegen an großmaßstäblichen Laborversuchen charakterisiert werden. Dafür geeignete Spannbetonträger wurden an unserem Institut konzipiert.
Einen praktischen Einsatz erhält ein smart tendon in der Forschungsbrücke, die Rahmen des Projektes IDA-KI errichtet wird. Dafür wurden Litzen mit faseroptischen Sensoren ausgestattet. Diese Litzen kamen sowohl im Spannglied im nachträglichen Verbund als auch als Einzellitze im sofortigen Verbund in einem Fertigteil zum Einsatz. Gelöst wurden dabei zahlreiche konstruktive Herausforderungen. Die eigentliche Messfaser, die im Bauteil geschützt im Inneren der Litze verläuft, verlässt diese am Bauteilende über die Stirnseite der Litze. Für den Vorspannvorgang, das Absetzen der Litze, die Herstellung des Korrosionsschutzes und nicht zuletzt den robusten und dauerhaften Anschluss des Sensors wurden Lösungen entwickelt.
Bei einer Probebelastung des Fertigteils vor dem Einbau in der Brücke wurden vielversprechende Messwerte aufgezeichnet. Als Bestandteil der Forschungsbrücke kann das smart tendon in Zukunft sein volles Potential aufzeigen und auch unter außergewöhnlichen Belastungssituationen getestet werden.
Bericht aus dem Jahrbuch 2022
smart tendon besteht erste Tests
Das Innere eines smart tendon
Zur Reduktion des Ressourcenverbrauchs müssen Infrastrukturbauwerke möglichst lange genutzt und effizient unterhalten werden. Dafür werden Brücken regelmäßig geprüft und bei erkannten Schäden einer Nachrechnung und ggf. einem Monitoring unterzogen. Die Partner in diesem Projekt entwickeln Sensoren für Spannbetonbrücken, die als sogenanntes smart tendon den Zustand der Brücken über deren gesamte Nutzungsdauer hinweg erfassen. Die favorisierten faseroptischen Sensoren werden dabei direkt in die Spannglieder integriert und ermöglichen eine ortsaufgelöste Dehnungsmessung entlang dieser.
Unsere Partner in Leipzig und Bonn wählten gemeinsam geeignete faseroptische Sensoren aus und optimierten deren Eigenschaften für das geplante Einsatzgebiet. In Spannbetonbrücken kommen bei Vorspannung mit nachträglichem Verbund fast ausschließlich Spannglieder bestehend aus siebendrähtigen Litzen zum Einsatz. Bei diesen werden sechs Außendrähte um einem geraden Kerndraht verlitzt. Die Applikation der Sensoren an den Spanndrähten erfolgte auf verschiedene Arten: Die Sensoren verliefen außen zwischen zwei Außendrähten der Struktur der Litze folgend, außen parallel zur Litzenachse oder in einem Zwickel zwischen den Drähten. Für Vergleichsmessungen wurden außerdem Sensoren in eine Mulde, die in den Kerndraht eingebracht war, eingeklebt. Bei allen Applikationsverfahren konnte guter Haftschluss zwischen Spannstahl und Faser erzielt werden. Die im Zugversuch an Einzellitzen erzielten Messergebnisse waren gleichwertig mit den Ergebnissen von ebenfalls angebrachten Wegaufnehmern. Lediglich im Bereich der Keilverankerung kam es zu einer lokalen Beeinflussung der Messergebnisse durch den erhöhten Querdruck.
Parallel werden an unserem Institut Spannbetonbalken für großmaßstäbliche Laborversuche konzipiert. In das Versuchskonzept werden die Erkenntnisse der kleinteiligen Versuche genauso integriert wie die Anforderungen aus der Brückenüberwachung. So sollen der reguläre Gebrauchszustand, mögliche Schädigungsszenarien und Versagenszustände im Labor simuliert werden. Die Auswirkungen dieser Zustände auf die Dehnungen im smart tendon sollen charakterisiert und automatisiert erkannt werden. Werden die so charakterisierten Dehnungsverläufe zukünftig beim Brückenmonitoring identifiziert, so sind sichere Rückschlüsse auf den Zustand der Brücke möglich.
Bericht aus dem Jahrbuch 2021
Brücken lebenslang überwachen
In Spannglieder integrierte Sensoren für das Bauwerksmonitoring
Das BMVI verfügt über zahlreiche Daten im Bereich Verkehrs-, Infrastruktur-, Satelliten-, Umwelt- und Wettermessung. In der Förderrichtlinie „Modernitätsfonds“ wird die Entwicklung von innovativen Nutzungs- und Vernetzungsmöglichkeiten sowie die Identifikation zukünftiger Bedarfe sowie Verwendungsoptionen der Daten angestrebt. Zusätzliche Mittel stehen bereit, um den Strukturwandel in den Kohleregionen zu unterstützen. Im Programmmodul „Digitalisierung und datenbasierte Innovationen für Mobilität 4.0 und Daseinsvorsorge in den Braunkohlerevieren“ wurde deshalb ein Verbundforschungsvorhaben unter Koordination der HTWK Leipzig gestartet, an dem weitere Partner aus dem mitteldeutschen Kohlerevier beteiligt sind und auch Firmen aus dem Lausitzer Revier eingebunden werden sollen.
Das Ziel ist, dass Infrastrukturbauwerke lange genutzt, effizient unterhalten und dadurch Ressourcen eingespart werden können. Der Schwerpunkt liegt auf Spannbetonbrücken. Der Zustand der Brücken wird regelmäßig geprüft und bei erkannten Schäden einer Nachrechnung und ggf. einem Monitoring unterzogen. Die dabei erstellte Datenbasis ließe sich durch die langzeitige Messung von Verformungen im Brückeninneren wesentlich erweitern und präzisieren. Deshalb sollen Sensoren entwickelt werden, die direkt in die Spannglieder integriert werden und den Zustand der Brücken über deren gesamte Nutzungsdauer hinweg erfassen. Favorisiert werden faseroptische Sensoren, welche eine ortsaufgelöste Dehnungsmessung entlang der Spannglieder ermöglichen. Durch den starren Verbund zwischen Spanngliedern und Bauwerksbeton kann der aktuelle Bauwerkszustand erkannt bzw. mit der Bemessung abgeglichen werden. Somit werden evtl. auftretende Bauwerksschäden frühzeitig erkennbar und lokalisierbar. Für die robuste und dauerhafte Integration der Sensoren in die Spannglieder werden diverse technische Ansätze verfolgt. Nach der Entwicklung geeigneter Schutzsysteme für die Sensoren und von Technologien zur Integration im Spannglied erfolgen Laborversuche an einzelnen mit Dehnungssensoren ausgerüsteten Spanngliedern, sogenannten smart tendons. Später werden die smart tendons in großmaßstäblichen Laborversuchen an Spannbetonbalken und in einem realen Brückenbauwerk getestet. Begleitend erfolgt die Entwicklung von Überwachungskonzepten für Brücken, die die gewonnenen Messwerte einbeziehen.