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Organisationseinheit der BAM
Die dauerhafte messtechnische Überwachung von Brückenbauwerken ist nach wie vor eine neuartige Verfahrensweise zur Bestimmung des Ist-Zustandes von Tragwerken. Der Fachbereich 7.2 Ingenieurbau der BAM befasst sich seit mittlerweise mehr als 25 Jahren mit der Entwicklung von Methoden und Verfahren dieser Form der Bauwerksüberwachung. Die damit verbundene Tätigkeit umfasst die Beschreibung theoretischer Grundlagen, die Entwicklung von Algorithmen zur Erfassung, Bearbeitung und Auswertung von Messsignalen, die Bewertung der Ergebnisse bezüglich Tragsicherheit, Gebrauchstauglichkeit und Restnutzungsdauer und nicht zuletzt die Untersuchung und Verifizierung der praktischen Anwendbarkeit.
Dabei standen insbesondere die sogenannten dynamischen Verfahren im Blickpunkt der Aktivitäten. Ursprünglich zur Überwachung von rotierenden Maschinenkomponenten entwickelt und dann auch erfolgreich zur Überwachung von Bauteilen der Flugzeug-, Raumfahrt- und Automobilindustrie weiterentwickelt, weckten diese Verfahren weltweit das Interesse der sich mit der Sicherheit bestehender Baukonstruktionen befassenden Wissenschaftler und Ingenieure.
Ein beachtenswertes Projekt der BAM in diesem Zusammenhang ist die Dauerüberwachung der Westendbrücke in Berlin, das Mitte der 90er Jahre von der damaligen Senatsverwaltung für Stadtentwicklung von Berlin (ehemals Bauen, Wohnen und Verkehr) in Auftrag gegeben und über viele Jahre gefördert wurde. Im Rahmen dieses Aufsatzes werden am Beispiel dieses Projektes, das sich wie ein roter Faden durch die Entwicklungsgeschichte des Monitorings an der BAM zieht, die Motivationen und Zielstellungen dargelegt, das Überwachungssystem vorgestellt und die gemachten Erfahrungen anhand einiger Ergebnisse erläutert. In einem weiteren Kapitel wird ein Ausblick auf die Zukunft des Monitorings mit angepassten Zielvorstellungen, neuen Methodiken und Strategien geworfen.
Nach den bisherigen Regeln werden Bauwerksprüfungen von Brücken in starr definierten Intervallen durchgeführt. Diese starre, periodische, zustandsbasierte Instandhaltungsstrategie soll zukünftig durch eine flexible und prädiktive Instandhaltung ersetzt werden. Hierbei sollen Inspektionen und Instandhaltungsmaßnahmen unterstützt durch autonome Systeme auf der Grundlage von Monitoringdaten geplant und zusätzlich bei unvorhergesehenen Ereignissen ausgelöst werden. Im Rahmen des Verbundforschungsvorhabens AISTEC wird ein Vorgehen für Großbauwerke und kleinere Regelbauwerke zur Umsetzung eines kombinierten globalen, schwingungsbasierten und quasistatischen Monitorings entworfen. An der Maintalbrücke Gemünden – einer semiintegralen Rahmenbrücke aus Spannbeton auf der Schnellfahrstrecke Hannover–Würzburg – wurde als Demonstrator ein Dauermonitoring realisiert.
Support structures of wind turbines in German offshore wind farms are regularly inspected. Currently, inspection outcomes are generally not systematically recorded. This prevents their consistent handling and processing, which is a key requirement to enable an efficient structural integrity management. As part of the DiMoWind-Inspect project, a data model and reference designation system for such inspection results is developed to facilitate their identification, localization, quantification, tracing and linking throughout the lifetime of a wind farm and beyond. The inspection results together with structural health monitoring results and information on repairs form the basis for assessing and predicting the structural condition, estimating the remaining lifetime, and planning of future inspections, structural health monitoring, and repairs. As a basis for developing a digital structural integrity management, a generic framework is proposed in this paper, which describes the stakeholders, data, models, processes and workflows of the integrity management of support structures in offshore wind farms and their interrelations. The framework adopts a building information modelling approach to describe the information relevant to the structural integrity management. The central digital space of the framework is a common data environment. An implementation of the framework will enable a digital structural integrity management in which inspection, structural health monitoring, repair, assessment and planning outcomes generated throughout the life cycle of a wind farm can be consistently collected, managed, shared and processed by the relevant shareholders.
Falltürme sind Bauwerke, die als Versuchsanlagen sehr speziellen, impulsartigen Belastungen ausgesetzt sind. Am Fallturm auf dem Testgelände Technische Sicherheit (TTS) der BAM wurde bei Routineinspektionen eine Abnahme der strukturellen Integrität in Form von Vorspannungsverlusten in den Bolzen der Stahlverbindungen festgestellt. Um ein Verständnis für die zugrundeliegenden Trag- und Schädigungsmechanismen zu erlangen, wurde ein umfassendes Structural Health Monitoring (SHM) System geplant und am Bauwerk installiert unter Nutzung von digitalen Bauwerksmodellen. Für die Auslegung des Überwachungssystems, insbesondere aber zur Unterstützung der Untersuchung des Schädigungsprozesses, wurden Finite-Elemente-Modelle erstellt. Um sicherzustellen, dass die FE-Modelle das reale Tragwerksverhalten mit ausreichender Genauigkeit abbilden, mussten sie jedoch in Bezug auf die gemessenen Antworten des Tragwerks kalibriert werden. Der vorliegende Beitrag beschreibt experimentelle und numerische Untersuchungen zur Identifizierung des strukturellen Systems des Stahlrohrgitterturms in Vorbereitung einer Überwachungskampagne. Die Auswertung von gemessenen Schwingungen unter ambienter Anregung ermöglichte die Identifizierung der Eigenfrequenzen mehrerer globaler Schwingungsmoden des Fallturms. Zur Modellvalidierung wurde zunächst eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um die Parameter mit dem größten Einfluss zu ermitteln. Anschließend wurde ein evolutionärer Algorithmus (EA) zur Optimierung nach dem Prinzip der Minimierung der Differenzen zwischen gemessenen und simulierten charakteristischen Antworten eingesetzt. Das aktualisierte Modell wurde schließlich an der dynamischen Reaktion der Turmstruktur infolge einer realen Falltest-induzierten Stoßbelastung validiert. Die Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen.
Mit dem generellen Ziel, die Anwendbarkeit und Funktionalität des Verfahrens der stochastischen subspace-basierten Schadensdetektion für Strukturen von Offshore-Windenergieanlagen nachzuweisen, wurden experimentelle und numerische Untersuchungen an einer Laborstruktur sowie anschließend numerische Untersuchungen an einer OWEA-Gründungsstruktur durchgeführt.
Das zugrundeliegende Verfahren verwendet einen Ansatz, in weder modale Kenngrößen noch andere benutzerdefinierte Eingaben erfordert, nachdem einmalig der Referenzzustand aufgenommen wurde. Dabei werden ausschließlich dem Belastungsprozess inhärente stochastische Anregungen der betrachteten Struktur genutzt.
Auf der Basis experimentell erzielter Detektionsergebnisse aus einem Ermüdungsversuch an einer Laborstruktur aus Stahl wurden numerische Modelle und Berechnungsalgorithmen entwickelt und getestet. In einem zweiten Schritt wird diese Analysemethodik auf eine fiktive OWEA-Jacketstruktur realer Größe angewendet. An den simulierten Strukturantworten im Ungeschädigten und geschädigten Zustand wird der Detektionsalgorithmus angewendet, um den Einfluss von Sensorposition und Abtastrate auf die Schadensdetektion festzustellen. Unter Berücksichtigung einzelner vereinfachender Annahmen zeigten die Ergebnisse der Anwendung der vorgestellten Detektionsmethodik an den numerisch erzeugte Antwortdatensätzen eine beachtliche Empfindlichkeit des x2-Testwert basierten Schadensindikators. Obwohl nicht unter allen Umständen in einem frühen Stadium nachweisbar, typische Ermüdungsrisse in Schweißverbindungen von aufgelösten Tragwerken haben ab einer Restbiegesteifigkeit von ca. 80% einen signifikanten und detektierbaren Einfluss auf den Schadensindikator.
Künftige Forschungsaktivitäten in diesem Bereich sollten neben der Erkennung von Schäden auch die Lokalisierung und ggf. auch die Quantifizierung zum Ziel haben. Erforderlich dazu ist die Berücksichtigung und Verarbeitung der strukturellen Parameter und ihrer Sensitivitäten im zugrunde liegenden mathematischen Modell.
Anhand verschiedener Bespiele wird diskutiert, wie Temperaturbeanspruchungen in einer Bauwerksüberwachung sichtbar werden und wie sie zu bewerten sind. Insbesondere der Einfluss auf die Zustandsbewertung im Sinne der Standsicherheit stellt häufig eine große Schwierigkeit dar. Behelfsweise besteht eine grundlegende Möglichkeit darin, ein Tragwerk immer zu seiner schwächsten Phase, d.h. in der Regel im Sommer zu beurteilen. Wie aufgezeigt, können zudem statistische Verfahren geeignet sein, Tragfähigkeitsänderungen zu detektieren.
Als wesentliche Zukunftsaufgaben werden verbesserte Detektionsalgorithmen und physikalisch begründete Modelle zum mechanischen Verhalten angesehen.
Die Akzeptanz schwingungsbasierter Verfahren zur Detektion und Lokalisierung von Schäden in der praktischen Anwendung ist alleinig von der Fähigkeit abhängig, Einflüsse aus veränderlichen Umwelt- und Betriebsbedingungen, insbesondere aber die aus der Temperatur zu eliminieren. Da die in den letzten Jahren immer wichtiger werdenden stochastischen Verfahren zur Schadensde-tektion und -lokalisierung die (statistische) Charakteristik der Messdaten bereits implizit nutzen, sind hier Entwicklung, Anpassung und Anwendung statistischer Algorithmen zur Eliminierung der variierenden Umwelteinflüsse naheliegend.
Auf der anderen Seite wird der saisonale Einfluss auf Bauwerksmessungen in sehr vielen Veröf-fentlichungen dargestellt und es werden häufig verdachtsweise begründete physikalische Zu-sammenhänge für das Verhalten aufgezeigt. Im Regelfall sind die Aussagen aber nicht experi-mentell überprüft und von eher allgemeiner Natur („Asphalt reagiert temperaturabhängig“). Ob-jektspezifische Zusammenhänge, beispielsweise über Versuch an Repräsentanten in der Klima-kammer ermittelt, könnten jedoch sehr hilfreich sein.
Schutzbauwerke von systemkritischen Infrastruktureinrichtungen wie Betonwände und Betonbarrieren müssen Anprallereignissen oder schweren Unfällen in einem vertretbaren Maße widerstehen können. Anprallereignisse können verschiedenster Natur sein. Hierzu zählen Steinschlag, Fahrzeug- oder Flugzeuganprall oder auch Geschosseinschlag. Geschosseinschläge bzw. Bei den Anprall- oder Impaktereignissen wird zwischen hartem und weichem Anprall unterschieden, bei hartem Anprall verformt sich der Anprallkörper nicht oder nur geringfügig, bei weichem Anprall stark.
In diesem Artikel werden Forschungsergebnisse zum harten Anprall auf bewehrte Stahlbetonplatten vorgestellt, welche über die letzten Jahre im Rahmen eines Kooperationsprojekts zwischen dem Institut für Massivbau (IMB) der Technischen Universität Dresden (TUD) und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführt wurden. Auf dem Gelände des Otto-Mohr-Labors (OML) der TUD steht hierfür ein speziell konzipierter Fallturm zur Verfügung. Der Aufbau im Fallturm lässt aktuell druckluftbeschleunigte Impaktversuche mit mittleren Anprallgeschwindigkeiten zu. Die durch Anprall geschädigten Stahlbetonplatten wurden anschließend bei der BAM mit Strahlung tomographisch untersucht. Diese Untersuchungen ermöglichen einen Blick auf die Schädigung und Rissstruktur im Inneren der Stahlbetonplatten.
Ein Schwerpunkt der durchgeführten Untersuchung ist der Vergleich von Testergebnissen mit den häufig angewendeten halbempirischen Berechnungsmethoden zu den erforderlichen Wandstärken und den sich daraus ergebenden zulässigen Anprallgeschwindigkeiten. Bei diesem Vorgehen wird auch die mit analytischen Methoden abschätzbare Durchdringungsgeschwindigkeit bzw. Austrittgeschwindigkeit eines Projektils ermittelt und mit den realen Testergebnissen verglichen. Außerdem wird der Einfluss von sowohl externen als auch internen Strukturparametern auf Risse betrachtet und ein Fazit abgeleitet. Weiterhin werden laufende und zukünftige wissenschaftliche Untersuchungen zum Anprall auf Betonstrukturen am IMB und der BAM genannt.
In der aktuellen Projektphase liegt der Fokus auf der Datenaufnahme, -bearbeitung und -speiche-rung mit dem Ziel, automatisierte Auswerteverfahren einsetzen zu können. Aktuell wurden primär punktuelle Messungen an ausgewählten Messtagen aufgenommen. Die Systeme sollen so weiter-entwickelt werden, dass sie sich auch für kontinuierliche Messungen im Rahmen von Monitoring-aufgaben eignen.
Ein wichtiger Fokus bei der Auswertung ist die Kombination mit numerischen Modellen, die mithilfe von Bayesian Update Verfahren und den aufgenommenen Messdaten kalibriert und im Verlauf der Monitoringaufgabe angepasst werden sollen. Insbesondere sollen auch zeitabhängige Modelle, die eine zeitliche Entwicklung von Struktureigenschaften beinhalten (Kriechen, Schwinden, Ermüdung, Korrosion) dazu verwendet werden, die zukünftige Performance der Struktur bewerten zu können. Basierend darauf werden dann Konzepte zur Planung von Inspektion und Wartung erstellt.