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Organisationseinheit der BAM
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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.
Stochastische, subspace-basierte, kovarianz-gesteuerte output-only Identifikation von Schädigungen
(2008)
Im Dezember 2019 wurden bei einer turnusmäßigen Inspektion der B 1-Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel massive und schnell voranschreitende Schäden festgestellt. Als Ursache für die Risse entlang der Längsträger wurde das Versagen eines signifikanten Anteils der Spanndrähte der konzentrierten Spannglieder vermutet. Die Brücke wurde umgehend für den Verkehr gesperrt und im Mai 2021 gesprengt. Im Vorfeld der Sprengung wurden durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) weiterführende Untersuchungen zum Schadensbild veranlasst, welche vom Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg koordiniert und in den Bauablauf integriert wurden. Das von der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Dresden erstellte Versuchskonzept ist Bestandteil des vorangestellten ersten Teils des Beitrags [1]. Hier im zweiten Teil werden ausgewählte Ergebnisse der umfangreichen versuchsbegleitenden Mess- und Monitoringmaßnahmen beschrieben, welche in Kooperation der HTW Dresden, der Bilfinger Noell GmbH sowie der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführt wurden.
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.
Am Fallturm auf dem Testgelände Technische Sicherheit (TTS) der BAM wurden bei Inspektionen Vorspannungsverluste in den Bolzen der Stahlverbindungen festgestellt. Um ein Verständnis für die zugrundeliegenden Trag- und Schädigungsmechanismen zu erlangen und um den Zustand der vorgespannten Schraubverbindungen langzeitlich zu überwachen, wurde am Fallturm ein Structural Health Monitoring (SHM) System installiert. Für die Auslegung des Monitoringsystems sowie zur Unterstützung der Untersuchung des Schädigungsprozesses wurde ein numerisches Modell erstellt und in Bezug auf die gemessenen Antworten des Tragwerks kalibriert.
Im Vortrag werden die experimentellen und numerischen Untersuchungen zur Systemidentifikation des Stahlrohrgitterturms als auch die Überwachungskampagne mit dem eingesetzten Monitoringsystem sowie die Messergebnisse und deren Bewertung vorgestellt.
Subspace-based detection of fatigue damage on jacket support structures of offshore wind turbines.
(2014)
Im Rahmen der Präsentation werden die Aktivitäten des Fachbereichs 7.2 Ingenieurbau auf dem Gebiet der messtechnischen Überwachung von Bauwerken vorgestellt. Nach einer kurzen Vorstellung der BAM und deren Auftrag, der initiierten Themenfelder und der Abteilung 7 der BAM werden einige der im FB 7.2 durchgeführten Monitoringprojekte anhand von zugrundeliegenden Zielstellungen vorgestellt. Ausführlicher wird auf das Überwachungssystem der Westendbrücke sowie die geplanten Arbeiten am im Rahmen des Themenfelds Infrastruktur genehmigten Projekts BLEIB eingegangen.
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.