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Organisationseinheit der BAM
Paper des Monats
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Numerical models built as virtual-twins of a real structure (digital-twins) are considered the future ofmonitoring systems. Their setup requires the estimation of unknown parameters, which are not directly measurable. Stochastic model identification is then essential, which can be computationally costly and even unfeasible when it comes to real applications. Efficient surrogate models, such as reduced-order method, can be used to overcome this limitation and provide real time model identification. Since their numerical accuracy influences the identification process, the optimal surrogate not only has to be computationally efficient, but also accurate with respect to the identified parameters. This work aims at automatically controlling the Proper Generalized Decomposition (PGD) surrogate’s numerical accuracy for parameter identification. For this purpose, a sequence of Bayesian model identification problems, in which the surrogate’s accuracy is iteratively increased, is solved with a variational Bayesian inference procedure. The effect of the numerical accuracy on the resulting posteriors probability density functions is analyzed through two metrics, the Bayes Factor (BF) and a criterion based on the Kullback-Leibler (KL) divergence. The approach is demonstrated by a simple test example and by two structural problems. The latter aims to identify spatially distributed damage, modeled with a PGD surrogate extended for log-normal random fields, in two different structures: a truss with synthetic data and a small, reinforced bridge with real measurement data. For all examples, the evolution of the KL-based and BF criteria for increased accuracy is shown and their convergence indicates when model refinement no longer affects the identification results.
Die Brücken im Netz der Bundesverkehrswege sind überwiegend in einem ausreichenden bis guten Zustand. Allerdings steigt der Unterhalts- und Sanierungsaufwand aufgrund des inzwischen hohen Alters vieler Brücken sowie des ständig wachsenden Schwerlastverkehrs. Techniken zur Einschätzung der verbleibenden Lebensdauer von Brücken sowie zur dauerhaften Beobachtung des Tragverhaltens bzw. des Erfolges von Sanierungsmaßnahmen werden daher für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb dringend benötigt. Zur Evaluierung dafür geeigneter holistischer Ansätze wurde in der BAM das Projekt BLEIB - Bewertung, Lebensdauerprognose und Instandsetzung von Brückenbauwerken - ins Leben gerufen.
Ein zentrales Ergebnis des Projektes ist eine extern vorgespannte Stahlbetonbrücke als Zweifeldträger mit einer Gesamtlänge von 24 m, die für den Test verschiedenster Sensorsysteme, zur Validierung numerischer Modelle und zur Erprobung von Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen entwickelt wurde. Für die Simulation unterschiedlicher Schädigungsgrade kann die Vorspannung der Brücke variiert werden. Die Brücke wird mit beweglichen Gewichten belastet und über einen Shaker zum Schwingen angeregt.
Das Brückenmodell wurde bewusst geschädigt, indem die Vorspannung der Struktur erstmalig schrittweise bis auf null reduziert wurde. Unter der Eigenlast verformte sich die Brücke, wodurch eine Rissbildung im Beton einsetzte. Die Zugspannung, die zuvor durch die Vorspannung aufgenommen wurde, übernahm Schritt für Schritt der Beton. Als die Zugspannungen die relativ geringe Zugfestigkeit des Betons überstiegen, begann dieser zu reißen und die schlaffe Bewehrung der Struktur nahm die Spannungen auf. Dieser Versuch wurde unter anderem von Schallemissionsmessungen begleitet. Der Rissbildungsprozess konnte damit, bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Vorspannung, früh detektiert und die Risse geortet werden. Die Ergebnisse korrelieren gut mit den Ergebnissen der stereophotogrammetrischen Verformungsmessungen der Struktur.
Using digital twins for decision making is a very promising concept which combines simulation models with corresponding experimental sensor data in order to support maintenance decisions or to investigate the reliability. The quality of the prognosis strongly depends on both the data quality and the quality of the digital twin. The latter comprises both the modeling assumptions as well as the correct parameters of these models. This article discusses the challenges when applying this concept to realmeasurement data for a demonstrator bridge in the lab, including the data management, the iterative development of the simulation model as well as the identification/updating procedure using Bayesian inference with a potentially large number of parameters. The investigated scenarios include both the iterative identification of the structural model parameters as well as scenarios related to a damage identification. In addition, the article aims at providing all models and data in a reproducibleway such that other researcher can use this setup to validate their methodologies.