Entwicklung eines Messsystems zur modalbasierten Schädigungsanalyse von Brückenüberbauten
Creators: name: Kohm, Mareike
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: modalbasiert
Brückenmonitoring
Operational Modal Analysis
Messkette
Synchronisation
Structural Health Monitoring
Schadensidentifikation
Schadenslokalisierung
Abtastrate
Signallänge
CFK
Lamelle
Verstärkung

description: Brücken sind zentrale Bestandteile von Infrastrukturnetzen, die die Grundvoraussetzung für eine prosperierende Wirtschaft sind. Aufgrund der Altersstruktur und der nicht in diesem Umfang prognostizierten Zunahme des Schwerlastverkehrs besteht ein großer Modernisierungs- und Ertüchtigungsbedarf des Brückenbestandes in Deutschland. Hinsichtlich der Erhaltungsplanung ist eine fundierte Kenntnis des tatsächlichen Brückenzustandes von hohem Interesse. Gegenwärtig werden die Brückenbauwerke im Rahmen regelmäßiger visueller handnaher Prüfungen durch fachkundige Ingenieure überwacht. Dieser Überwachungsansatz ist zeit- und kostenintensiv. Außerdem werden die Qualität und das Ergebnis in hohem Maße durch den Erfahrungsschatz des Ingenieurs beeinflusst. Monitoringsysteme ermöglichen dagegen die objektive Bewertung des Brückenzustandes basierend auf Messwerten. In dieser Arbeit wird ein modalbasiertes Monitoringsystem entwickelt, welches die subjektiv beeinflusste visuelle Prüfung durch eine objektive sensorgestützte Überwachung ergänzen kann. Basierend auf den modalen Parametern Eigenfrequenzen und Eigenformen können mit Steifigkeitsänderungen einhergehende Schädigungen festgestellt und lokalisiert werden. Dies ermöglicht eine frühzeitige Schadensidentifikation und insbesondere die Lokalisierung von Schäden in unzugänglichen Bereichen einer Brücke. Die Eigenfrequenzen und Eigenformen sind globale Parameter, die eine Identifikation von Schäden ohne Vorkenntnisse von deren Existenz und Lage gestatten. Die Schätzung der modalen Parameter erfolgt im Rahmen der Operational Modal Analysis. Das modalbasierte Monitoring ermöglicht einen Übergang von einer reaktiven, zustandsabhängigen, zu einer prädiktiven Erhaltungsstrategie. Dementsprechend kann eine wirtschaftlichere, zuverlässigere und ökologischere Lebenszyklusplanung von Brückenbauwerken erreicht werden. Die Einflussfaktoren auf das modalbasierte Monitoring werden getrennt für das Schwingungsverhalten des Bauwerks und für die Messkette untersucht. Die durchgeführten numerischen Untersuchungen ermöglichen die Definition der Anforderungskriterien an das Messsystem, unter Berücksichtigung der charakteristischen Einflussgrößen der Betriebslasten aus dem Fußgänger- und Straßenverkehr sowie der Synchronisation der Sensoren. Die Sensitivität der modalen Parameter gegenüber einer zunehmenden Steifigkeitsreduzierung wird durch experimentelle Bauteilversuche untersucht. Zusätzlich werden Auswirkungen einer Verstärkung mit carbonfaserverstärkten Kunststofflamellen auf die modalen Parameter unter Laborbedingungen und an ertüchtigten Fußgängerbrücken analysiert. Die Eignung der verwendeten Beschleunigungssensoren wird durch Vergleichsmessungen mit zwei weiteren Sensorsystemen belegt. Abschließend erfolgt der Eignungstest des entwickelten Messsystems unter realen Bedingungen im Rahmen von In-situ-Messungen an zwei Fußgängerbrücken und einer Straßenverkehrsbrücke. Es kann gezeigt werden, dass Bereiche mit veränderten Steifigkeitseigenschaften trotz Streuungen der modalen Parameter durch zeitlich und räumlich veränderliche Betriebslasten und das inkonstante Temperaturfeld in Brücken zuverlässig lokalisiert werden können. Die Kombination von vier verschiedenen Schadensidentifikationsverfahren, basierend auf den Eigenfrequenzen und Eigenformen, ermöglicht die Detektion und Lokalisierung von Schäden unabhängig vom statischen System. Die Eigenformen sind im Gegensatz zu den Eigenfrequenzen nicht sensitiv gegenüber äußeren Einflussfaktoren. Für die korrekte Schätzung der Eigenformen ist eine optimal auf das Bauwerk abgestimmte Messkette unabdingbar. Grundvoraussetzungen für den Erfolg eines modalbasierten Monitorings sind eine hochpräzise Synchronisation, eine ausreichende Signallänge sowie eine sinnvolle Anzahl und Positionierung der Sensoren. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein ganzheitliches Konzept und ein kabelloses Messsystem, dessen Eignung im Rahmen der Bauteilversuche sowie In-situ-Messungen belegt werden konnte. Dieses Messsystem kann als Ergänzung zu den visuellen Brückenprüfungen verwendet werden. Es ermöglicht die objektive Zustandsbewertung von Neubauten, Bestandsbrücken sowie ertüchtigten Brückenbauwerken entweder in Langzeitmessungen oder periodischen Kurzzeitmessungen.