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Entwicklung eines Messsystems zur modalbasierten Schädigungsanalyse von Brückenüberbauten

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[Quelle: https://d-nb.info]

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.

Folgendes könnte Sie auch interessieren:

Bücher, Broschüren

Historische Eisenbahnbrücken
Schriftenreihe zur Denkmalpflege, Band 5
2019, 136 S., 5 Tab. u. 78 Abb., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Bogenbrücken aus Mauerwerk und aus Stampfbeton, insbesondere als Eisenbahnbrücken, sind orts- und landschaftsprägende Ingenieurbauwerke, die häufig auch Denkmalwert besitzen. Aufgrund der sehr robusten Bauweise entsteht an diesen Bauwerken meist erst nach Jahrzehnten ein offensichtlicher Instandsetzungsbedarf. Dann jedoch zwingen Erosion und Verwitterung häufig zu akutem Handeln. Oft stellt sich die Frage, ob eine Brücke erhalten werden kann oder ein Abriss und Neubau notwendig werden. Erfolgreiche Sanierungsbeispiele zeigen, dass mit sorgfältigen Untersuchungen und geeigneten Maßnahmen der Erhalt dieser Bauwerke sehr oft möglich und wirtschaftlich sinnvoll ist. Im Tagungsband wurden die Beiträge aus der Fachtagung "Historische Eisenbahnbrücken" des Vereins "Erhalten historischer Bauwerke e.V." zusammengetragen. Darin werden den verantwortlichen Verwaltungsfachleuten als Bauherrenvertreter, Gutachtern, Planern und ausführenden Firmen praktische Bewertungs- und Entscheidungshilfen vorgestellt und Erhaltungskonzepte diskutiert.

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Stephanie Andrea Franck
Zum Tragsicherheitsnachweis bestehender Mauerwerksgewölbebrücken mittels nichtlinearer Finite-Elemente-Simulationen
Berichte des Instituts für Massivbau der Universität Hannover, Band 12
2017, 272 S., zahlr. Abb., Diagr. u. Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Für den rechnerischen Tragsicherheitsnachweis von bestehenden Mauerwerksgewölbebrücken wird ein auf nichtlinearen Finite-Elemente-Simulationen beruhendes Konzept vorgeschlagen. Mit Hilfe dieses Konzeptes lassen sich das Versagen derartiger Bauwerke wirklichkeitsnah nachbilden, Tragreserven erschließen und mögliche Ursachen für vorhandene Schäden ermitteln. Wesentliche Merkmale des Konzeptes sind erstens die möglichst genaue geometrische Modellierung der Mauerwerksgewölbebrücke einschließlich der Stirnmauern, der Füllung und weiterer Bauteile, vorzugsweise in 3D, zweitens die Einbeziehung des an das Bauwerk angrenzenden Bodens in das Finite-Elemente-Modell, drittens der Ansatz eines nichtlinearen Materialverhaltens sowohl für das Mauerwerk als auch für den Boden sowie viertens die Berücksichtigung von Vorschädigungen und verschiedenen Bauzuständen. Für den Tragsicherheitsnachweis werden verschiedene Versagenskriterien und ein zugehöriges Sicherheitskonzept vorgeschlagen, welches sich an gültigen Normen orientiert, aber den Besonderheiten nichtlinearer Simulationen Rechnung trägt. Um die Objektivität der Simulationsergebnisse zu überprüfen, erfolgten Vergleichsrechnungen und darauf aufbauend die Formulierung von Empfehlungen für Modellaufbau, Diskretisierung und Simulationsablauf. Weiterhin wurden in Vergleichsrechnungen verschiedene geometrische Bauwerksparameter sowie Materialeigenschaften bezüglich ihres Einflusses auf das Tragverhalten von Mauerwerksgewölbebrücken untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass jedes dieser Bauwerke eine individuelle Modellbildung sowie darauf aufbauende numerische Simulationen erfordert. Generell lässt sich die Aussagesicherheit der Simulationsergebnisse erhöhen, indem ein Vergleich mit unter normaler Verkehrsbelastung gewonnenen Messergebnissen erfolgt.

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Michael Hansen
Monitoringgestützte Risikobewertung bestehender Massivbauwerke
Berichte des Instituts für Massivbau der Universität Hannover, Band 10
2014, 313 S., zahlr. farbige Abb. und Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die Überwachung von Tragwerksteilen oder Gesamtsystemen mit entsprechender Messtechnik wird allgemein als "Monitoring" bezeichnet. Die kontinuierliche Messdatenerfassung bei Ingenieurbauten entspricht ihrem Wesen einer Dauermessung und keinem "Online-Monitoring", da die Messdatenanalyse i. d. R. zeitversetzt durchgeführt wird. Hingegen werden die Messdaten bei sicherheitsrelevanten Fragestellungen ohne Zeitversatz ausgewertet und an einen "Entscheidungsträger" geleitet. Die Ergebnisse können somit in Form einer messwertgestützten Bewertung, sog. "Ampelsystemen" kurzfristig zur Verfügung gestellt werden. Diese Form des Monitorings wird bspw. bei gefährdeten oder besonders exponierten Tragwerken oder bei Systemen, deren Versagen zu unverhältnismäßig hohen Versagensfolgen führen würde, eingesetzt. Im Bauwesen finden sich dafür ebenso einige Beispiele: nach dem Einsturz der Eissporthalle in Bad Reichenhall wurde der Ruf nach entsprechenden Überwachungssystemen bei Hallen laut, um ein Versagen frühzeitig feststellen zu können. Die Überprüfung der Lagerkräfte bei der Trogbrücke im Wasserstraßenkreuz Magdeburg stellt ebenso eine präventive Maßnahme dar, um frühzeitig eine Änderung der Lastabtragung zu erkennen. Durch katastrophale Ereignisse wie Bauwerkseinstürze und insbesondere Versagen von in hohem Maße risikobehafteten Anlagen wie z. B. Kernkraftwerken (Fukushima 2011) treten Monitoringverfahren immer weiter in den Vordergrund. Erwartungsgemäß wirken sich Monitoring oder Dauermessungen sowie auch stichprobenartige Kurzzeitmessungen positiv auf das Sicherheitsbefinden aus. In der Arbeit wird der Einfluss dieser Überwachungsarten und Inspektionen auf das Sicherheitsbedürfnis bestimmt und bewertet. Schlussendlich wird die Einbeziehung dieser Kontrollmechanismen in die gängigen Regelwerke und im Speziellen in das dabei angesetzte Sicherheitskonzept betrachtet.

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Brückenertüchtigung jetzt. Ein wichtiger Beitrag zur Sicherung der Mobilität auf Bundesfernstraßen
DBV-Heft, Band 22
2011, 31 S., 25 Abb.,

 

 

Anhand von umfangreichem Datenmaterial, u. a. zur Verkehrsentwicklung auf Bundesfernstraßen, beschreibt der Autor den Zustand der deutschen Brücken und leitet den Bedarf für die dringend notwendigen Sanierungsmaßnahmen her. Dabei wird ebenso auf Lösungsmöglichkeiten durch ein Ertüchtigungsprogramm eingegangen wie auch ein Ausblick auf die hierzu benötigten Mittel gegeben. Die Studie schließt mit einer "Vision 2025/2050" zur Sicherung der Mobilität auf Bundesfernstraßen.

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Betongelenke im Brückenbau. Bericht zum DBV-Forschungsvorhaben 279
DBV-Heft, Band 18
2010, 108 S., zahlr. Abb. u. Tab., Softcover
DBV

 

 

Die vorliegende Forschungsarbeit befasst sich mit der geschichtlichen Entwicklung und den Berechnungsmodellen von Betongelenken. Zunächst wurden die verschiedenen in der Baupraxis existierenden Gelenktypen nach ihrer Wirkungsweise klassifiziert und ihre Anwendungsbedingungen dargestellt. Ziel des Vorhabens war eine Übertragung des in Deutschland gebräuchlichen Berechnungsmodells nach Leonhardt auf die heutige Normengeneration. Damit ist die Anwendung unbewehrter Betongelenke im modernen Brückenbau auf Basis eines anerkannten Bemessungsmodells möglich. Ergänzend wurden die international verwendeten Berechnungsmodelle von unbewehrten Betongelenken nach Freyssinet analysiert. Außerdem wurden die vorhandenen Erfahrungswerte von Betongelenken im Brückenbau in Deutschland und verschiedenen Ländern in Europa recherchiert und zusammengefasst, um die zukünftige Anwendung zu erleichtern. Die Anwendung der übertragenen Berechnungsregeln wurde abschließend anhand von zwei realen Berechnungsbeispielen demonstriert.

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Forschungsberichte

Bauforschungsberichte, Kurzberichte, Dissertationen, Hinweise auf laufende und abgeschlossene Forschungsvorhaben sowie Bauforschungs-Informationen aus dem deutschsprachigen Raum können Sie sich kostenlos/kostenpflichtig als Download direkt auf den Bildschirm holen oder online auf Papier bestellen.
Weitere Informationen rund um das Thema Bauforschung finden Sie in unserem
Portal Bauforschung

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M. L. Ruiz Ripoll, A. Stolz
Verbundprojekt "Schutz kritischer Brücken und Tunnel" (SKRIBT Plus) - Teilvorhaben: Bewertung terroristischer Bedrohungen. Abschlussbericht
Bauforschung Fraunhofer EMI, Band 4
2015, 51 S., Abb., Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen des Projekts SKRIBTPlus wurden Brücken und Tunnel im Zuge von Straßen mit einem "all-hazard"-Ansatz bewertet. Aufgabe des Fraunhofer EMI war es, terroristische Bedrohungen zu bewerten. Im Rahmen der Untersuchungen konnte vom Fraunhofer EMI der Einfluss der statischen Vorlast auf die Schädigung infolge einer Explosion für Nah- und Fernfeldereignisse ausgearbeitet werden. Zudem wurde für Tunnel ein Bewertungsmodell hergeleitet, welches es erlaubt, die Auswirkungen auf die Tunnelstruktur unter Berücksichtigung der Bodenbettung zu erfassen. Diese Information stellen essentielle Eingangsparameter zur Durchführung einer weitergehenden Risikoanalyse dar.

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Konrad Zilch, Markus Hennecke
Anwendung hochfesten Betons im Brückenbau. Abschlußbericht
Bauforschung, Band T 2845
1998, 94 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Mit der Richtlinie für hochfesten Beton des Deutschen Ausschusses für Stahlbeton liegen die notwendigen technischen Regelungen für den Stahlbetonbau vor. Für den Spannbetonbau, der sein wesentliches Anwendungsgebiet im Brückenbau hat, gibt es bisher noch keine Regelwerke. Damit ergab sich die Notwendigkeit, entsprechende Regelungen zu formulieren. Es wurden daher technische Regelungen entwickelt, die sich an das Normenkonzept von DIN 4227 Teil 1 orientieren. Die Intention, das alte Konzept dieser Norm aufzugreifen, bestand darin, die Akzeptanz von Hochleistungsbeton zu fördern und den neuen Baustoff mit vertrauten Regelungen einzuführen. Zur Erweiterung von DIN 4227 Teil 1 auf den hochfesten Beton wurden alle Regelungen auf die Übertragbarkeit auf den hochfesten Beton untersucht. Die Fortschreibung von Grenzwerten für Betonspannungswerte orientierte sich an dem Anstieg der jeweiligen Materialfestigkeiten. Um das vorhandene Sicherheitsniveau beizubehalten, wurden die zulässigen Spannungen für die genormten Festigkeitsklassen in Bezug auf ihre Korrelation mit den entsprechenden Festigkeitswerten untersucht. Anhand der dabei gefundenen Zusammenhänge wurden die Werte extrapoliert. Auch wenn DIN 1045-1 auf moderneren Bemessungskonzepten beruht, so bietet das vorliegende Ergebnis die Möglichkeit, Vergleichsrechnungen zwischen DIN 1045-1 und DIN 1045 bzw. DIN 4227 Teil 1 zu führen.

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Dieter Sengler, Gerhard Werner
Dokumentation und Ermittlung realitaetsbezogener und bauart-spezifischer Unterhaltskosten von Holzbruecken. Schlussbericht
1986, 120 S.,
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Zusammenfassender Bericht der mehrteiligen Forschungsarbeit. 1. Auswahl der untersuchten Brueckenbauwerke; Ergebnisse der Untersuchung; 2. Brueckenverzeichnis 3. Rechnerische Auswertung und Beurteilung der Ergebnisse durch die FMPA-Baden-Wuerttemberg, Otto Graf Institut. 4. Dokumentationsblaetter und Fotonachweis der untersuchten Holzbruecken. (fb)

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G. Neroth
Spaetschaeden an Spannbetonbauteilen - Prophylaxe, Frueherkennung, Behebung. Schlussbericht zu 2.1.4: Chloridbestimmungsmethoden. Vorschlaege fuer die praktische Anwendung
1983, 13 S., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Es werden Vorschlaege unterbreitet, wie der Chloridgehalt von Cl(-)-beaufschlagten Betonbauteilen, insbesondere Strassenbruecken, bestimmt werden sollte. Neben der Festlegung der Entnahmestellen und der Wahl eines geeigneten Probenahmeverfahrens werden die quantitative Analyse mit der potentiometrischen Titration sowie Schnellverfahren zur Cl(-)-Bestimmung behandelt. Abschliessend wird ueber die zur Zeit gueltigen Beurteilungskriterien und zusaetzlich zur Chloridanalyse durchzufuehrende Untersuchungen berichtet. (-z-)

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T. Seeger, B. Melber
Schallgedaempfte Stahlkonstruktionen im Brueckenbau
1980, 43 S., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Ziel der Untersuchungen an den Eisenbahnbruecken ueber die Ilmenau in Bienenbuettel und der dazugehoerigen Laboruntersuchungen ist es, durch schalldaempfende Verbundsysteme und durch Entwicklung laermarmer Ausgangskonstruktionen die Eisenbahnbruecke aus Stahl so leise wie die freie Strecke zu machen. Am Neuprojekt der Bienenbuetteler Bruecke werden zum einen die Erfahrungen bei der Integration von Beschichtungsmassnahmen in den Fertigungsablauf beim Brueckenbau gewonnen, zum anderen Aussagen zum akustischen Verhalten einer geaenderten Brueckenkonstruktion gemacht. (to)

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Sprinke, Peter; Giesing, Laura; Lambracht, Christian
Muss denn immer alles neu sein? Teilerneuerung der Brücke Viersener Straße in Mönchengladbach
Bautechnik, 2022

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Jacob-Freitag, Susanne
Trogbrücke mit Versprung. Z-Form, die verbindet
Deutsches Ingenieurblatt, 2022

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Endres, Sonja
Brücken am Anschlag. Deutschlands Autobahnbrücken sind in einem schlechten Zustand. Das Fraunhofer IZFP entwickelt Sensorik für permanentes Monitoring (kostenlos)
Fraunhofer. Das Magazin, 2022

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Koch, Johannes; Simon, Antje; Arndt, Ralf W.; Jahreis, Markus G.
Diskussion zum Erfordernis der jährlichen Hauptprüfung geschützter Holzbrücken
Bautechnik, 2022

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Proske, Dirk
Überführbarkeit der Eingangsgrößen von Lebenszykluskostenanalysen bei Massivbrücken
Beton- und Stahlbetonbau, 2022

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Highlights aus dem Programm