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Robust deformation monitoring of bridge structures using MEMS accelerometers and image-assisted total stations

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[Quelle: https://dgk.badw.de]

Heute hat die kurz- und langfristige Überwachung des baulichen Zustands (Structural Health Monitoring, SHM) von Brückenkonstruktionen erhebliche Aufmerksamkeit erhalten. Eine permanente, kosteneffiziente und zuverlässige Überwachung ist jedoch nach wie vor eine große Herausforderung. Aus der Sicht eines Vermessungs- oder Bauingenieurs wird das schwingungsbasierte SHM häufig durchgeführt, indem die Veränderungen in den dynamischen Reaktionen von Brückenkonstruktionen untersucht werden, die als modale Parameter, wie Eigenfrequenzen, Eigenformen und modale Dämpfung, bekannt sind. Der Einsatz von kostengünstigen MEMS-Beschleunigungsmessern (Micro-Electro-Mechanical- Systems) mit hoher Abtastfrequenz wird für die oben genannte Überwachungsaufgabe immer realistischer und machbar. In dieser Arbeit wird ein dreistufiges Szenario vorgeschlagen, um unter Berücksichtigung des Anschaffungspreises, des Messbereichs und der Abtastfrequenz einen geeigneten MEMS-Beschleunigungsmesser auszuwählen. Erstens wird ein robustes Kalibrierverfahren vorgeschlagen und implementiert, um MEMS-bezogene systematische Fehler wie Offsets, Skalierungsfaktoren und Nichtorthogonalitätswinkel zwischen den Achsen zu modellieren. Zweitens wird ein kontrolliertes Anregungsexperiment unter Verwendung eines hochpräzisen Schwingerregers durchgeführt. Drittens wird ein statisches Testexperiment über einen langen Zeitraum durchgeführt. Eine robuste, genaue und automatische Schätzung der oben genannten modalen Parameter ist besonders dann eine Herausforderung, wenn Schwingungsmessungen mit einem hohen farbigen Messrauschen, z.B. aufgrund der kostengünstigen MEMS-Beschleunigungsdaten, überlagert sind. Dies ist noch schwieriger, wenn die Struktur unter ständiger Einwirkung von Kräften durch sich bewegende Fahrzeuge oder Wind steht. Zu diesem Zweck wird ein robustes und automatisches Schwingungsanalyseverfahren vorgeschlagen und implementiert, d.h. ein so genannter robuster Ansatz zur Identifizierung modaler Parameter im Zeitbereich (RT-MPI). Es ist ein neuartiger Ansatz im Sinne der automatischen Auswahl des Anregungsfensters (Umgebungsfenster), der automatischen und zuverlässigen Identifizierung der Näherungswerte für die Eigenfrequenzen, selbst wenn diese nahe beieinander liegen, sowie der robusten und genauen Schätzung der modalen Parameter. Zur Schätzung von Frequenzen, Dämpfungsverhältniskoeffizienten, Amplituden und Phasenverschiebungen wird ein Beobachtungsmodell verwendet, das aus einem Modell der gedämpften harmonischen Schwingungen (DHO), einem autoregressiven Modell des farbigen Messrauschens und einem stochastischen Modell in Form der skalierter t-Verteilungen mit unbekanntem Freiheitsgrad und Skalierungsfaktor besteht. Die drei vorgenannten parametrischen Modelle werden gemeinsam mit einem verallgemeinerten Erwartungsmaximierungsalgorithmus (GEM) angepasst. Der vorgeschlagene RT-MPI-Algorithmus ist in der Lage, Amplituden in metrischer Einheit und mit hoher Genauigkeit für die aufgezeichneten Beschleunigungsdaten durch Doppelintegration des DHO-Modells zu schätzen. Die Eigenformen werden in einem nachfolgenden Schritt und unter Verwendung der geschätzten Parameter aus dem GEM-Algorithmus charakterisiert. Darüber hinaus ermöglicht die Angabe der Amplituden in metrischer Einheit die Charakterisierung der Eigenformen in ihren wahren Maßstäben für ein ausgewähltes Anregungsfenster innerhalb eines kurzen Zeitintervalls. Die Überwachung der Verformung/Verschiebung durch die bloße Verwendung des MEMSBeschleunigungssensors ist eine Herausforderung, da die Genauigkeit mit der Zeit für absolute Positions-/Verschiebungsschätzungen abnimmt. Daher werden die MEMS-Beschleunigungsmesser und eine bildgestützte Totalstation (IATS) durch ein eindimensionales (1D) Koordinaten-Update innerhalb des Kalman-Filters verschmolzen. Um 1D-Verschiebungsdaten aus dem IATS zu generieren, werden Videobilder eines passiven Ziels, das an einer Brückenstruktur befestigt ist, mit Hilfe der Teleskopkamera des IATS erfasst. Es wird ein Algorithmus zur Erkennung des passiven Zielschwerpunkts vorgeschlagen und implementiert, der robust und zuverlässig in Bezug auf schlechte Umgebungsbedingungen, wie z.B. schwache Beleuchtung, staubige Situationen und schiefwinklige Ziele, ist. Als nächstes wird ein Winkelumrechnungsfaktor der Teleskopkamera kalibriert, der es erlaubt, die erzeugten Verschiebungsdaten von Pixel in metrische Einheiten umzurechnen. Die Experimente werden in vier Fallstudien durchgeführt, darunter Simulation, kontrollierte Anregung sowie zwei reale Anwendungen mit einer Fußgängerbrücke und einer synthetischen Brücke. Die geschätzten modalen Parameter werden mit ihren wahren Werten sowie mit den entsprechenden Schätzungen, die von Referenzsensoren wie Referenzbeschleunigungsmesser, Geophon, und Lasertracker erhalten wurden, verglichen und validiert. Zusätzlich werden die geschätzten Eigenfrequenzen und die Dämpfungskoeffizienten mit einem bekannten kovarianzgetriebenen stochastischen Subraumidentifikationsansatz (SSI-COV) verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die MEMS-Beschleunigungsaufnehmer geeignet sind, alle auftretenden Eigenfrequenzen der Brückenstrukturen zu identifizieren. Darüber hinaus zeigt das Schwingungsanalyseverfahren, dass die Amplituden mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich, die Frequenzen mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 Hz und die Dämpfungskoeffizienten mit einer Genauigkeit von besser als 0,1 und 0,2% für die Modal- bzw. Systemdämpfung geschätzt werden können. Die Analyse zeigt die Überlegenheit des vorgeschlagenen RT-MPI-Algorithmus gegenüber dem SSICOV- Algorithmus. Schließlich wird durch die Fusion der IATS- und der MEMS-Messungen eine hochgenaue Verschiebungszeitreihe im Submillimeterbereich erzeugt.

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Bücher, Broschüren

Eric Kirpal
Verfahren zur Beurteilung der Schadensumfangs- und Zustandsentwicklung vorgespannter Brückenbauwerke
Karlsruher Reihe Massivbau, Baustofftechnologie, Materialprüfung, Band 88
2021, 268 S., graph. Darst. 240 mm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Die Bereitstellung einer sicheren und zuverlässigen Infrastruktur beruht auf dem bestmöglichen Erhalt der bestehenden Verkehrswege und derer Bauwerke. Um dem Abfall der Bausubstanz infolge des fortgeschrittenen Alters des Brückenbestandes sowie der stetig zunehmenden Beanspruchung durch Straßengüterverkehr entgegenwirken zu können, ist eine regelmäßige Prüfung der Bauwerke zur Feststellung deren Zustandes erforderlich. Die permanente Beaufschlagung mit Feuchtigkeit und Chloriden sowie die hohe verkehrliche Auslastung füh-ren zu einer intensiven korrosiven und ermüdungswirksamen Beanspruchung der Spannbe-wehrung, welche infolge der langen Nutzungsdauern von Brücken beträchtliche Auswirkun-gen auf die Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit haben kann. Die Kenntnis über stattfin-dende Schädigungsprozesse und deren Einfluss auf die Entwicklung des Systemverhaltens ist daher von maßgebender Bedeutung für den Erhalt des Bestandes. Modelle zur Beschrei-bung von Schädigungsvorgängen berücksichtigen eine Vielzahl an Einflussparametern, Abhängigkeiten sowie Streuungen und erlauben, den Schädigungsfortschritt gemäß der für Bau-werke vorliegenden Expositionsbedingungen individuell zu ermitteln. Mittels aus Schädi-gungsmodellen abgeleiteten korrosionsbedingten Abtragsraten und ermüdungsbedingten Materialdegradationen sowie computergestützter Nachrechnungen können die Auswirkun-gen von Korrosion und Ermüdung auf Tragwerke bestimmt und Restnutzungsdauern durch Gegenüberstellung simulierter Systemantworten mit normativ festgelegten Grenzzuständen prognostiziert werden. Eine zunehmend genauere Berücksichtigung von Schädigungsauswir-kungen erfordert jedoch auch eine stetige Verbesserung und Erweiterung etablierter Simula-tions- und Bemessungsverfahren. Zur Ableitung schädigungsbedingter Auswirkungen auf das Tragverhalten wird ein numeri-sches Modell eines vorgespannten Trägers erstellt, mittels welchem typische Beanspru-chungszustände abgebildet und Veränderungen der Systemantwort unter zeitabhängigen Schädigungsvorgängen unters

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Ingenieurbaukunst 2022
Ingenieurbaukunst - Made in Germany
Made in Germany
2021, 196 S., 130 Farbabb. 300 mm, Softcover
Ernst & Sohn

 

 

Die neue Ausgabe des Jahrbuchs "Ingenieurbaukunst" präsentiert wieder eine Auswahl der wichtigsten aktuellen Bauwerke "Made in Germany" und diskutiert die Zukunft des Planens und Bauens. Herausgegeben von der Bundesingenieurkammer werden damit die Leistungen des deutschen Bauingenieurwesens dokumentiert. Aktuelle Bauwerke und Diskussionsthemen werden von einem unabhängigen Beirat ausgewählt. Die beteiligten IngenieurInnen beschreiben die bautechnischen Herausforderungen und erläutern die konkreten Lösungen bei Planung und Ausführung. Das Jahrbuch Ingenieurbaukunst 2022 ist damit einerseits wieder eine Schaubühne der Spitzenleistungen des Bauingenieurwesens und andererseits ein Forum für aktuelle Debatten rund um das Planen und Bauen, diesmal insbesondere zu Kreislaufwirtschaft und Bestandsbau, aber auch klimaangepasstes Bauen oder künstliche Intelligenz.

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Johann Clopath, Jürg Conzett, Andreas Kessler, Peter Gysi, Martin Krause
Der Gerüstbauer Richard Coray (1869-1946)
Gerüste für Brücken und Viadukte
2021, 448 S., ca. 30 farbige und 500 s/w-Abbildungen. 27 x 30 cm, Hardcover
Scheidegger & Spiess

 

 

Die Brücken der Rhätischen Bahn über die Bäche und Flüsse Graubündens sind weltberühmt. Die waghalsigen Konstruktionen beispielsweise der Viadukte von Solis, Wiesen und Langwies sind Reiseziele für Eisenbahnfreunde und Bauingenieurinnen aus zahlreichen Ländern. Die zu ihrem Bau erforderlichen Lehrgerüste hat der aus dem bündnerischen Trin stammende Zimmermann, Techniker und Brückenexperte Richard Coray (1869-1946) entworfen, dessen Name bereits vor hundert Jahren in Fachkreisen weltweit ein Begriff war. Das Buch ist nun die längst überfällige große Hommage an diesen Großmeister des Ingenieurbaus, die sein Schaffen auch einem breiteren Publikum nahebringen will. Biografische Kapitel zeichnen den Lebensweg Corays vom Bauernsohn zum Gerüstbauer von Weltruf nach. Vor allem aber dokumentiert der Band in Hunderten von historischen Fotografien, Plänen und Dokumenten den Bau, die konstruktiven Grundtechniken und die oft abenteuerlichen Umstände, unter denen Corays Lehrgerüste und Seilriesen als - naturgemäß ephemere - Meisterwerke des Brückenbaus entstanden sind. Neben den Gerüstbauten für die Rhätische Bahn zählen dazu insbesondere auch das Gerüst für die legendäre Salginatobelbrücke (1929) im Prättigau, aber auch zahlreiche weitere in der Schweiz, in Montenegro und Kleinasien. Eine Galerie mit Bildern von akribisch nachgebauten Modellen von Corays atemberaubenden Gerüsten führt deren ungebrochen anhaltende Faszination vor Augen.

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Markus Nöldgen
BIM im Brücken- und Ingenieurbau
Springer-Lehrbuch
Digitale Bauwerksmodelle mit NX, 3D-Konstruktion, Datenintegration, Datenaustausch und FE-Simulation
2., Aufl.
2021, viii, 178 S., VIII, 178 S. 227 Abb., 212 Abb. in Farbe. 240 mm, Softcover
Springer

 

 

Das Lehrbuch richtet sich an Studierende sowie Konstruktions- und Berechnungsingenieure in der Praxis des konstruktiven Ingenieurbaus, die sich bereits heute oder in der nahen Zukunft mit der 3D-Konstruktion, Datenintegration und Simulation im Zuge des Building Information Modeling (BIM) befassen. Anhand von ausgewählten praxisnahen Beispielen wird die grundlegend neue Methodik der 3D-Modellierung im Brücken- und Ingenieurbau Schritt für Schritt aufgezeigt und durch e-learning features (Videos, Dateien) ergänzt. Mithilfe eines übergreifenden Projektbeispiels wird der Zusammenhang der Anwendung des BIM für ein Brückenbauwerk vorgestellt und die theoretischen Hintergründe kurz erläutert. Schließlich werden sowohl die Planableitung aus dem Modell, die Integration von Daten und Messungen, die Bauablaufsimulation sowie ein Ansatz für die integrierte FE-Simulation direkt aus dem Konstruktionsmodell (Design-Embedded-Simulation) aufgezeigt. In der zweiten Auflage wurden sämtliche Beispiele mit der neuesten Software-Generation überarbeitet. Ein neues Kapitel widmet sich dem Datenaustausch über neutrale Industry Foundation Classes (IFC), der in der Praxis zunehmend an Bedeutung gewinnt.

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6. Kleiner Brückenführer Schweiz
2021, viii, 170 S., VIII, 170 S. 109 Abb., 88 Abb. in Farbe. 240 mm, Softcover
Springer

 

 

Die Schweiz gilt nicht umsonst als ein innovatives Zentrum des weltweiten Brückenbaus. Verschiedene Schweizer Brückenbauer, wie Christan Menn oder Robert Maillart sind weit über die Grenzen der Schweiz bekannt. Der kleine Brückenführer Schweiz stellt knapp 20 interessante Brückenkonstruktionen in der Schweiz vor. Dabei handelt es sich nicht ausschließlich um sehr berühmte Bauwerke, aber alle vorgestellten Brückenbauwerke sind auf ihre Art einzigartig und interessant. Der Brückenführer gibt damit einen schönen Überblick über Vielfalt der Brückenkonstruktionen in der Schweiz.

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Forschungsberichte

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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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Taraben, Jakob; Helmrich, Marcel; Morgenthal, Guido
Datenmodelle für digitale Zwillinge von Brücken und bildbasierte Zustandsaufnahmen
Bautechnik, 2022

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

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Pitters, Sarah; Wenner, Marc; Marx, Steffen; Diehl, Heiko; Liu, Jia
Neubewertung der Gleis-Tragwerks-Interaktion einer Bestandsbrücke. Bewertung der Bestandssituation auf der Fuldatalbrücke Kragenhof. Teil 1
EI Der Eisenbahningenieur, 2022

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Schnellenbach-Held, Martina; Steiner, Daniel
KI-Methoden zur Integration tragwerksplanerischen Wissens in frühe Phasen des Gebäudeentwurfsprozesses
Bautechnik, 2022

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Highlights aus dem Programm 2022