Entwicklung eines Messsystems zur modalbasierten Schädigungsanalyse von Brückenüberbauten

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. ... mehrDieser 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.

Bridges are key components of infrastructure networks, which are the basic prerequisite for a prospering economy. There is a great need for modernization and upgrading of the bridge stock in Germany due to the age structure and the increased cargo traffic, which was not forecasted accordingly. To schedule required maintenance thorough knowledge of the current bridge condition is of high interest. Presently, bridge structures are monitored by expert engineers by performing regular visual manual inspections. This monitoring approach is time and cost intensive. Also, the quality and outcome are highly influenced by the engineer's experience. ... mehrIn contrast, monitoring systems enable objective evaluation of bridge condition based on measurements.
This work develops a modal-based monitoring system which can complement the subjectively influenced visual inspection with an objective sensor-based monitoring. Based on the modal parameters, natural frequencies and mode shapes, damage associated with stiffness changes can be detected and localized.
This approach enables early damage identification and particularly the localization of damage in non-accessible areas of a bridge. Natural frequencies and mode shapes are global parameters that allow identification of damage without prior knowledge of its existence and location. The estimation of modal parameters is performed using the Operational Modal Analysis framework. Modal-based monitoring enables a change in strategy from a reactive condition-based to a predictive maintenance approach. Accordingly, a more economical, reliable, and ecological life cycle management of bridge structures can be achieved.
Influential factors for modal-based monitoring are investigated separately, for the vibration behavior of the structure and for the measuring chain. The performed numerical investigations allow the definition of the requirement criteria for the measuring system, considering the characteristic influencing factors of the operational loads from pedestrian and road traffic as well as from synchronization of the sensors. The sensitivity of the modal parameters to an increasing stiffness reduction is investigated via experimental component tests. Additionally, effects of a reinforcement with carbon fiber reinforced polymer laminates on the modal parameters are analyzed under laboratory conditions and on strengthened pedestrian bridges. The suitability of the utilized acceleration sensors is verified by comparative measurements against two other sensor systems. Finally, the suitability of the developed measuring system is tested under real-world conditions via in-situ measurements on two pedestrian bridges and one road bridge.
Areas with altered stiffness properties can be reliably localized, despite scattering of modal parameters due to temporally and spatially variable operating loads and the inconstant temperature field in bridges. The combination of four different damage identification methods, based on the natural frequencies and mode shapes, enables the detection and localization of damage independently of the static system. In contrast to natural frequencies, mode shapes are not sensitive to external influencing factors. For the correct estimation of the mode shapes a measuring chain that is perfectly adjusted to the structure is essential. Basic requirements for the success of modal-based monitoring are high-precision synchronization, sufficient signal length, and a reasonable number and positioning of sensors. The result of this work is a holistic concept and a wireless measuring system. Its suitability was successfully proven during component tests and in-situ measurements. This measuring system can be used as a complementary approach to visual bridge inspections. It enables the objective condition assessment of new constructions, existing bridges as well as strengthened bridge structures either in long-term measurements or periodic short-term measurements.