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Validierung an Brückenüberbauten und Infrastrukturbauwerken
Strukturdynamikanalyse mittels modalbasiertem Monitoring-System
Die steigende Beanspruchung von Infrastrukturbauwerken sorgt zunehmend für die Herausforderung, den Bauwerksbestand im Hinblick auf die Sicherheit und die daraus resultierende Restnutzungsdauer zu untersuchen und zu bewerten. Um die Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit gewährleisten zu können, sind zuverlässige, technisch gut umsetzbare und trotzdem ökonomische Lösungen zur messtechnischen Überwachung nötig. Dies ist die zwingende Voraussetzung, um in sinnvoller Art und Weise Informationen über Schädigungsprozesse und aktuelle Bauwerkseigenschaften zu erhalten.
Ein messtechnisches Lösungsmodell eines modalbasierten Monitoring Systems für Brückenüberbauten wird am KIT (Karlsruher Institut für Technologie), Institut für Massivbau und Baustofftechnologie Abteilung Massivbau im Rahmen des ZIM-Kooperationsprojektes „Entwicklung einer Systematik zur modalbasierten Schädigungsanalyse und Überwachung von Brückenüberbauten“ entwickelt. Brücken weisen bei Anregung, wie alle Strukturen, ein charakteristisches Schwingverhalten auf, welches durch modale Parameter wie Eigenfrequenzen und Eigenformen beschrieben werden kann.
Die grundlegende Überlegung für ein modalbasiertes Monitoring System ist, dass Schädigungsprozesse einhergehen mit Steifigkeitsveränderungen der Struktur, die wiederum zu messbaren Veränderungen in den modalen Parametern führen. Die modalen Parameter, Eigenfrequenzen und Eigenformen können messtechnisch erfasst und charakterisiert werden, um fundierte Informationen über den Brückenzustand, deren Tragfähigkeit und die Restnutzungsdauer zu gewinnen.
Für die experimentelle Überprüfung und Erprobung eines modalbasierten Monitoring Systems wurden Bauteilversuche in der Materialprüfung und Forschungsanstalt Karlsruhe unter der Leitung von Mareike Kohm durchgeführt. Ein 6,5 m langer Stahlbetonbalken, der beidseitig gelenkig gelagert wurde, diente als Brückenersatzmodell. Der Stahlbetonbalken war zu Beginn des Experiments noch intakt und wurde im Laufe der Untersuchungen durch einen weggesteuerten Kraftzylinder schrittweise geschädigt, (Abbildung 1). Durch die zentrische Biegezugbelastung des Stahlbetonbalkens kam es zu einer zunehmenden Rissbildung, die zur Auswertung manuell und mit dem optischen Messsystem GOM Aramis dokumentiert wurde.
Zur messtechnischen Erprobung und Verifikation der modalen Parameter wurden an 25 Messstellen die Beschleunigungs-Zeitverläufe mit MEMS-basierten Beschleunigungsaufnehmern der Firma Semex-Engcon aufgenommen. Um die messtechnischen Ergebnisse der Beschleunigungsaufnehmer zu überprüfen und zu verifizieren, kam mit 27 Messköpfen an vier Optikeinheiten, für die gleichen 25 Messstellen und zwei zusätzliche Messstellen an den Auflagerachsen, das MPV Multipoint Vibrometer von Polytec zum Einsatz.
