DFG-Projekt „Identifikation und Erstellung von Modellen der Strukturdynamik“

Spannbeton-Stabbogenbrücke bei Hünxe

Im Rahmen des Projektes der Deutschen Forschungsgemeinschaft „Identifikation und Erstellung von Modellen der Strukturdynamik auf Basis der Systemtheorie zur Schadenserkennung und -lokalisation“ (Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Armin Lenzen) wurden die theoretischen Grundlagen zur Schadensdetektion und –lokalisation großer Strukturen des Bauingenieurwesens auf Basis vollständig parametrisierter Black-Box-Modelle gelegt.

Zur Anwendung der entwickelten Theorien sind durch die Kooperation mit dem Wasser- und Schifffahrtsamt Duisburg-Meidrich, dem SFB398 der Ruhr-Universität Bochum (Teilprojektleiter D 01 Prof. Dr.-Ing. Armin Lenzen) und dem SFB477 der TU Braunschweig eine Vielzahl von experimentellen Schwingungsmessungen an einer 62,5m weit gespannten Spannbeton-Stabbogenbrücke bei Hünxe (Nordrhein-Westfalen) durchgeführt worden (s. Abbildung 1).

Schematische Signalverlauf

Der schematische Signalverlauf von anregendem Impuls und Impulsantwort sind in Abbildung 3 dargestellt.

Auf Basis der gemessenen Schwingungssignale sind dann, mittels systemtheoretischer Identifikationsverfahren, Zustandsraummodelle identifiziert und ausgewertet worden.

Übergang black box zu white box

Die experimentell vergleichsweise aufwendigen Versuche mit Impulsanregung erlaubten eine zuverlässige Identifikation vollständig parametrisierter Zustandsraummodelle.

Diese identifizierten Modelle wurden im Anschluss genutzt korrespondierende strukturmechanische Parameter zu bestimmen.

Dies entspricht einer Untermenge der allgemein beschriebenen Zustandsraummodelle und ist nur unter bestimmten Bedingungen realisierbar. Dieser Zusammenhang wird in Abbildung 5 dargestellt.

Differenz der korrespondierenden Flexibilitätsmatrizen

Der durchtrennte Hänger befand sich zwischen den Messpunkten 10 und 11. Der Ausfall dieses Hängers konnte mit den untersuchten Methoden detektiert und lokalisiert werden, wie Abbildung 7 zeigt.

In dieser Abbildung wird die absolute Differenz der korrespondierenden Flexibilitätsmatrizen von ungeschädigter und geschädigter Struktur gezeigt.

Es zeigen sich erhöhte Werte bei 10…11 und 4…5. Diese Messpunktpaare lagen auf beiden Hauptträgern gegenüber (Symmetrie).

Deterministische Form einer Impulsanregung

Die Anregung der Brücke erfolgte deterministisch in Form einer Impulsanregung.

Die Erzeugung reproduzierbarer Impulslasten ermöglichte ein als Prototyp gefertigter Impulshammer der TU Darmstadt (Lehrgebiet Maschinendynamik, Prof. Wölfel), bei dem mittels Druckluft ein bewegliches Gewicht von 150kg auf eine an der Brücke befestigte Grundplatte „geschossen“ und nach einmaligem Schlag gezielt aufgefangen wurde (s. Abbildung 2).

Erste Identifikationsschritt

Es zeigte sich bei allen durchgeführten Versuchen, dass der erste Identifikationsschritt (Bestimmung der Dynamik) problemlos möglich ist. Anhand des teilparametrisierten Modells konnten die modalen Parameter (Eigenfrequenzen, modale Dämpfung und Eigenformen) bestimmt werden (s. Abbildung 4).

Schadensidentifikation

Zur Schadensidentifikation wurden die identifizierten korrespondierenden strukturmechanischen Parameter miteinander verglichen. Da die Brücke als Referenzobjekt gewählt wurde, sollte sie nach Abschluss der durchgeführten Versuche durch einen Neubau ersetzt werden. Damit war es möglich, Strukturmodifikationen vorzunehmen und reale Veränderungen/Schäden an der Konstruktion gezielt herbeizuführen. In einem der untersuchten Schadensszenarios wurde vor dem Rückbau der Brücke ein Spannbetonhänger durchtrennt (s. Abbildung 6).

Ergebnisse zur Berechnung korrespondierender Flexibilitätsmatrizen

Diese Darstellung konnte verfeinert werden, indem zur Berechnung der jeweiligen korrespondierenden Flexibilitätsmatrizen die Dyaden der Frequenzen 12…23Hz gewählt wurden. Die Ergebnisse hierzu werden in Abbildung 8 gezeigt. Eine ausführliche Beschreibung der Versuche an der Brücke in Hünxe findet sich in der am Fachbereich geschriebenen Dissertation von Dr.-Ing. Carsten Ebert, welche im Department Maschinenbau der Universität Siegen zur Promotion akzeptiert wurde.