Projektziel

Mit den heute gängigen Methoden der Schwingungsanalyse und der Systemidentifikation über Eigenfrequenzen und -formen können nur große, schon stark fortgeschrittene Schäden, die deutlich das Globalverhalten des Systems beeinflussen, entdeckt werden. Schäden mit lokalen Auswirkungen beeinflussen nur einzelne, sehr hohe Eigenfrequenzen und -formen, deren Amplituden klein sind (es gilt überschlägig das globale physikalische Abnahmegesetz gedämpfter Mehrmassensysteme von 1/Frequenz für die Resonanzamplituden), so dass Amplitudenänderungen, die noch kleiner sind, durch störende andere Einflüsse so verrauscht werden, z. B. Instabilität der Eigenfrequenzen durch nichtlineare Steifigkeitseinflüsse, dass keine zuverlässigen Werte mehr ableitbar sind. Daher ist von der Globalsystemmethode auf Lokalsystemmethoden überzugehen, die nicht nur mit Schwingungs- d. h. Frequenzmethoden, sondern direkt mit kombinierten, holistischen Festigkeitsmethoden, d. h. Last-, Spannungs- , Dehnungs-, Frequenz- und Verformungsuntersuchungen unter Berücksichtigung von nichtlinearem und transientem Verhalten durchzuführen sind. Dies war bis vor kurzen (ca. 5 - 10 Jahre) noch nicht realisierbar, denn hierfür werden eine ausgereifte Messtechnik (heute vorhanden), kontinuierliche Massenmessungen, -übertragung und -speicherung (heute gegeben) sowie vergleichende automatische Massenauswertung (heute mit automatischen Prozessabläufen in Formen von Workflows und Big-Data-Methoden möglich) und strategische, gezielte, aber doch ausreichend breit angelegte Sensitivitäts- und Modellvariationsstudien benötigt, um alle potentiellen Schäden erfassen zu können (heute mit High-Performance Computing und wissens-basierten Methoden möglich).

Der FuE Antrag konzentriert sich auf die beiden letzten Punkte, die heute möglich, aber noch nicht gegeben sind: (1) die vergleichende automatische Massenauswertung und (2) die strategische Sensitivitäts- und Modellvariationsstudien, um eine deutlich verbesserte Systemidentifikation zu erhalten. Die Güte der Vorhersage über die Restlebensdauer und alle anderen wichtigen Entscheidungsgrößen, gleich welche Vorhersagemodelle verwendet werden, werden durch die Güte des angesetzten bzw. angenommenen aktuellen Schadensstandes und das tatsächliche Systemverhalten sowie das Systemmigrationsverhalten, d. h. die tatsächlichen Materialgesetze und die tatsächlichen Systeminteraktionen bestimmt. Die derzeit in der Praxis des Brückenentwurf und der Sanierung eingesetzten Modellannahmen und -approximationen sind hierfür nicht ausreichend. Es werden wirklichkeitsnähere mechanische Modelle, benötigt, die zwar schon erforscht sind, wegen ihrer Komplexität und ihren Rechenbedarf nur selten eingesetzt werden und die von den Sicherheitsbestimmung, die dem Entwurf und der Sanierung unterliegen, noch nicht eingefordert werden.

Die vorhandene marktübliche Messtechnik und auch vorhandene Methoden für die Massenmessungen und -speicherung sind ausreichend und es werden marktgängige Produkte über das integrierende BIM-basierte SaaS-Portal eingebunden und sind daher nicht Bestandteil dieses Antrags.

Zum Erreichen des FuE Ziels wird folgende Fachkompetenz benötigt:

  1. Nichtlineare Strukturmechanik, nichtlineare Materialgesetze, ihr Zusammenspiel in einem Gesamtsystem und eine eigene, modular erweiterbare Software hierfür, die in ein Webportal und durch einen Workflow flexibel eingebunden und gesteuert werden kann. Dies ist durch den Partner FIDES gegeben, ein führendes Bausoftwarehaus mit über 30 Jahren Erfahrung in der Softwareentwicklung für anspruchsvolle Strukturmechanik im Hoch- und Tiefbau.
  2. Informations- und Datenmanagement bei Massendaten, voll automatisiertes Management a) von Massenauswertung von Simulationsrechnung, b) automatisch generierte Modellansätze für Simulationsrechnungen, c) Structured Big-Data-Mining-Methoden mit n-dimensionalen Best-Fit-Methoden für den Vergleich von Simulationen und Messungen, und d) für die Organisation der Simulationsläufe auf parallelen Rechnern (Cloud/Grid). Dieses Wissen wird von Partner TU Dresden bereitgestellt, der mit über 25 Jahren Erfahrung in BIM , dezentralen Datenstrukturen, wissensbasierten Datenmodellen, Interoperabilitätsmethoden, Stochastik sowie Data Analysis und Data-Mining-Methoden für die Identifikation von Systemen im Bauwesen sowie 10 Jahren Erfahrung mit Cloud/Grid-Anwendung im Bauwesen über die nötigen Kompetenz verfügt.
  3. Fundiertes Fachwissen über mögliche Schädigungen, Ermüdung, Schädigungscluster und Klassenbildung aufgrund von Baustoffen und Techniken in Brückenbau und -entwurf, die sich über die Jahrzehnte stark verändert haben, gekoppelt mit einer strategischen Vorgehensweise im Ansatz von potentiellen Schädigungen im Brückenmodell und Strategien in der Änderung und Adaption der angenommenen Schädigungen aufgrund der Simulationsergebnisse. Langjährige Erfahrung in der Brückenüberwachung. Dieses Fachwissen wird durch den Partner LAP bereitgestellt, eines der führenden Brückenplanungs- und -sanierungsbüros mit über 75 Jahren Erfahrung.