DIVING – Digitale Verknüpfung von Multiskalenanalysen in Modellierung und Monitoring
Ein sicherer Betrieb von gebauter Infrastruktur erfordert neben einer regelmäßigen oder kontinuierlichen Bauwerksüberwachung robuste Prognosemodelle zur Vorhersage der System- bzw. Tragwerkseigenschaften. Durch eine ständige Anpassung der Prognosemodelle an die beobachtete Ist-Situation der Bauwerke lassen sich Abweichungen in den Modellannahmen von der Realität und unscharfe bzw. stark streuende Einflussgrößen im Modell berücksichtigen. Neben einer entsprechenden messtechnischen Bauwerksüberwachung ist dafür ein geeignetes numerisches Modell erforderlich. Dafür wird im Projekt ein Multiskalen-Ansatz verwendet. Im Rahmen einer hybriden Modellierung werden auf Grundlage von Monitoringdaten auf der Makroskala kritische Bereiche lokalisiert und für detaillierte Prognosen mit einer deutlich höheren Auflösung auf der Mesoskala untersucht. Dieser Skalenübergang erfolgt sowohl in den experimentellen Techniken durch Nutzung zerstörungsfreier Prüfverfahren als auch im numerischen Modell.
Für den Informationsfluss zwischen dem Monitoringsystem und dem numerischen Modell ist eine digitale Verknüpfung beider Komponenten herzustellen, wofür ein Ansatz des Theorie-gesteuerten maschinellen Lernens entwickelt wird. Auf diese Weise wird eine digitale Verknüpfung zwischen experimentellen Untersuchungen am Bauwerk und numerischem Tragwerksmodell geschaffen. Gleichzeitig wird die Grundlage für die Steuerung mobiler zerstörungsfreier Messtechnik basierend auf von Prognoseergebnissen des Modells gelegt.
Die zu entwickelnde Methodik umfasst die Erstellung numerischer Multiskalenmodelle, Werk-zeuge zur digitalen Kopplung sowie die experimentelle Untersuchung einer Struktur auf unter-schiedlichen Skalen. Dabei werden die einzelnen Komponenten zunächst an Bauteilen betrachtet, die im Labor unter kontrollierten Bedingungen untersucht werden (Bauteilversuche TKant 1 & 2). In einem zweiten Schritt erfolgt die Validierung der Methoden an Referenzbauwerken des SPP100+ (openLAB).
Bauteilversuch T-Kant 1
In unserem ersten Bauteilversuch am 27.09.2023 wurde ein Betonfertigteil stufenweise mechanisch geschädigt. Während der Belastungen wurde Körperschall aufgezeichnet und zwischen den Belastungen dynamische Messungen durchgeführt. Das Projekt E01 der TU Braunschweig hat den Versuch mit optischen Messmethoden ergänzt. Die experimentell erfassten Daten werden gemeinsam mit dem Teilprojekt C07 der BAM genutzt.
openLAB Messkampagne Mai 2024
Am 2. bis 4. Mai 2024 wurde zur Zustandserfassung kurz nach der Bauwerkserstellung die Versuchsbrücke openLAB in Bautzen durch baudynamische Messungen mittels Beschleunigungssensoren sowohl unter ambienter als auch gezielter Anregung aufgenommen. Die Messung dient der Vorbereitung eines Messkonzeptes für die Bewertung einer geplanten Schädigung des Bauwerks sowie als Referenz für spätere Vergleiche mit dem aktuellen Zustand.
openLAB Messkampagne März 2025
Vom 24. bis zum 26. März 2025 sind das dynamische Tragverhalten der Versuchsbrücke openLAB in Bautzen nach einjähriger Standzeit mit regelmäßigen Belastungen erneut erfasst worden. Die Versuche dienen sowohl dem Vergleich mit dem Zustand zu Beginn der Lebensdauer des Bauwerks als auch der Vorbereitung von Untersuchungen mit Eintragung gezielter Bauteilschädigungen.
Bauteilversuch T-Kant 2
Der zweite Bauteilversuch am 14.11.2024 war eine Erweiterung des ersten. Sowohl die Anzahl der Laststufen als auch die Anzahl an Beschleunigungssensoren wurde erhöht. Die Rissentwicklung wurde mit DIC bitte Ausschreiben! Messungen und faseroptischer Sensorik (dFOS) aufgezeichnet. Desweiteren wurde der geschädigte Bereich mit Impakt-Echo aufgenommen und die Rissentwicklung im Beton mit Acoustic Emission verfolgt. Die Versuchskonzeption sowie die Messdatenauswertung erfolgte in Kooperation mit dem Teilprojekt C03/E03 der HTWK Leipzig.
Schädigungslokaliserung- Modal Strain Energy/ Acoustic Emission
Durch eine auf der Systemidentifikation der baudynamischen Messungen aufbauenden weiteren Analyse konnten Schädigungszonen identifiziert werden. Bei der Modal Strain Energy Methode werden dazu lokale Änderungen der Krümmung in den Eigenformen des schwingenden Bauteils zur Lokalisierung der Schädigung genutzt. Mit der Messung des Körperschalls an mehreren Sensorpositionen wird der Ort und Zeitpunkt des Rissfortschritts lokal enger eingegrenzt.
Schädigungsmodell makro / meso
Die Messdaten werden mit einem Schädigungsmodell zur Bewertung der Betonstruktur abgeglichen. Der Beton wird an Stellen, an denen Schäden beobachtet wurden, in seiner heterogenen Struktur bestehend aus Matrix und Zuschlägen aufgelöst. Das Modell wurde zunächst mit Benchmark Daten validiert und wird im nächsten Schritt zur Simulation der T-Kant Versuche verwendet.
openLAB / IDA-KI Großversuch Mai 2025
Der Zustand der Versuchsbrücke openLAB in Bautzen wurde vor, während und nach dem Großversuch mit Schädigung im Mai 2025 durch dynamische Messungen, Durchschallung mit Ultraschall, faseroptische Sensorik und Körperschallmessungen intensiv erfasst. Nach Auswertung der Daten kann ein geeignetes Monitoring Konzept erarbeitet werden. Am Großversuch waren verschiedene Universitäten und Forschungsinstitute mit einer Vielzahl von Messmethoden beteiligt.
Wissenschaftskommunikation:
08.06.2023 FuturING: Tag der Ingenieurwissenschaften, FH Nordhausen
14.07.2023 Summaery – SCIENCE MILE Q3, Bauhaus-Universität Weimar
24.11.2023 Vereinigung der Prüfingenieure für Baustatik Landesvereinigung Thüringen, VTE Weimar
12.07.2024 Summaery – SCIENCE MILE Q3, Bauhaus-Universität Weimar
14.11.2024 Lange Nacht der Wissenschaften, Bauhaus-Universität Weimar
Anprechpartner
Publikationen
Peer-Reviewed Journal Paper
- Winkler, P., Lippold L., Zabel V., Könke, C. (2024). Damage Detection combining Modal Analysis and Acoustic Emission in Concrete Structures. Procedia Structural Integrity, Volume 64, 2024, Pages 1264-1270, ISSN 2452-3216, https://doi.org/10.1016/j.prostr.2024.09.195
- Becks, H., Lippold, L., Winkler, P., Moeller, M., Rohrer, M., Leusmann, T., Anton, D., Sprenger, B., Kähler, P., Rudenko, I., Arcones, D. A., Koutsourelakis, P.-S., Unger, J. F., Weiser, M., Petryna, Y., Schnellenbach-Held, M., Lowke, D., Wessels, H., Lenzen, A.,…Hegger, J. (2024). Neuartige Konzepte für die Zustandsüberwachung und -analyse von Brückenbauwerken – Einblicke in das Forschungsvorhaben SPP100+/Novel Concepts for the Condition Monitoring and Analysis of Bridge Structures – Insights into the SPP100+ Research Project. Bauingenieur, BD. 99 (2024) Nr. 10. DOI: https://doi.org/10.37544/0005-6650-2024-10-63
Konferenzbeiträge:
- Winkler, P., Lippold L., Zabel V., Könke, C. (2024). Verknüpfung globaler und lokaler Verfahren zur Schädigungsidentifikation am Beispiel einer schrittweisen geschädigten Stahlbetonstruktur. Baustatik – Baupraxis 15, 2024, Technische Universität Hamburg. https://www.bb15.baustatik-baupraxis.de/Anmeldung/Upload/PDF/152715c4.pdf
- Lippold L., Rödiger N., Most T., Könke C. (2024). Identifikation inhomogener Materialeigenschaften von Flächentragwerken mit Physics Informed Neural Networks. Baustatik – Baupraxis 15, 2024, Technische Universität Hamburg. https://www.bb15.baustatik-baupraxis.de/Anmeldung/Upload/PDF/d4174560.pdf
- Winkler, P., Lippold L., Zabel V., Könke, C. (2024). A multi-scale approach for damage identification and condition assessment of built infrastructure. EWSHM 2024, 11th European Workshop on Structural Health Monitoring, Potsdam, Germany, June 10-13, 2024.
- Winkler, P., Lippold L., Zabel V., Könke, C. (2025). Schadenslokalisierung in einer graduell geschädigten Betonstruktur mit der Modal Strain Energy Methode. 8. VDI Fachtagung Baudynamik 2025, Würzburg.
- Schwegmann, L., Paz, C. und Zabel V. (2025). Untersuchungen zur Anwendung eines Schädigungsindikators basierend auf Nullraum-Betrachtungen. 8. VDI Fachtagung Baudynamik 2025, Würzburg.
- Schwegmann, L., Dederichs, A. und Zabel V. (2025). Numerical Considerations in Context of Stochastic Subpace-Based Fault Detection Test. EVACES 2025, Porto, Portugal.
- Paz, C., Schwegmann, L. und Zabel, V. (2025). Identification of Modal Parameters of a Test Bridge under a Moving Mass. 19. D-A-CH-Tagung Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik, Wien, Österreich.