Detaillierte FE-Modellierung der Nibelungenbrücke
Ziel des Teilprojektes C05 ist die Entwicklung eines Monitoringkonzepts mit implementierter Schadensdetektion auf Basis einer nichtlinearen Modelladaption. Durch eine iterative Modifikation der Parameter eines FE-Modells werden dessen Reaktion möglichst genau auf in einer Datenbank abgespeicherte Messwerte am realen Bauwerk angepasst und ermöglichen somit eine Identifikation der Tragstruktur bzw. eine Beurteilung des Bauwerkszustands. Die Strukturidentifikation umfasst den Einsatz von künstlichen neuronalen Netzen (KNN) und evolutionären Algorithmen (EA) zur Adaption der Modellparameter und zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der identifizierten Modelle. Das prototypische Überwachungskonzept (Abbildung 1) soll anschließend an numerisch generierten Messdaten evaluiert werden.
Für eine detailliertere Repräsentation des Validierungsbauwerks (die Nibelungenbrücke, Abbildung 2), eine möglichst genaue Modellierung von Schädigungen und eine präzise Anbindung an den digitalen Zwilling wurde ein parametrisiertes FE-Modell der Brücke mit insgesamt 713620 Knoten an 34670 3D-Volumenelementen (Abbildung 2) modelliert. Das Modell setzt sich aus den Elementtypen CHX60, CPY39, CTE30 und CTP45 zusammen und wurde mit der Finite Elemente-Software DIANA FEA modelliert. Für eine realitätsnahe Abbildung der Brücke wurde auf Bestandsdaten wie Spannanweisungen, Ergebnisse von Bohrkernentnahmen und Schal- und Bewehrungspläne zurückgegriffen. Die Geometrie der Spannglieder und der statisch erforderlichen Betonstahlbewehrung wurde realitätsnah nachgebildet und deren Steifigkeit den zugehörigen Elementen hinzugefügt. Die Berechnung berücksichtigt neben der geometrischen Nichtlinearität auch das komplexe Materialverhalten von Beton. Das Materialmodell umfasst neben den linearen Materialparametern auch das Rissmodell, das Zug-, Druck- und Schubverhalten, die Rissenergie und die Dämpfung.
Anhand des detaillierten FE-Modells können Einflüsse auf Durchbiegungen und Dehnungen infolge variierter Parameter identifiziert und Beobachtungen am Bauwerk, bspw. die Rissentwicklung, verifiziert werden. Im weiteren Verlauf des Forschungsvorhabens erfolgt die Anbindung des Modells an den evolutionären Optimierungskern zur Adaption des FE-Modells an zunächst numerisch generierten Messergebnissen. Durch die Implementierung von Funktionen höherer Ordnung in das FE-Modell können Schädigungen realitätsnäher simuliert und im späteren Verlauf detektiert werden.
