Musterdetektion innerer Spanndrahtbrüche an Betonoberflächen
Weltweit ist die Infrastruktur, sind insbesondere die Brücken, in die Jahre gekommen. Verschiedenste Schädigungsmechanismen sowie zunehmende Beanspruchungen haben ihnen zugesetzt. Für nachhaltige und wirtschaftliche Lösungen ist eine individuelle Betrachtung des Bauwerks erforderlich, die über Erhalt oder Ersatz entscheidet. Bei Brücken mit spannungsrisskorrosionsgefährdeten Spannstählen verhindert ein fehlendes Ankündigungsversagen („Riss vor Bruch“) oftmals den Erhalt. Ein Monitoring, welches den Anspruch hat, drohendes Versagen rechtzeitig anzukündigen, kann einen wesentlichen Beitrag zum Erhalt solcher Brücken leisten.
Für diesen Versagensmechanismen – allgemeiner den Spanngliedbruch – ist erforderlich quasi die gesamte Brücke zu überwachen, gleichzeitig müssen aber auch die Spanngliedausfälle zuverlässig von realen Umgebungsbedingungen (z.B. Lärm oder Messtechnikausfall) abgegrenzt werden. Das Sensornetz muss also eine hohe Dichte und Sensitivität aufweisen, um zuverlässig den Zustand des Bauwerks zu erfassen.
Höchste Präzision liefern direkte Messungen strukturmechanischer Größen, wie Dehnungen. Jedoch ist der Blick ins Innere verstellt, das Warten auf eine sichtbare Rissbildung keine Option. Hier setzt das Forschungsvorhaben an.
Ziel ist es, durch permanente flächige Dehnungsmessungenan der Betonoberfläche bereits kleinste Schädigungen im Inneren des Bauteils zu detektieren (Abbildung 1), bevor ein sichtbarer Riss das Versagen ankündigt. Das System soll diskontinuierliche Dehnungsfelder, hervorgerufen durch Spanndrahtbrüche, anhand charakteristischer Dehnungsmuster unabhängig vom Schadensort und bereits bei geringer Intensität erkennen und hierbei als „verbessertes Auge der Bauwerksprüfung“ fungieren. Mit faseroptischen Sensoren im orthogonalen Messgitter werden die Dehnungsmuster des Bruches und darauffolgenden Wiederverankerung aufgenommen. Mithilfe einer optimierten Messkonfiguration hinsichtlich Frequenz, Faseranordnung und -verteilung werden kleinste Dehnungsänderungen nutzbar sowie Anforderungen an Datenerhaltung und -formate definiert.
Anhand von Experimenten im Klein- und Großmaßstab (Abbildung 2) sowie korrespondierenden stochastischen Finite-Elemente-Simulationen (Abbildung 3) werden der Bruch und die hiervon induzierte Ausbreitung der Dehnungsfelder systematisch analysiert.
Material- oder schadensseitige Unschärfen fließen im Zuge von Monte-Carlo-Simulationen ein und werden mit Sensitivitätsanalysen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Messergebnis bewertet. Ziel ist eine automatische Aufbereitung und Abgrenzung der charakteristischen Muster von äußeren Störgrößen, mittels Verfahren der Mustererkennung und Diskriminanzanalyse. Gleichzeitig soll die Trennschärfe bewertet werden. Abschließend erfolgt eine konzeptionelle Übertragung auf das Demonstratorbauwerk, mit welcher die Umsetzbarkeit im Großmaßstab unter Berücksichtigung baupraktischer Randbedingungen und Zwänge bewertet wird.
