Musterdetektion innerer Spanndrahtbrüche an Betonoberflächen

• Antragsteller: Dr.-Ing. David Sanio
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501774158

Weltweit ist die Infrastruktur, sind insbesondere Brücken, in die Jahre gekommen. Verschiedenste Schädigungsmechanismen und zunehmende Beanspruchung haben ihnen zugesetzt. Individualität, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit erfordern in jedem Einzelfall eine sorgfältige Abwägung ihrer Erhaltung oder eines notwendigen Ersatzes. Solche Entscheidungen fußen auf Nachrechnungen und vermehrt auf langfristiger Überwachung durch Monitoring. Letzteres hat den Anspruch stets rechtzeitig drohendes Versagen anzukündigen; im Stahlbetonbau durch das heute etablierte Kriterium „Riss vor Bruch“, was im Bestand jedoch oft nicht erfüllt ist.Drohendes sprödes Versagen, etwa durch unbemerkten Spanngliedausfall, stellt hieran besondere Ansprüche, die von heutigen Methoden wie Acoustic Emission oder Coda-Wave-Interferometrie nur unzureichend erfüllt werden. Das Monitoring muss global sein, d.h. die gesamte Brücke überwachen. Gleichzeitig muss es robust und trennscharf gegenüber realen Umgebungsbedingungen, Lärm oder einem (vorübergehenden) Ausfall der Messtechnik sein. Das Sensornetz muss dicht und sensitiv sein, um präzise Aussagen über den Zustand zu liefern.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 Dehnungsmessungen an der Betonoberfläche bereits kleine Schädigungen im Innern zu detektieren – lange bevor ein Riss sichtbar wird. Als „verbessertes Auge der Bauwerksprüfung“ erkennt das System diskontinuierliche Dehnungsfelder, die durch Drahtbruch entstehen, anhand charakteristischer Muster bei beliebigem Schadensort und geringer Intensität. Mit gekreuzten faseroptischen Sensoren werden die Dehnungsmuster des Bruchs und einer Wiederverankerung quasi-kontinuierlich aufgenommen. Durch optimierte Messkonfigurationen hinsichtlich Frequenz, Faseranordnung und -verteilungen werden kleinste Dehnungsänderungen nutzbar und Anforderungen an Datenhaltung und -formate definiert.In konsekutiven Experimenten im Klein- und Großmaßstab und korrespondierenden stochastischen Finite-Elemente-Simulationen werden der Bruch und die hiervon induzierte Ausbreitung der Dehnungsfelder systematisch analysiert. Material- oder schadensseitige Unschärfen fließen in Monte-Carlo-Simulationen ein und werden mit Sensitivitätsanalysen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das Messergebnis bewertet. Kern ist eine automatisierte Aufbereitung und Abgrenzung der charakteristischen Muster von jenen äußerer Störgrößen, ambienter Einflüsse oder Verkehr mit Verfahren der Mustererkennung und Diskriminanzanalyse, die gleichzeitig die Trennschärfe bewerten lassen. Die konzeptionelle Übertragung auf das Demonstratorbauwerk zeigt und bewertet die Umsetzbarkeit im Großmaßstab unter Berücksichtigung baupraktischer Randbedingungen und Zwänge.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2388: Hundert plus - Verlängerung der Lebensdauer komplexer Baustrukturen durch intelligente Digitalisierung
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Mark Alexander Ahrens; Professor Dr.-Ing. Peter Mark