Problemstellung

Die Mobilitätswende und der damit einhergehende erhöhte Schienenverkehr steigern die Belastung der Schieneninfrastruktur. In den kommenden Jahren nähern sich viele Brücken ihrem Lebensende. Aufgrund begrenzter Instandhaltungsressourcen und aufwändiger Erneuerung sind diese ein neuralgischer Punkt im Streckennetz. Ihre wirtschaftliche Beurteilung und Überwachung sind eine große Herausforderung und benötigen neue Methoden, um die Mobilitätswende sicherstellen zu können.

Projektziel

Das indirekte Monitoring, bei dem die Infrastruktur befahrende Züge als Sensoren zur Überwachung eingesetzt werden, bietet enormes Potential, um der Herausforderung eines wirtschaftlichen und optimierten Infrastrukturmanagements zu begegnen. Daher ist Ziel des Projekts, Messungen mit Sensoren am Zug unter Betriebsbedingungen durchzuführen, um Brückeneigenschaften und erstmals auch Brückenschwingungen zu identifizieren. Dies ermöglicht eine Überprüfung der Grenzwerte der geltenden Regelwerke.

Durchführung

Durch direkte Validierungsmessungen an einer Demonstratorbrücke und kontrollierte Anregung mittels Shaker werden die Brückeneigenschaften, insbesondere die Dämpfung, genau bestimmt. Ein ICE wird mit Beschleunigungssensoren ausgerüstet, um die instrumentierte Demonstratorbrücke zu befahren. Anhand der Messdaten werden datengetriebene Methoden entwickelt und validiert, welche die Bestimmung der Dämpfung sowie der normativen Beschleunigungs- und Verschiebungsgrenzwerte ermöglichen.

Moderne Offshore-Windenergieanlagen sollen einen wesentlichen Beitrag zum Gelingen der Energiewende leisten. Im Sonderforschungsbereich (SFB) 1463 werden neue Konzepte für besonders große Offshore-Windenergieanlagen der Zukunft entwickelt. Die Leibniz Universität Hannover leitet das Projekt und arbeitet zusammen mit der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, dem Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt, der Universität der Bundeswehr München, der Technische Universität Dresden und der Technische Universität Darmstadt.

Es ist davon auszugehen, dass Simulationsergebnisse bezüglich der Anlagendynamik, die während der Auslegung berechnet wurden, und Ergebnisse von Messungen der Dynamik der Windenergieanlage, die während des späteren Betriebs durchgeführt werden, voneinander abweichen. Gründe für diese Diskrepanz können beispielsweise Ungenauigkeiten im Modell (z. B. Vernachlässigung von Fertigungstoleranzen), Veränderungen der realen Struktur über die Zeit (z. B. Korrosion) oder veränderter Umgebungsbedingungen sein (z. B. Kolkbildung). Um diese Abweichungen zu minimieren, kann das numerische Strukturmodell nachträglich mit Hilfe von Modellanpassungsverfahren an die Messdaten angepasst werden. Ziel einer Modellanpassung kann somit erstens die Verbesserung der Qualität des initialen Simulationsmodells sein. Zweitens ist so eine Anpassung an Langzeitveränderungen der Struktur und der Randbedingungen über die Lebensdauer möglich. Und drittens kann die Modellanpassung zur Schadenslokalisation und -quantifikation genutzt werden. Insbesondere die letzten beiden Punkte werden benötigt, um aus einem klassischen Simulationsmodell einen digitalen Zwilling zu machen.

Projektziel

In diesem Teilprojekt werden Modellanpassungsverfahren erforscht, mit denen diese drei Ziele umgesetzt werden können. Die wissenschaftlichen Neuerungen dieses Teilbereichs liegen darin, dass Modellanpassungsverfahren untersucht werden, welche die in der Messung und Simulation vorliegende Unschärfe berücksichtigen.

Durchführung

Die Verfahren werden an zwei unterschiedlichen Teststrukturen validiert. Zunächst mit Hilfe einer Balkenstruktur, welche unter Laborbedingungen getestet wird und anschließend an einer Gittermaststruktur, die auf einem Feld steht und echten Umwelteinflüssen ausgesetzt ist. Beide Strukturen verfügen über reversible Schädigungsmöglichkeiten. Somit kann die Struktur gezielt geschädigt und wieder repariert werden und die Modellanpassungsverfahren lassen sich testen und validieren. Im letzten Schritt werden die Verfahren auf den Digitalen Zwilling einer Offshore-Megastruktur angewendet, wo Schäden in dem Simulationsmodell eingebracht werden.,

SFB allgemein

Teilprojekt Robuste Modellanpassung

Eisenbahninfrastrukturen sind auf eine lange Nutzungsdauer ausgelegt und können bei angemessener Instandhaltung über viele Jahrzehnte bestehen. Im Laufe der Zeit verändern sich jedoch nutzungsrelevante Bedingungen, insbesondere im Hinblick auf die ursprünglichen Auslegungs- und Baustandards. Die zunehmende Verkehrsdichte und veränderten Umweltbedingungen infolge des Klimawandels stellen Herausforderungen für die Restlebensdauerprognosen und die Beurteilung des Tragverhaltens dar.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, entwickelt das Projekt eine umfassende Messdatengrundlage für Eisenbahnbrücken unter Berücksichtigung von Betriebs- und Umwelteinflüssen. An drei Messstellen werden über mehrere Jahre hinweg Daten erfasst und automatisiert übertragen, aufbereitet, ausgewertet und analysiert.

Die gewonnenen Daten ermöglichen ein besseres Verständnis des Trag- und Ermüdungsverhaltens von Brücken. Dadurch leistet das Projekt einen wichtigen Beitrag zur Sicherstellung der geplanten Lebensdauer und zur nachhaltigen Nutzung von Brückenbauwerken. Angesichts der Vielzahl an bestehenden Eisenbahnbrücken trägt die Verlängerung ihrer Lebensdauer maßgeblich zum Klimaschutz bei.

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Bisher werden Daten aus Monitoringsystemen an Bauwerken (vornehmlich Brücken) zur bautechnischen Bewertung und Instandhaltungsmaßnahmen jener Strukturen genutzt. Analog dienen an Fahrzeugen installierte Sensorsysteme der Überwachung von fahrzeugtechnischen Komponenten und der Gleisanlage. Inhärent werden mit den jeweiligen Sensorsystemen jedoch Daten gesammelt, die weitere Informationen enthalten: Ein instrumentierter Zug überfährt auf seiner Fahrt eine Vielzahl an Brücken und über eine instrumentierte Brücke fahren eine Vielzahl an Zügen.

Projektziel

Es soll ein digitales Werkzeug für die in-situ Überwachung von Eisenbahnbrückenbauwerken im Rahmen eines sensordatengestützten Predictive Maintenance Konzepts unter Verwendung eines BIM-integrierten Digitalen Zwillings (Digital Twin) und auf Basis der Künstlichen Intelligenz entwickelt, implementiert und validiert werden. Kernziel ist die Entwicklung eines Templates für eine hochgradig automatisierte und verbesserte Aussage zur Zustandsbewertung (Resonanzgefährdung, Tragsicherheit, Restlebensdauer) von bestehenden Eisenbahnbrücken.

Durchführung

Die durch das dynamische Monitoring gewonnenen Zustandsdaten werden durch eine automatisierte und kontinuierliche Aktualisierung des Ist-Zustands des Digitalen Zwillings berücksichtigt. Basierend auf den Zustandsdaten entscheidet eine Künstliche Intelligenz, unter Berücksichtigung mechanischer Zusammenhänge der Struktur, über eine notwendige Anpassung der Strukturmodelle (Brücke und Fahrzeug) an den Ist-Zustand (Strukturidentifikation, Systemkalibrierung).

Der Eurocode EN 1991-2, welcher in den 1990er Jahren entwickelt wurde, umfasst die Grundlagen der Lastannahmen für Berechnungen von Eisenbahnbrücken. Insbesondere enthält er die für dynamische Berechnungen der Zugüberfahrten anzusetzenden Hochgeschwindigkeits-Modellzüge HSLM-A und HSLM-B. Neue Fahrzeugkonzepte, neue Wagenkastenlägen und Drehgestellabstände sowie immer schneller fahrende (Güter-)Züge führen dazu, dass die aktuell gültigen Modellzüge aus der Norm unzureichend für die dynamische Beurteilung von Eisenbahnbrücken sind. Es besteht daher die dringende Notwendigkeit zur Entwicklung neuer dynamischer Lastmodelle, welche die Neuerungen der Fahrzeugindustrie sowie verkehrende Betriebszüge abdecken, was das Ziel des vorliegenden Projekts war, das von dem internationalen Konsortium AIT, REVOTEC, KU Leuven und TU Darmstadt bearbeitet wurde.

Basis für die Entwicklung der Modellzüge für ein neues Lastmodell war eine umfangreiche Zugsammlung der aktuell in Europa verkehrenden Betriebszüge, die in enger Abstimmung mit Fahrzeugherstellern und auf Basis von Achslastmessdaten erstellt wurde. Aus einer Sammlung von über 3.000 Personen- und 140.000 Güterzügen unter Einbezug von möglichen künftigen Modifikationen von Zügen wurden mit Anwendung der DER- und LIR-Spektren sowie dynamischen Signatur die relevanten Betriebszüge abgeleitet. Mit den Daten der Fahrzeughersteller konnte auch ein Datensatz mit 25 Mehrkörpermodellen erstellt werden. Zusätzlich wurde anhand des Brückenportfolios der DB und ÖBB ein parametrisiertes Brückenset definiert.

Mit dem Datensatz der Mehrkörpermodelle wurden umfangreiche Untersuchungen zur Zusatzdämpfung durchgeführt, die zu dem Ergebnis geführt haben, dass ein zugunabhängiger Zusatzdämpfungsansatz nicht definiert werden kann. Jedoch hat eine Validierung mittels messdatengestützter Systemidentifikation ergeben, dass die auf Angaben der Fahrzeughersteller basierenden Mehrkörpermodelle zur dynamischen Berechnung von Brückenüberfahrten geeignet sind. Die durchgeführten Untersuchungen haben ergeben, dass die Modellierung mit bewegten Lasten, welche als Grundlage für die Entwicklung der neuen dynamischen Lastmodelle verwendet wurde, eine gute Annäherung für die Tragwerksantworten infolge einer Zugüberfahrt liefert.

Mit den abgeleiteten relevanten Betriebszügen wurden über 20 Millionen dynamische Brückenüberfahrten simuliert und eine Lastumhüllungsfläche als Referenz ermittelt. Die Lastumhüllungsflächen wurden im Weiteren dazu genutzt, die gesuchten neuen Modellzüge mit konventionellen sowie mit Jakobs-Drehgestellen abzuleiten und zu optimieren. Letztlich konnten so ein Personenzuglastmodell (DLM-PT), ein Güterzuglastmodell (DLM-FT) sowie mit Hilfe eines empirisch abgeleiteten Abminderungsfaktors auch ein Lastmodell für leichte, schnell fahrende Güterzüge (DLM-FT light) entwickelt werden, das anhand von ca. 350 realen Eisenbahnbrücken unterschiedlicher Bauart und Spannweite erfolgreich validiert wurde.

Zusätzlich wurden im Projekt für die Abschätzung der dynamischen Tragwerksantworten infolge Zugüberfahrt im Entwurfsprozess einer Eisenbahnbrücke vereinfachte Verfahren auf Grundlage eines Antwortspektrums und eines Meta-Modells entwickelt und an den realen Brückentragwerken erfolgreich validiert.

• TU Darmstadt (TUDa, Germany)
• KU Leuven (Belgium)
• Austrian Institute of Technology (AIT, Austria)
• REVOTEC (Austria)
• iSEA Tec (Germany)

Brückenbauwerke müssen in bestimmten Inter-vallen einer Bewertung hinsichtlich ihrer Restlebensdauer unterzogen werden. Diese hängt maßgeblich von den durch Verkehr hervorgerufenen Spannungsschwingspielen im Material und der einhergehenden Schadensakkumulation ab. Die aktuellen Ansätze zur Ermittlung der Restlebensdauer bestehender Brücken basieren auf idealisierten Lastmodellen für die Vergangenheit bzw. auf gewissen Annahmen zum zukünftigen Verkehrsaufkommen. Diese Annahmen unterliegen allerdings großen Unsicherheiten und besitzen daher i. d. R. einen stark konservativen Charakter, der zu einer verfrühten Instandsetzung des Bauwerks führen kann. Daten aus Achslastmesstellen können derzeit noch nicht für die Ermittlung der Restlebensdauer genutzt werden.

Projektziel

Kernziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines Konzepts zur Integration vorhandener realer dynamischer Fahrzeuglasten in die Restlebensdauerbewertung von Eisenbahninfrastrukturen. Hierfür werden Daten der im europäischen Eisenbahnstreckennetz ausgeführten Achslastmessstellen sowie klassischer Strukturmonitoringanlagen verwendet. Mittels statistischer Extrapolationsmethoden und Datenfusion sollen diese in die streckenspezifische Bewertung der Restlebensdauer bestehender Brückenbauwerke in Deutschland einfließen. Es wird eine Verlängerung der Restlebensdauer der bestehenden Brückenbauwerke im Vergleich zum jetzigen konservativen Ansatz von mind. 20% erwartet und somit eine verbesserte Verfügbarkeit der Brückenbauwerke und eine hohe Ressourceneinsparung erzielt.

Durchführung

Basierend auf der Analyse von vorhandenen Daten aus Achslastmessstellen, Strukturmonitoringdaten sowie Betriebs- und Netzdaten der Infrastrukturbetreiber in Europa wird eine datenbasierte Extrapolationsmethode für Radsatzlasten im deutschen Streckennetz entwickelt. Zudem wird eine datenbasierte Methode zur kostengünstigen Ermittlung von Radsatzlasten von Eisenbahnfahrzeugen erarbeitet und validiert. Abschließend werden streckenspezifische Lastkollektive zur Berechnung der (Rest-)lebensdauer von Eisenbahninfrastrukturanlagen abgeleitet.