SDU
Structural Dynamics Unit

Von der Strukturanalyse zur Lebensdauerprognose

Die Verlängerung der Lebensdauer von Strukturen im Bauwesen ist vor dem Hintergrund des ressourcenschonenden Bauens von entscheidender Bedeutung. Insbesondere bei dynamisch angeregten Strukturen wie Brücken oder Windenergieanlagen können vereinfachte Berechnungsmethoden und Annahmen zu großen Abweichungen zwischen dem prognostizierten und dem tatsächlichen Zustand führen. Eine Möglichkeit die Herausforderung anzugehen, und realitätsnahe Analysen und Prognosen zu erhalten, sind daten-getriebene Methoden. Die Structural Dynamics Unit erforscht wie Schwingungsmessdaten für Berechnungsmodelle der Zukunft genutzt werden können. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Brücken und Windenergieanlagen, sowie deren Wechselwirkung mit Fußgängern, Fahrzeugen bzw. der Luft.

Steven Lorenzen,
Nachwuchsgruppenleiter Strukturmechanik

Mit Daten die Lebensdauer von Bauwerken verlängern - für eine nachhaltigere Welt

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)

Motiviert durch immer höhere architektonische Anforderungen gibt es im Bauwesen einen aktuellen Trend, schlankere und leichtere Bauwerke mit größeren Spannweiten zu entwerfen und zu bauen. Bei Bauwerken, die der menschlichen Fortbewegung ausgesetzt sind (z.B. Fußgängerbrücken), führt dies häufig zu überhöhten fußgängerinduzierten Bauwerksschwingungen. Dies hat zur Folge, dass der Mensch seine Gangart an die Schwingungen der darunter liegenden Struktur anpassen muss, um das Gleichgewicht zu halten. Im Gegenzug beeinflussen die Veränderungen des Gangs die Reaktion der Struktur, was zu einer kontinuierlichen Interaktion zwischen Mensch und Struktur führt. Die heute üblichen biomechanischen Gangmodelle können jedoch die Reaktion des Menschen beim Gehen auf einer flexiblen Struktur nicht vorhersagen, da die zugrundeliegenden Mechanismen, wie der Mensch mit schwingenden Strukturen interagiert, immer noch unklar sind. Darüber hinaus berücksichtigen die aktuellen Modelle, die in der Konstruktion verwendet werden, nicht die Interaktion zwischen dem Menschen und den Strukturen, was zu unsicheren Strukturen oder im Gegenteil: zu überdimensionierten und unästhetischen Strukturen führen kann. Daher gibt es einen kritischen Bedarf aus beiden Wissenschaftsbereichen (Biomechanik und Bauingenieurwesen) für ein besseres Verständnis der biomechanischen Anpassung des Menschen beim Gehen auf erregbaren und vibrierenden Strukturen.

Ziel des Projekts

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung und Validierung verbesserter biomechanischer und struktureller Belastungsmodelle zur Beschreibung und Untersuchung des menschlichen Gehens auf schwingenden Strukturen. Dieses Ziel wird durch ein interdisziplinäres Forschungsprojekt der TU Darmstadt unter Einbeziehung der Sportbiomechanik (Prof. Seyfarth, LL) mit spezifischen Kenntnissen zu den biomechanischen Modellen und der Statik (Prof. Schneider, ISMD) mit spezifischen Kenntnissen zur Strukturdynamik erreicht.

Ausführung

In dieser Forschung werden wir die experimentellen Daten von menschlichen Teilnehmern, die auf schwingenden Strukturen und (zum Vergleich) auf steifen Strukturen gehen, sammeln und analysieren. Die Experimente beinhalten die Erfassung sowohl der biomechanischen als auch der strukturellen Antworten. Basierend auf den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen werden erweiterte biomechanische Modelle mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad für das Gehen auf flexiblen Strukturen zur Simulation entwickelt. Anschließend werden die entwickelten Gangmodelle in die Strukturanalyse implementiert. Es werden umfangreiche Vergleiche zwischen den Messungen und Simulationen durchgeführt. Dies wird es ermöglichen, minimale Modellanforderungen sowohl für die Gang- als auch für die Strukturmodelle in Bezug auf den Detaillierungsgrad zu formulieren. Schließlich erwarten wir, ein mechanisches Modell zur Vorhersage von fußgängerinduzierten Schwingungen unter Berücksichtigung der Mensch-Struktur-Interaktion und ein Gangmodell zur genauen Simulation der menschlichen Reaktion beim Gehen auf schwingenden Strukturen vorzuschlagen. Die Funktionalität des vorgeschlagenen biomechanischen Modells soll an einer weichen aktiven Beinorthese demonstriert werden.

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.

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.

Leitung

  Name Kontakt
Dr.-Ing. Steven Lorenzen
Structural Dynamics Unit
+49 6151 16-23011
L5|06 603

Team

  Name Kontakt
Antonia Kohl M.Sc.
Structural Dynamics Unit
+49 6151 16-23032
L5|06 607
Henrik Riedel M.Sc.
Structural Dynamics Unit
+49 6151 16-23011
L5|06 603
Max Fritzsche M.Sc.
Structural Dynamics Unit
+49 6151 16-20233
L5|06 109
Maximilian Rupp M.Sc.
Structural Dynamics Unit
+49 6151 16-23032
L5|06 607
Niklas Dierksen M.Sc.
Structural Dynamics Unit