Korrelationen zwischen Ergebnissen thermo-mechanischer Experimente an Stahlbetonstrukturen und verteilten Coda Signalen
Das Teilprojekt RUB2 befasst sich mit der strukturellen Ebene. Das Projekt zielt auf die feldweise Verarbeitung und Korrelation von (thermo-)mechanischen Größen wie Verformungen, Spannungen in Beton und Stahl, Rissmuster und -breiten sowie Temperaturen, einzeln und in Wechselwirkung mit Ultraschallergebnissen ab. Dazu werden großskalige Experimente durchgeführt.
Projektbeschreibung
Zustandsbewertung, Instandhaltung, Verstärkung sowie ggfs. Erneuerung von Brücken und Tunneln, bilden Kernaufgaben im Bauwesen. Die Infrastruktur bildet das wirtschaftliche Rückgrat Deutschlands und der Welt, sie sichert Wohlstand und Wachstum. Ihre Bedeutung erfordert um- und weitsichtiges Handeln. Das übergreifende Ziel von RUB 2 ist es, eine Anwendung der zerstörungsfreien Coda-Technik auf Stahlbetonbauwerke wie Brücken und Tunnel zu ermöglichen.
Um die Anwendung der Coda-Technik zur Schadenserkennung und -beurteilung schrittweise auf realistische Fälle der zerstörungsfreien Prüfung in der Überwachungspraxis von Bauwerken zu erweitern, sind 5 Arbeitspakete in der 2. Förderungsphase geplant: Zunächst ist Vorspannung vorgesehen, um druck- gegenüber zuginduzierten Änderungen einen entscheidenden Vorsprung zu verschaffen, sowie positive und negative Dehnungen zu messen, die eine direkte Korrelation mit Coda-Eigenschaften aufweisen. Zweitens soll der Einfluss komplexer Geometrien und des Verlusts der direkten Sichtverbindung zwischen den Ultraschallwandlern sowie von beschädigten Oberflächen, die durch Rauheit imitiert werden, in der Coda quantifiziert werden. Räumliche Karten der Schädigungswahrscheinlichkeit, die aus der Korrelation der relativen Geschwindigkeitsänderung der Coda und Dehnungen gewonnen werden, ermöglichen eine Verallgemeinerung und Übertragung gemessener Änderungen auf beliebige Strukturen. Diese Komponenten werden in einem großmaßstäblichen Demonstrator zusammengeführt, sodass von außen nicht sichtbare Spanngliedbrüche erfolgreich detektiert und lokalisiert werden. An den Referenzbauwerken „Gänstorbrücke“ in Ulm und einer U-Bahn Station München wird die praktische Anwendbarkeit und Leistungsfähigkeit eines solch codabasierten Monitorings bewertet.
Bisherige Ergebnisse
Zentral wurden in der 1. Förderungsphase Stahlbetonträger im 4-Punkt Biegeversuch in nicht gerissenen und gerissenen Zuständen, mit und ohne auferlegte stationäre Temperaturen untersucht. Begleitend wurde die Umgebungs- und Betonfeuchte gemessen. Neben Ultraschalltransducern und herkömmlichen Techniken wie Dehnungsmesstreifen, Wegaufnehmern sowie Thermoelementen, fanden auch faseroptische Sensoren (FOS), digitale Bildkorrelation (DIC) und eine thermografische Kamera Verwendung. Für die Feuchtigkeitskontrolle wurden Multi-Ring-Elektroden (MRE) verwendet.
Zwischen allen Sendern und Empfängern wurden auf jeder Ebene Dehnungen und Ultraschallsignale gemessen. Die Coda-Wellen-Interferometrie (CWI) wertet die Ultraschallmessungen über den Korrelationskoeffizienten (CC) und die relative Geschwindigkeitsänderung (dv/v) aus. In den Biegeversuchen dominierten zuginduzierte Spannungen die gemessenen Ultraschallergebnisse, sodass eine direkte Korrelation zu den Betondehnungen nicht möglich ist. Eine Gegenüberstellung der Ultraschall- und Dehnungsergebnisse gelingt dennoch über die feldweise Aufbereitung als Attributkarten, welche mit über DIC gemessenen Dehnungsfeldern verglichen werden. Dazu werden die Ergebnisse jedes Sensorpaares diskret dem Zentrum zwischen Sender und Empfänger zugeordnet. So können Druck- und Zugbereiche qualitativ erkannt werden. Ein steiler Abfall von dv/v in Richtung des gedrückten Rands zeigt zusätzlich die Risstiefe an.
Ähnlichkeiten des Verlaufs von dv/v zur (mittleren) Dehnung einer Moment-Krümmungs-Beziehung sind auffällig. Die quasikontinuierliche Aufnahme der Dehnung mit FOS liefert die mittlere Dehnung des Bewehrungsstahls, die mit dv/v korreliert wird. Das Bestimmtheitsmaß R² und der mittlere quadratische Fehler (RMSE) belegen die hohe Qualität. Inversion ermöglicht über dv/v auf die Laststufe und die Stahldehnung im Riss zu schließen. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass mechanischen Belastungen ausgesetzte Stahlbetonstrukturen auch weit jenseits des Bereichs kleiner Strukturveränderungen, bis tief in den Zustand II hinein, gut überwacht werden können. Hierfür werden Ultraschallsignaldaten mit schrittweiser CWI evaluiert und mit den Dehnungen der Stahlbewehrung korreliert.
