Forschung

Viele große Stahlbetonbauwerke weltweit befinden sich seit mehreren Jahrzehnten im Betrieb, wobei sich ihre Dauerhaftigkeit infolge umweltbedingter Einwirkungen wie Temperaturwechseln, Feuchteeintrag, Karbonatisierung und Chloridangriff schrittweise verschlechtert hat. Infolgedessen hat die strukturelle Zuverlässigkeit dieser Systeme im Laufe der Zeit abgenommen. Insbesondere kritische Infrastrukturbauwerke – darunter Brücken und Tunnel – sind dauerhaft wiederholten Verkehrslasten sowie aggressiven Umwelteinflüssen ausgesetzt, was zu einer fortschreitenden Leistungsdegradation führt. Konventionelle Instandhaltungs- und Bewertungsmethoden stützen sich jedoch überwiegend auf visuelle Inspektionen, die Auswertung begrenzter experimenteller Daten sowie empirische Erfahrungswerte und sind daher nicht ausreichend geeignet, das Gesamtverhalten solcher Bauwerke umfassend zu erfassen. Diese traditionellen Ansätze erlauben weder eine zuverlässige Prognose des Langzeitverhaltens großmaßstäblicher Strukturen noch eine quantitative Ableitung angemessener Erhaltungs- und Verstärkungsmaßnahmen. Folglich besteht ein dringender Bedarf an einer systematischen und quantitativen Bewertungsmethodik zur Unterstützung fundierter Entscheidungsprozesse im Bereich der Instandhaltung und Sanierung von Stahlbetoninfrastruktur. Darüber hinaus werden moderne Sicherheitsanforderungen im Bauwesen zunehmend verschärft, sodass viele bestehende Bauwerke den aktuellen Bemessungsnormen nicht mehr entsprechen und einer umfassenden Bewertung sowie geeigneter Nachrüststrategien bedürfen. Eine experimentelle Validierung der Tragwerksleistung im Großmaßstab ist in der Regel aufgrund wirtschaftlicher und technologischer Einschränkungen nicht realisierbar. Vor diesem Hintergrund sind objektive analytische Verfahren auf Basis der Zuverlässigkeitstheorie und der Digital-Twin-Technologie von entscheidender Bedeutung. Zuverlässigkeitsbasierte Ansätze ermöglichen die Quantifizierung von Unsicherheiten im Tragwerksverhalten unter Nutzung experimenteller und monitoringbasierter Daten, während digitale Zwillinge hochauflösende Abbildungen des aktuellen Bauwerkszustands liefern und die Prognose der langfristigen Leistungsentwicklung unter variierenden Einflussfaktoren erlauben. Die Gewährleistung der Sicherheit großer Infrastruktursysteme stellt eine globale Herausforderung dar und ist nicht auf einzelne Länder beschränkt. Entsprechend werden Zuverlässigkeitsanalysen und digitale Zwillinge weltweit intensiv erforscht. In Regionen wie Europa und Südkorea, in denen der Neubausektor weitgehend gesättigt ist, gewinnen die Erhaltung und das Monitoring bestehender Bauwerke zunehmend an Bedeutung. Die vorliegende Arbeit ist Teil eines internationalen Forschungsprojekts, das Messdaten der Jauntalbrücke in Österreich nutzt und durch globale wissenschaftliche Zusammenarbeit zur Entwicklung eines zuverlässigeren Bewertungsrahmens für die strukturelle Sicherheit beiträgt. Die Ergebnisse dieser Forschung sollen sowohl die Instandhaltung als auch die Bemessung großer Stahlbetonbauwerke in Europa und darüber hinaus unterstützen und damit einen Beitrag zur Nachhaltigkeit, Sicherheit und Effizienz zukünftiger Infrastruktursysteme leisten.

Das Projekt umfasst die Entwicklung eines Algorithmus für ein faseroptisches Inklinometermesssystem (FOS), bestehend aus einem zylindrischen Glasfaserstab, in den entlang der Längsachse faseroptische Faser-Bragg-Gitter (FBG) integriert sind. Auf Basis der entlang des Stabes erfassten FOS-Messdaten sollen die räumlichen Verformungszustandsgrößen sowohl für kleine als auch für große dreidimensionale Verformungen bestimmt werden. Darüber hinaus sollen lokale Materialspannungen abgeleitet und mit definierten Grenzzuständen verglichen werden, um Grenzzustände der Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Lebensdauer von Bauteilen zu verifizieren. Zu diesem Zweck wird im Rahmen des Projekts ein Auswertealgorithmus entwickelt, der die FOS-Messgrößen in Inklinometer-, Extensometer- sowie lokale Dehnungsinformationen überführt. Die Umrechnung erfolgt durch die Kopplung der Messdaten mit einem speziell entwickelten inversen Finite-Elemente-Programm sowie einem Optimierungsalgorithmus. Das Projekt baut auf einem bereits erfolgreich entwickelten Algorithmus für ein FOS-Lamellenmesssystem mit rechteckigem Querschnitt auf, bei dem zwei eingebettete faseroptische Sensoren zu einem Messsystem kombiniert wurden. Ziel des Projekts ist es, dieses bewährte Lamellenmesssystem mit rechteckigem Querschnitt und zwei eingebetteten faseroptischen Sensoren zu einem FOS-Messsystem mit kreisförmigem Querschnitt und drei eingebetteten faseroptischen Sensoren weiterzuentwickeln, das insbesondere für die Messung großer Durchbiegungen und komplexer dreidimensionaler Verformungen geeignet ist.

Im Rahmen des Projekts wird ein integriertes Forschungszentrum (IREC) für fortgeschrittene numerische und analytische Analysen der Zuverlässigkeit, Leistung und Lebensdauer bestehender und neuer Bauwerke wie Brücken, Tunnel, Schutzbauwerke des Alpinen Raumes usw. eingerichtet. Das IREC wird darauf abzielen, das Wissen und die Werkzeuge der grenzüberschreitenden Partner von BOKU-IKI und BUT-STM zu integrieren und den Zielgruppen auf beiden Seiten der Grenze einen einheitlichen und effizienten Zugang und Service zu bieten. Diese Synergie wird einen einfachen grenzüberschreitenden Transfer von Lösungen für komplexe Probleme ermöglichen. Im Rahmen der Aktivitäten wird das Zentrum sowohl Wissenstransfer in Form von Seminaren und Veröffentlichungen als auch direkte Anwendungs- und Beratungsaktivitäten für Partner aus Ingenieurbüros und Infrastrukturbetreibern und -eigentümern anbieten. Die gemeinsamen Dienstleistungen, Methoden und Werkzeuge werden intensiviert und an die aktuellen Bedürfnisse der Zielgruppen angepasst und damit für einen optimierten Betrieb des Forschungszentrums nach Projektende vorbereitet.