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Intelligente Bauwerke – Prototyp zur Ermittlung der Schadens- und Zustandsentwicklung für Elemente des Brückenmodells
BASt-Bericht B 117
Ronald Schneider, Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung, 7. Bauwerkssicherheit, Berlin, Maximilian Bügler, André Borrmann, Technische Universität München, Lehrstuhl für Computergestützte Modellierung und Simulation
Johannes Fischer, Daniel Straub, Technische Universität München, Fachgebiet Risikoanalyse und Zuverlässigkeit
Sebastian Thöns, Technical University of Denmark, CERDA - Civil Engineering Risk and Decision Analysis
Dieser Bericht ist nur in digitaler Form erhältlich, 73 Seiten
Erscheinungsjahr: 2015
Preis: 00,00 €
Dieser Bericht steht kostenfrei ausschließlich im elektronischen BASt-Archiv ELBA zur Verfügung.
Dieser Bericht beschreibt ein Systemmodell für eine integrale Ermittlung und Prognose der Schadens- und Zustandsentwicklung der Elemente eines Brückensystems unter Berücksichtigung von Erbnissen aus Inspektionen und Überwachung. Das Systemmodell wurde anhand eines ausgesuchten Spannbetonüberbaus in einzelliger Kastenbauweise entwickelt. Es besteht aus zwei integralen Teilmodellen: ein Modell zur Beschreibung des Systemschädigungszustandes und ein Modell zur Beschreibung der Standsicherheit.
Für die Modellierung des stochastischen Systemschädigungszustandes eines Brückensystems werden dynamische Bayes’sche Netze (DBN) vorgeschlagen. Dieser Ansatz ermöglicht es, alle relevanten Schädigungsprozesse und deren stochastische Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Ein wesentlicher Vorteil dieses Ansatzes ist es, dass DBN ideal dafür geeignet sind, Bayes’sche Aktualisierungen auf Grundlage von Informationen aus Inspektionen und Überwachungsmaßnahme auf eine effiziente und robuste Art und Weise durchzuführen. Der DBN-Ansatz ist deshalb für die Entwicklung von Software für das Erhaltungsmanagement von alternden Brückenbauwerken, die vom Benutzer keine vertieften Kenntnisse der Zuverlässigkeitstheorie verlangt, ideal geeignet.
Für die Modellierung der Standsicherheit eines alternden Kastenträgers wird vereinfachend Biegeversagen des globalen Längssystems betrachtet. Zur Berechnung der maximalen Traglast eines Kastenträgers infolge des Systemschädigungszustandes wird ein plastisch-plastisches Verfahren eingesetzt, wobei die Beanspruchungen mittels der Fließgelenktheorie unter Ausnutzung der plastischen Beanspruchbarkeit der Querschnitte des Kastenträgers ermittelt werden. Ein Kastenträger versagt, wenn sich durch die Ausbildung einer ausreichend großen Anzahl von Fließgelenken eine kinematische Kette ausbildet. Dieser Modellierungsansatz berücksichtigt Redundanzen, die sich aus der plastischen Beanspruchbarkeit der Querschnitte und der statischen Unbestimmtheit eines Kastenträgers ergeben.
Zum Nachweis der praktischen Einsetzbarkeit des entwickelten Systemmodells wurde ein Software-Prototyp entwickelt, der eine intuitiv benutzbare graphische Benutzeroberfläche (Front-End) mit einem Berechnungskern (Back-End) koppelt. Die aktuelle Version des Software-Prototyps implementiert ein Modell der chloridinduzierten Bewehrungskorrosion und ein Tragwerksmodell, welches das Verfahrens der stetigen Laststeigerung zur Bestimmung der maximalen Traglast des Kastenträgers auf der Grundlage eines Finite-Elemente-Modells umsetzt. Zur Durchführung von Bayes’schen Aktualisierungen des Systemschädigungszustandes auf der Grundlage des DBN-Modells implementiert der Prototyp den Likelihood-Weighting-Algorithmus. Die entwickelte Architektur des Prototyps ermöglicht eine Erweiterung der Software um weitere Schädigungsprozesse.
Der entwickelte Software-Prototyp ermöglicht Benutzern ohne vertiefte Kenntnisse der Zuverlässigkeitstheorie eine Berechnung des Einflusses von Bauwerksinformationen auf den Systemschädigungszustand und die Tragsicherheit eines Kastenträgers. Auf dieser Grundlage können effiziente Inspektions- und Überwachungsmaßnahmen identifiziert und das Erhaltungsmanagement optimiert werden.
Smart bridge - Prototype for assessing and updating the condition state and reliability of elements of the bridge model
This report describes a system model for assessing and updating the condition state and reliability of bridge structures utilizing inspection and monitoring data. The system model was developed on the basis of an existing continuous single-cell prestressed concrete box girder. The system model consists of two integrated sub-models: a condition model for predicting the deterioration state of the box girder and a structural model for evaluating the overall system reliability.
To model the stochastic deterioration state of bridge structures, we utilize dynamic Bayesian networks (DBN). DBN are a computational frame-work suitable for modeling all relevant stochastic deterioration processes and their stochastic dependencies. Bayesian updating of stochastic deterioration models with monitoring and inspections data can be performed robustly and efficiently on the basis of DBN. The DBN framework is therefore ideally suited for developing software for the management of deteriorating structures that can be applied by engineers who are not experts in reliability analysis.
We adopt a simplified approach which considers global bending failure of the box girder to determine the system failure probability of an aging box girder. The ultimate capacity of a box girder conditional on a certain system deterioration state is estimated on the basis of plastic hinge theory. System failure occurs if sufficient plastic hinges develop under the applied loads such that a kinematic collapse mechanism of the continuous box girder is formed. This approach accounts for structural redundancies of the continuous box girder with respect to its plastic cross-sectional capacity and its static indeterminacy.
To prove the concept, a software prototype has been developed which couples an easy-to-use graphical user interface (front-end) with a computational engine (back-end). The current version of the prototype implements a model of chloride-induced reinforcement corrosion and a structural model which performs the plastic limit analysis for determining the ultimate capacity of the box girder on the basis of a finite element model. The prototype implements the likelihood weighting algorithm to perform Bayesian updating of the deterioration state on the basis of the DBN model. The devel-oped software architecture allows an extension of the software to include further deterioration process.
The developed software prototype provides the functionality for quantifying the effect of inspection and monitoring data on the condition state and reliability of a single-cell prestressed concrete box girder. It can be applied by engineers who are not experts in reliability analysis. It can be concluded that the current prototype provides the basis for identifying efficient inspection and monitoring strategies and optimizing the management of aging structures.