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Adaptive Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem

Herkömmlich gebaute Spannbetonbrücken können bei einer weiteren Zunahme der Verkehrsbelastung an die Grenzen ihrer Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit stoßen. Als Alternative bieten sich adaptive Tragwerke an, die sich zusätzlicher Belastung anpassen können. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) ließ eine selbstanpassende Spannbetonstruktur mit lernfähigem Fuzzy-Regelungssystem entwickeln.

Das Bild zeigt einen adaptiv vorgespannten Stahlbetonplattenbalken in einer Versuchshalle Adaptiv vorgespannter Stahlbetonplattenbalken (Bild: Institut für Massivbau, Universität Duisburg-Essen)

Aufgabenstellung

Die prognostizierte Zunahme des Schwerlastverkehrs wird in der Zukunft gravierende Einflüsse auf die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Brückenbauwerken zur Folge haben. Im Gegensatz zu herkömmlichen passiven Spannbetonbrücken bieten adaptive Tragwerke die Möglichkeit, sich zusätzlicher Belastung anzupassen. Durch die Nutzung geeigneter Regelungsvorgänge lassen sich kritische Zustände reduzieren oder vermeiden. Eine Übertragung dieses natürlichen Prinzips biologischer Strukturen auf Bauwerke führt somit zu einer Verlängerung der Nutzungs- und Lebensdauer eines Bauwerks. Ziel war deshalb die Entwicklung einer selbstanpassenden Spannbetonstruktur, bei der ausgewählte Tragwerksreaktionen von einem Sensorsystem erfasst und an ein lernfähiges Fuzzy-Regelungssystem übergeben werden. Dieses sollte eine Variierung der erforderlichen Vorspannkraft mittels eines Stellantriebs entsprechend der Beanspruchung ermöglichen.

Untersuchungsmethode

Der Stand der Technik geeigneter Sensortechnologien wurde einer Einschätzung unterzogen sowie Vorteile und Besonderheiten der favorisierten Sensoren und ihrer Anordnung innerhalb des Sensorsystems untersucht. Zudem erfolgte eine Bestimmung der für die Anwendung bei Spannbetonbrücken geeigneten Komponenten eines Stellgliedsystems in einer adaptiven Struktur. Im Mittelpunkt der Machbarkeitsstudie stand der Entwurf eines Systems zur adaptiven Regelung auf der Basis von Fuzzy Logic, die als gut adaptionsfähig bei zugleich hoher Stabilität und Zuverlässigkeit gilt. Dabei wurden auch die zu berücksichtigenden Einflüsse bei Spannbetonbrücken aufgezeigt. Im Rahmen von Laborversuchen fanden Prüfung und Evaluierung der Funktionsfähigkeit zweier Prototypen mit adaptiver externer Vorspannung statt.

Ergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurde ein adaptiv vorgespanntes System entwickelt, bei dem sich das Betontragwerk selbstständig an Änderungen der Beanspruchung anpasst. Durch die Adaptivität werden kritische Beanspruchungszustände vermieden und Verformungen reduziert. Relevante Tragwerksreaktionen werden bei der entwickelten adaptiven Spannbetonstruktur mit einem Sensorsystem erfasst und als Eingangsgrößen an ein lernfähiges Regelungssystem übergeben. Das Regelungssystem ermittelt Stellsignale entsprechend der je nach Beanspruchungszustand erforderlichen Vorspannkraft. Die erforderliche Änderung der Vorspannkraft wird von einem Stellantrieb vorgenommen. Die Funktionsfähigkeit der adaptiven Spannbetonstruktur wurde anhand von Versuchen an zwei Prototypen überprüft. Die experimentellen Untersuchungen einer Aluminiumtraverse und eines Spannbetonbalkens stellten die Machbarkeit unter Beweis. Die Verformungsminimierung bzw. Spannungshomogenisierung als Zielsetzung der Regelung wurde dabei effektiv erreicht. Der Einsatz der Fuzzy Logic erwies sich als belastbar und zuverlässig.

Folgerungen

Die Versuchsergebnisse verdeutlichen das Potenzial der adaptiven Vorspannung für die Anwendung im Brückenbau. Unter Einsatz der Fuzzy Logic wurde eine lernfähige Regelung entworfen, die mit hoher Zuverlässigkeit und Robustheit die vorgegebenen Zielsetzungen bei linearem und nicht linearem Materialverhalten erfüllt. Zusätzlich wurde die Anwendbarkeit der adaptiven Vorspannung zur Verstärkung bestehender Bauwerke demonstriert. Die permanente Erfassung der Messgrößen ermöglicht die automatische Meldung eingetretener Störungen, welche durch Auswertung der gemessenen Tragwerksreaktionen ermittelt werden können. Darüber hinaus kann das verwendete Sensorsystem zur Zustandsüberwachung des Bauwerks genutzt werden.

Forschung kompakt als Download: 18/2014 (PDF, 688KB)

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    Bundesanstalt für Straßenwesen
    Brüderstraße 53
    51427 Bergisch Gladbach
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    Telefon: 02204 43-9101
    Fax: 02204 43-2550
    info@bast.de

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