Sensorgestützte Prognose des Tragfähigkeitsverlusts von Stahlbetonbrückenpfeilern nach einem Erdbeben
Publication date
2026-06-24
Document type
Dissertation
Author
Bauer, Anna
Advisor
Referee
Fehling, Ekkehard
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität/Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2026-05-21
Organisational unit
Publisher
Universitätsbibliothek der HSU/UniBw H
Part of the university bibliography
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File(s)
Language
German
Keyword
Structural Health Monitoring
Brücke
Erdbeben
Abstract
Deutschland ist ein Gebiet mit niedrig bis mittlerer Seismizität. Jedoch gilt die Niederrheinische Bucht als eines der seismisch aktivsten Gebiete nördlich der Alpen und weist aufgrund der hohen Bevölkerungs- und Industriedichte ein erhöhtes Risiko für Erdbeben auf. Daher ist die Überwachung von kritischen Infrastrukturen sinnvoll, damit im Falle eines Erdbebens eine schnelle Zustandsbewertung durchgeführt werden kann. Der Zustand von Brücken stellt im Erdbebenfall einen wichtigen Punkt für die Einsatzplanung der Rettungskräfte dar. Jedoch wurde bei vielen Bestandsbrücken bei der Auslegung der Lastfall Erdbeben nicht berücksichtigt. Durch die Installation eines Monitoring-Systems können kritische Brücken überwacht werden und deren Zustand nach einem Erdbeben festgestellt werden. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur schnellen Zustandsbewertung von Brücken nach einem Erdbeben in Deutschland.
Anhand bereits vorhandener Literatur wurden die typischen Erdbebenschäden an Brücken identifiziert und die maßgebenden Schäden für Gebiete mit niedriger bis mittlerer Seismizität herausgearbeitet. Es wurden schadenssensitive Kennwerte aus der Literatur ermittelt und auf die Anwendbarkeit für die zu entwickelnde Methode geprüft. Als schadenssensitive Kennwerte wurde die Relativverschiebung zwischen Stützenkopf und Stützenfuß sowie die Änderung der Eigenfrequenz gewählt. Die Schadenserkennung und -bewertung an den Lagern kann über die Überwachung der Relativverformungen realisiert werden. Überschreiten diese Werte die zulässigen Werte muss von einem Versagen des Lagers ausgegangen werden.
Für die Bewertung der Pfeiler wurde eine Methode entwickelt, die in die schnelle Schadensbewertung nach Erdbeben integriert werden kann und die Reduktion der Tragfähigkeit des Pfeilers prognostiziert. Dazu wird der Pfeiler als Einzelstabsystem abgebildet. Über ein Stabmodell mit nicht-linearen Materialverhalten werden die Dehnungen entlang des Stabes ermittelt, die durch die gemessenen relative Kopfverschiebung entstehen. Anhand der Dehnungen wird ein Schädigungsparameter ermittelt, der auf der Sekantensteifigkeit des Betons beruht. Die Schädigung wird für die Berechnung der maximalen Spannung des Betons genutzt. Die maximale Spannung wurde als der Schnittpunkt einer Gerade, deren Steigung gleich der reduzierter Sekantensteifigkeit ist, mit der gewählten Spannungs-Dehnungs-Kurve des Betons definiert. Bei Bedarf kann mit der Schädigung auch die Reduktion in den Eigenfrequenzen prognostiziert werden. Da die Eigenfrequenzen als schadenssensitiver Kennwert weit verbreitet sind, wurde die obige Methode, um ein Aktualisierungsschema erweitert, das die Nutzung der Reduktion in den Eigenfrequenzen als Eingangswert ermöglicht.
Die Methode wurde auf zwei Rütteltischversuche der University of Reno, Nevada angewandt und mit den gemessenen Ergebnissen verglichen. Es handelte sich bei diesen Versuchen, um eine Stahlbetonstütze mit Kopfmasse im Maßstab 1:1 und eine zweifeldrige Spannbetonbrücke im Maßstab 1:4. Für beide Versuche konnte unter Anwendung der Methode und den relativen Kopfverschiebungen als Eingangswert die Reduktion in den Eigenfrequenzen ausreichend genau bestimmt werden. Bei der Verwendung der Reduktion der Eigenfrequenzen als Eingangswert konnte an der Einzelstütze die zugehörige relative Kopfverschiebung prognostiziert werden, bei der zweifeldrigen Spannbetonbrücke war dies aufgrund der geringen Anzahl an durch die Schädigung betroffenen Eigenfrequenzen nicht immer im zufriedenstellenden Maß möglich. Die Reduktion der Tragfähigkeit zeigte bei der Einzelstütze nur geringe Unterschiede zwischen der Verwendung der relativen Kopfverschiebung und der Reduktion der Eigenfrequenzen. Aufgrund von Konvergenzproblemen bei der Berechnung der reduzierten Tragfähigkeit war die Auswertung bei der zweifeldrigen Spannbetonbrücke nicht eindeutig möglich.
Zur Validierung der Methode wurde die Talbrücke Eisern, die für den Sprengabbruch gezielt im Fußbereich vorgeschwächt wurde, mit Messtechnik ausgestattet. Es wurden sowohl Beschleunigungs- sowie Neigungssensoren über die Pfeilerhöhe angebracht. Die Messtechnik wurde zwei Wochen vor Verkehrsumlegung am Brückenpfeiler angebracht, um den Ausgangszustand zu erfassen. Der Abbau erfolgte eine Woche vor der Sprengung. Aus den Messergebnissen konnte eine Reduktion der Eigenfrequenzen des Pfeilers in Brückenlängsrichtung (schwache Achse) erkannt werden. Die Reduktion der Biegesteifigkeit des Pfeilers in Brückenquerrichtung (starke Achse) war augenscheinlich nicht ausreichend, um über die Reduktion in den Eigenfrequenzen erkannt zu werden. Unter der Verwendung der gemessenen Reduktion der Eigenfrequenzen konnte mit der entwickelten Methode die Reduktion der Biegesteifigkeit am Pfeilerfuß prognostiziert werden. Trotz Überschätzung der reduzierten Biegesteifigkeit bei der Prognose konnte gezeigt werden, dass die Methode auch im Feldversuch zufriedenstellende Ergebnisse liefert.
Anschließend wurde die Methode auf einen Brückenpfeiler angewandt, der an einen Pfeiler einer Brücke in einem deutschen Erdbebengebiet angelehnt war. Durch eine konservative Abschätzung wurden für die in Deutschland auftretenden Erdbebenintensitäten die relativen Kopfverschiebungen ermittelt. Unter Verwendung verschiedener Betongüten konnte gezeigt werden, dass es für den untersuchten Pfeiler bei den in Deutschland auftretenden Erdbebenintensitäten zu einer Reduktion der Tragfähigkeit kommt.
Für die schnelle Schadensprognose im Falle eins Erdbebens ist eine verständliche und einfache Darstellung der Ergebnisse unerlässlich. Bereits existierende BIM Modelle wurden dazu vorab um die Objekte des geplanten Monitoringsystems (SHM Objekte) erweitert. Um die nahezu Echtzeit-Daten des Monitoringsystems mit den digitalen Bauwerksmodellen zu koppeln, wurde die kommerzielle BIM Management Software Desite md verwenden. Dazu wurden die SHM Objekte mit weiteren Attributen versehen. Über die programm-interne Schnittstelle konnten die SHM Daten mit dem Modell gekoppelt werden. Eine in der Software integrierten Funktion ermöglichte es, die Bauteile bzw. die SHM Objekte in Bezug auf ihren Zustand einzufärben. Im Falle eines Erdbebens können somit mögliche Schäden schnell erkannt werden.
Anhand bereits vorhandener Literatur wurden die typischen Erdbebenschäden an Brücken identifiziert und die maßgebenden Schäden für Gebiete mit niedriger bis mittlerer Seismizität herausgearbeitet. Es wurden schadenssensitive Kennwerte aus der Literatur ermittelt und auf die Anwendbarkeit für die zu entwickelnde Methode geprüft. Als schadenssensitive Kennwerte wurde die Relativverschiebung zwischen Stützenkopf und Stützenfuß sowie die Änderung der Eigenfrequenz gewählt. Die Schadenserkennung und -bewertung an den Lagern kann über die Überwachung der Relativverformungen realisiert werden. Überschreiten diese Werte die zulässigen Werte muss von einem Versagen des Lagers ausgegangen werden.
Für die Bewertung der Pfeiler wurde eine Methode entwickelt, die in die schnelle Schadensbewertung nach Erdbeben integriert werden kann und die Reduktion der Tragfähigkeit des Pfeilers prognostiziert. Dazu wird der Pfeiler als Einzelstabsystem abgebildet. Über ein Stabmodell mit nicht-linearen Materialverhalten werden die Dehnungen entlang des Stabes ermittelt, die durch die gemessenen relative Kopfverschiebung entstehen. Anhand der Dehnungen wird ein Schädigungsparameter ermittelt, der auf der Sekantensteifigkeit des Betons beruht. Die Schädigung wird für die Berechnung der maximalen Spannung des Betons genutzt. Die maximale Spannung wurde als der Schnittpunkt einer Gerade, deren Steigung gleich der reduzierter Sekantensteifigkeit ist, mit der gewählten Spannungs-Dehnungs-Kurve des Betons definiert. Bei Bedarf kann mit der Schädigung auch die Reduktion in den Eigenfrequenzen prognostiziert werden. Da die Eigenfrequenzen als schadenssensitiver Kennwert weit verbreitet sind, wurde die obige Methode, um ein Aktualisierungsschema erweitert, das die Nutzung der Reduktion in den Eigenfrequenzen als Eingangswert ermöglicht.
Die Methode wurde auf zwei Rütteltischversuche der University of Reno, Nevada angewandt und mit den gemessenen Ergebnissen verglichen. Es handelte sich bei diesen Versuchen, um eine Stahlbetonstütze mit Kopfmasse im Maßstab 1:1 und eine zweifeldrige Spannbetonbrücke im Maßstab 1:4. Für beide Versuche konnte unter Anwendung der Methode und den relativen Kopfverschiebungen als Eingangswert die Reduktion in den Eigenfrequenzen ausreichend genau bestimmt werden. Bei der Verwendung der Reduktion der Eigenfrequenzen als Eingangswert konnte an der Einzelstütze die zugehörige relative Kopfverschiebung prognostiziert werden, bei der zweifeldrigen Spannbetonbrücke war dies aufgrund der geringen Anzahl an durch die Schädigung betroffenen Eigenfrequenzen nicht immer im zufriedenstellenden Maß möglich. Die Reduktion der Tragfähigkeit zeigte bei der Einzelstütze nur geringe Unterschiede zwischen der Verwendung der relativen Kopfverschiebung und der Reduktion der Eigenfrequenzen. Aufgrund von Konvergenzproblemen bei der Berechnung der reduzierten Tragfähigkeit war die Auswertung bei der zweifeldrigen Spannbetonbrücke nicht eindeutig möglich.
Zur Validierung der Methode wurde die Talbrücke Eisern, die für den Sprengabbruch gezielt im Fußbereich vorgeschwächt wurde, mit Messtechnik ausgestattet. Es wurden sowohl Beschleunigungs- sowie Neigungssensoren über die Pfeilerhöhe angebracht. Die Messtechnik wurde zwei Wochen vor Verkehrsumlegung am Brückenpfeiler angebracht, um den Ausgangszustand zu erfassen. Der Abbau erfolgte eine Woche vor der Sprengung. Aus den Messergebnissen konnte eine Reduktion der Eigenfrequenzen des Pfeilers in Brückenlängsrichtung (schwache Achse) erkannt werden. Die Reduktion der Biegesteifigkeit des Pfeilers in Brückenquerrichtung (starke Achse) war augenscheinlich nicht ausreichend, um über die Reduktion in den Eigenfrequenzen erkannt zu werden. Unter der Verwendung der gemessenen Reduktion der Eigenfrequenzen konnte mit der entwickelten Methode die Reduktion der Biegesteifigkeit am Pfeilerfuß prognostiziert werden. Trotz Überschätzung der reduzierten Biegesteifigkeit bei der Prognose konnte gezeigt werden, dass die Methode auch im Feldversuch zufriedenstellende Ergebnisse liefert.
Anschließend wurde die Methode auf einen Brückenpfeiler angewandt, der an einen Pfeiler einer Brücke in einem deutschen Erdbebengebiet angelehnt war. Durch eine konservative Abschätzung wurden für die in Deutschland auftretenden Erdbebenintensitäten die relativen Kopfverschiebungen ermittelt. Unter Verwendung verschiedener Betongüten konnte gezeigt werden, dass es für den untersuchten Pfeiler bei den in Deutschland auftretenden Erdbebenintensitäten zu einer Reduktion der Tragfähigkeit kommt.
Für die schnelle Schadensprognose im Falle eins Erdbebens ist eine verständliche und einfache Darstellung der Ergebnisse unerlässlich. Bereits existierende BIM Modelle wurden dazu vorab um die Objekte des geplanten Monitoringsystems (SHM Objekte) erweitert. Um die nahezu Echtzeit-Daten des Monitoringsystems mit den digitalen Bauwerksmodellen zu koppeln, wurde die kommerzielle BIM Management Software Desite md verwenden. Dazu wurden die SHM Objekte mit weiteren Attributen versehen. Über die programm-interne Schnittstelle konnten die SHM Daten mit dem Modell gekoppelt werden. Eine in der Software integrierten Funktion ermöglichte es, die Bauteile bzw. die SHM Objekte in Bezug auf ihren Zustand einzufärben. Im Falle eines Erdbebens können somit mögliche Schäden schnell erkannt werden.
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