bauwerksmonitoring als komponente von ... · model the structure and select its failure modes...

Bauwerksmonitoring als Komponente von Lebensdauermanagementsystemen

Harald BUDELMANN, Alexander HOLST, iBMB, TU Braunschweig

Kurzfassung. Im SFB 477 „Bauwerksmonitoring“ an der TU Braunschweig werden Sensoren und Methoden zum Bauwerksmonitoring entwickelt. Monitoring wird in sogenannten prediktiven Bauwerksmanagementsystemen benötigt, um in kritischen Bauwerksbereichen Informationen über die zeitliche Entwicklung von Schädigungsprozessen zu gewinnen und auf deren Grundlage Ort, Art und Zeitpunkt von Maßnahmen planen zu können. Im Rahmen des SFB 477 entwickelte Komponenten von Lebensdauermanagementsystemen sind u.a. eine zuverlässigkeitsbasiertes Identifizierungs- und Beurteilungsmethode für „weak-points“ einer Struktur, Prognoseverfahren für die Vorhersage von Zerstörungsprozessen an Betonbauwerken und schließlich neuartige Sensoren und Methoden zur Überwachung von Stahlbeton und Spannbetonbauwerken. An einem realitätsnahen Versuchsbauwerk einer Spannbetonbrücke werden die Sensoren und Methoden erprobt. Der Beitrag berichtet über die Entwicklungen im SFB 477, wobei der Schwerpunkt auf das Monitoring der Korrosion von Stahl in Beton gelegt wird.

Fachtagung Bauwerksdiagnose 2008 - Vortrag 11Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen und Zukunftsaufgaben

1

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DGZfP, Bauwerksdiagnose, Berlin 2008 - H. BudelmannSFB 477

Harald BudelmannAlexander Holst

Institut für Baustoffe, Massivbau und BrandschutzTU Braunschweig

Bauwerksmonitoring als Komponentevon Lebensdauermanagementsystemen

DGZfP, Bauwerksdiagnose, Berlin 2008 - H. Budelmann 2SFB 477

Lebensdauermanagement

Lebensdauermanagement (LDM) ist eine Methode zu Optimierung von Bauwerken hinsichtlich Sicherheit, Gebrauchstauglichkeit, Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit während der Nutzungsdauer

LDM ist u.a. sinnvoll für Infrastrukturbauwerke, wie Brücken, Kraftwerke, Abfallbehandlungsanlagen, Garagen, Off-shore-Konstruktionen u.a.

LDM Systeme umfassen

Strategie für Erhaltung und Instandsetzung Monitoring zum

Prognose Updating

Zustands-erfassung Prognose der

DegradationLebenszyklus-bemessung


Konzept zur Integrationdes Monitorings in LDM

Frangopol et al. IABMAS ´06

M od el the S truc tu re a nd S elec t its F ai lure M od es

D e velo p L im it S tate E q ua tio ns

In pu t D a ta o n R an do m V a ria bles

C a lcula te R eliab il i ty I nd ex (β ), an d P re dic t i ts T im e V a ria tion

P er form S ens i t iv i ty A n alys is

S elec t M on ito rin g S olut ion

M o ni tor S truc ture to V a lid ate its P red icted

Pe rform a nc e

M o de l A cc urate ?

Mod

ify D

ata o

n R

ando

m

Var

iabl

es

N o

P areto O p tim iz at ion of M ainten an ce O p tio ns

A s se t M an ag er

3. Sensoren, Monitoring Konzepte

LDM Konzept

1. Probabilistische Systemanalyse

2. Prognose der Degradation an„Weak Points“

4. Erprobung an Versuchs-brücke

2


1. Probabilistische Systemanalyse

• Basierend auf Zuverlässigkeitsanalyse

• Identifizierung zuverlässigkeits-relevanter Parameter

• Identifizierung kritischer Bauwerksbereiche (weak points)

• Berechnung der aktuellen Sicherheit

• Prognose des zeitlichen Sicherheitsverlustes

• Grundlage für Optimierung des Monitoring

Monitoring

MonitoringPlan Assessment

of data

FirstReliabilityAnalysis Inspection

Plan

InitialInspection

Modifikation of Probabilistic

Model

Reliability Analysis(Actual State +

Prognosis)

Assessment

Model Calibration

End ofUsability

Probabilistic Model

(Limit-state functions, Fault tree, Stochastic model )

Hosser et al.


p

p0

p(t)

Widerstandsverlust

(Frangopol) time t

structural degradation p0 - p(t)(damage depth)

(foll. Tuutti)

1 23

4

initiation destruction/corrosion

monitoring/prognosis of:penetration of CO2, Cl-acid attack...

monitoring/prognosis of:concrete destruction,steel corrosion

Zerstörungsentwicklung

Limit states: 1 steel depassivation (SLS)2 crack development3 concrete spalling4 failure of member (ULS)

2. Degradationsprognose: Zeitliche Entwicklung


time t

structural degradation p0 - p(t)(damage depth)

(foll. Tuutti)

1 23

4

initiation destruction/corrosion

monitoring/prognosis of:

penetration of CO2, Cl-acid attack...

monitoring/prognosis of:

concrete destruction,steel corrosion

Bemess-ungEinwirkung Widerstand

Transport / Depass. Monitoring / PrognoseIng. Modelle [xc(t); C(x,t)]Transp./Reaktions Modelle Marcov Ketten

2. Degradationsprognose: Zeitliche Entwicklung

Geburts-zertifikatIst-Qualitätweak pointsUnsicherheit

Zustands-beurteilungInspektionLaborErfahrung

Visuelle BeobachtungMonitoring (?)Keine ModelleStart KorrosionVerlauf Korrosion

3


limit state

end of service lifedamage degree

time

destruction-phase

initiation-phase

depassivation

1. MonitoringstufeMonitoring: „Umgebungsschnüffler“

„Stellvertreterkorrosion“Modell: Dauerhaftigkeitsprognose

1.1. 1.1.

2. MonitoringstufeMonitoring: Korrosionsbeginn,

-fortschritt, BruchModell: Bauteilversagensprognose

2.2.

2.2.

2. Degradationsprognose: Stahlkorrosion


Degradation Mechanisms of RC Structures

Steel Corrosion Concrete Corrosion

CarbonationDepassivation

ChlorideDepassivation

PhysicalAttack

ChemicalAttack

Corrosion Propagation

Corrosion Cracking, Spalling

Mechan.

Abrasion Acids

Solving Expand.

SulphateASR

Thermal

FreezingThawingSalt

Probabil.Ingenieurmodelle (Schießl/Gehlen)

BeobachtungEmpir. Rissmodelle

Transport-Reaktion Modelle(Schmidt-Döhl)Marcov-

Ketten

2. Degradationsprognose: Modelle

NBB, Schießl, 2006


pHSO 4

2-

2CO

Mg 2+

NH 4+

Transportprozesse

Chemische Reaktionen

Umgebungsbedingungen

Korrosive Effekte: Treiben, Risse,Festigkeitsverlust,Oberflächenabtrag

Veränderung von Transportparametern

Transportprozesse

Chemische ReaktionenThermodynamik/Kinetik

Modellierung weiter korrosiver Effekte

Veränderung der Porosität,Festigkeit, Transportparameter

Schadstoffausbreitungund Schadensprogression

Baustoffspez. Eingangsdaten

Transreac

2. Degradationsprognose: Modell Transreac

4


Das „Hohe C“U-förmiges Stahlbetonelement (h=3.0 m; b=1.5 m)Biegedruckbeanspr. durch externe Vorspannung,Beaufschlagt mit freier Bewitterung, Säure, Sulfat-,Ammonium- und Chloridlösungen

0

2

4

6

8

10

00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

forecast simulation time in years

carb

onat

ion

dept

h [m

m]

Simulation without adaption

Simulation with adaptionDamage depth measured

Concrete Carbonation

2. Degradationsprognose: Modell Transreac


limit state


time

destruction-phase

initiation-phase

depassivation

limit state


time

destruction-phase

initiation-phase

depassivation

1. MonitoringstufeMonitoring: „Umgebungsschnüffler“

„Stellvertreterkorrosion“Modell: Dauerhaftigkeitsprognose

1.1. 1.1.

2. MonitoringstufeMonitoring: Korrosionsbeginn,

-fortschritt, BruchModell: Bauteilversagensprognose

2.2.

2.2.

2. Degradationsprognose: Stahlkorrosion

Beobachtung eindringender Stoffe(e.g. Feuchte, Cl-Gehalt, pH-Wert)→ Faseropt. Chemo-Sensoren

Beobachtung „stellvertretend“korrodierender Stahlelemente → Drahtsensorik

A

B

CMessung von Reflektion / Resonanz hochfrequenter Ströme → HF-Reflektionsmessung


Bauwerk

z.B.CO2Cl-SO42-NH4+

Faseropt.Sensoren

MoleculareIdentifizierung

OptischeDetektion

3. Neue Sensoren: Faseroptische Chemo-Sensoren

Prinzip

Polymer mit Farbstoff

A

Developed within CRC 477 by Inst. of Highfrequency Tech., TU Braunschweig

5


500 600 700 800

0

2

4

0%0,2%0,5%1%2%4%6%8%10%15%20%

Extin

ktio

nE

Wellenlänge λ

Wassergehalt

nm

Feuchtesensor mit Reichardts Farbstoff(solvatochrom)

3. Neue Sensoren: Faseroptische Chemo-SensorenA


rebar

outer surface

concrete spacer

front backFe-wires SMD-shunt resistors

concrete

sensor board

45 m

m

22 mm

Prinzip: • Dünne Fe-Fäden Ø 0,065...0,5 mm, parallel• Korrosion Drahtbruch Sensor Widerstand R ↑

Typ 1: Drahtsensor für Einbau bei Bauwerksherstellung

Cl– + H2O

3. Neue Sensoren: DrahtsensorikB


cement mortar pegepoxy-sealingsensing plastic boardwith wires in grooves

Ø 18filling grout

• Mörtelhalbzylinder mit innen liegender Platine und Ringnuten

• Ringspalt im Bohrlochmit schwindkomp. Mörtel verfüllt

3. Neue Sensoren: Drahtsensorik

Typ 2: Drahtsensor für Bohrlocheinbau

B

6


100

1000

27.2 24.4 19.6 14.8 9.10 4.12 29.1 25.3 20.5 15.7date

resi

stan

ce R

[ Ω]

-10

0

10

20

30

40

50

tem

pera

ture

T [°

C]temperature (mean 3 days)

sensor 1sensor 2

500

7100 Ω sensor 1

startof NaCl

contamination

concrete

NaClNaCl

ØØwirewire = 0,= 0,065065 mmmm

ΔR

n

wire,i shunt resistor,ii 1

1 1R R R=

=+∑

B 3. Neue Sensoren: Drahtsensorik


Eddy Current

Primary

Current

Magnetic Field HAmplification due to skin effect

Amplification dueto skin effect

Weakening ofprimary current

3. Neue Sensoren: Reflektometrische Spektroskopie

Skin-EffectPrinzip:• HF-Reflektionsmessung• Stromverdrängung an

Leiteroberfläche durchentstehende Wirbelströme

• Reflektion an Korrosionsstellen, da dort lokale, frequenzabhängige Impedanzänderung

Messung:• Breitbandsignal an einem

Stahlende einspeisen• Messung der

Reflektionsintensität und -frequenz

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30frequency [MHz]

refle

ctio

n pa

ram

eter

[dB

]

d=100%, start of corrosiond=96%d=92%d=83% 7 mm wire in

corrosion bath

C


• Spannglied → ungeschirmter Resonator

• Resonanzfrequenzen→ Funktion der Länge

• Frequenzabstände Δf→ Resonatorlänge

rlcf

ε20=Δ

C0:εr:

Lichtgeschwindigkeit im VakuumDielektrizitätszahl des Umgebungsmaterials

Anker

NetzwerkAnalysator

Spannglied

l

0 30 60 90 120 150 180-20

-15

-10

-5

0

820 cm820 cm

820 cm820 cm

23

4 5

1SimulierterBruch

Frequenz [MHz]

I S11

I [dB

]

l=820 cml=620 cml=430 cm

3. Neue Sensoren: Elektromagn. ResonanzmessungC

Vorteile:• Bruchtdetektion / –lokalisierung• Spannglied nur von einem

Ende anzukoppeln• Kein „Abfahren“ d. Spannglieds• Jede Spanngliedlage• keine weiteren Sensoren

7


3. Neue Sensoren: HF-ReflektionsmessungenC

Bauwerkserprobung: Eine Geschichte mit einigen Erfolgen und vielen Rückschlägen


Erdanker

Concerto - vorgespannte Plattenbalkenbrücke (18,5 m lang, 4,0 m breit)- instrumentiert: Platte, 2 Erdanker, 4 Längs- / 12 Querspannglieder- definierte Schwachstellen und Fehler (Verpressmängel,

Brüche, „Chloridtaschen“, nicht vorgespannte Litzen u.a.m.)- Schädigung durch NaCl, NH4SCN, Belastung, Bohren,

Fremdstrom u.a.m.

4. Erprobung an Versuchsbrücke



2x2 Längsspannglieder

Draufsicht mit Lage der Längs- und Querspannglieder

18,5 m512400

150

180

8050

50

200360

588100

2 Erdanker (15m tief)

12 Querspannglieder

8050

Längsschnitt

GOK

8540

0

18 m

170

3030

85 I

II

IVIII

135 135 120

180

125

150

125

KRAGARM FELD

362

1118

0

135

150

blau: Initialinstrumentierung; grün: nachträglicher Einbau

max. 2x4 ext. Spannglieder(Belastung)System

1

2

3

4

11,0m6,0m

13,0m4,0m

5,88m7,12m

17,0m

4,0m

Auflagervarianten

8



Spanngliedeinbau

instrumentiertes Spannglied

instrumentierte Platte

Korrosionssensorik

46134Gesamt

04indukt. Weg828ME-Kraft44LWL-Dehnung

1011LWL-Chemo1012Permittivität (DK)

1475Korrosion 1. Stufe

nachträgl.GesamtzahlSensortyp


Schluss

Methodenerprobung SFB 477

Referenzbauwerk zumMethodenvergleich

1. Probabilistische Schwachstellenanalyse

2. Sensorentscheidung

Time

Damage depth measured

Compared event

without adaptation

Simulation with adaptation

1

3

2

Dam

age

dept

h

Simulation

3. Monitoring + Prognose

4. Up-dating derZuverlässigkeitsanalyse

Bewehrungsversagen(Auflager A) = 0.02 Spannstahlversage

n (Feldmitte) = 0.80

Bewehrungsversagen (Feldmitte) = 0.60

Weitere Komponenten: = 0

Failure of reinforcement(support A), ?=0,02

Failure of prestress. steel(midspan), ?=0,80

Failure of reinforcement(midspan), ?=0,60


Ausblick

NBB, Schießl, 2006

BMBF-Verbundprojekt: „Nachhaltig Bauen mit Beton“ NBBTeilprojekt: Lebensdauermanagementsystem für Stahlbetonbauwerke(Universitäten München, Stuttgart, Braunschweig)

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bauwerksmonitoring als komponente von ... · model the structure and select its failure modes...

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