Lijia Long und Xin Wang überprüfen den Aufbau eines Referenzbauteils

Lijia Long und Xin Wang überprüfen den Aufbau eines mit Ultraschallsensoren und Faseroptik ausgestatteten Referenzbauteils, an dem Messungen zum Bauwerkszustand durchgeführt werden

Quelle: BAM

Innerhalb der Forschung zur Bauwerkssicherheit sind Brücken als wichtiger Bestandteil im Straßennetz von großem Interesse. Wie wirken verschiedene Kräfte und Schwingungen an den einzelnen Stellen einer Brücke? Mit welcher Geschwindigkeit vergrößern sich Risse in der Betonwand? Antworten auf diese Fragen helfen, den Reparaturbedarf zu bestimmen und frühzeitig Prognosen über Alterungsprozesse zu ermitteln. Das wiederum ist hilfreich, um zukünftig Schäden zu vermeiden und die Reparaturkosten zu senken.

Um die wissenschaftlichen Erkenntnisse und Verfahren voranzubringen, spielen auch die Nachwuchsförderung und die Vernetzung des Wissens auf dem Gebiet der Bauwerkssicherheit eine entscheidende Rolle. Die Europäische Union fördert innerhalb des Programms Horizon 2020 den Austausch zwischen jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern. Rund 3,2 Millionen Euro stehen für das als INFRASTAR betitelte Projekt zur Verfügung. Über INFRASTAR wird die Forschungsarbeit von zwölf Promovierenden aus fünf Ländern unterstützt. Sie nehmen unter anderem an multidisziplinären, intersektoralen - also private und öffentliche Wirtschaftsbereiche einbeziehende - Schulungen teil. Dort können die Doktorandinnen und Doktoranden ihre umfassenden Kenntnisse über das Erhaltungsmanagement der gebauten Infrastruktur vertiefen und austauschen. Lijia Long, Doktorandin in der Abteilung Bauwerkssicherheit, und Xin Wang, Doktorand im Fachbereich Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Umweltmessverfahren, sind Teil des INFRASTAR-Netzwerks.

Xin Wang bereitet mit Kolleginnen und Kollegen die Messtechnik an einer Referenzbrücke vor

Xin Wang bereitet mit seinen Kolleginnen und Kollegen die Messtechnik an der Referenzbrücke im Projekt BLEIB (Bewertung, Lebensdauerprognose und Instandsetzung von Brückenbauwerken) auf dem BAM Testgelände Technische Sicherheit in Horstwalde vor.

Quelle: links: BAM, Fachbereich Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Umweltmessverfahren; rechts: privat (Blog Xin Wang)

Mit Coda-Wellen und Baumdiagrammen Schäden in Bauwerken finden

Ultraschallmessungen an Bauwerken bieten den Vorteil, dass die in den Beton eingesetzten Ultraschallsensoren den Zustand eines Bauwerks kontinuierlich überwachen und auch von außen nicht sichtbare Fehler erfassen. An der Entwicklung innovativer Ultraschall-Netzwerke zur Bauwerksüberwachung wirkt an der BAM Doktorand Xin Wang mit.

Bei der Abbildung der direkten Ultraschall-Welle sind Veränderungen zwischen geschädigtem und intaktem Bauwerk, die auf eine Schädigung hinweisen, mitunter nicht zu erkennen. Jedoch wird der Wellenzug, der der direkten Ultraschallwelle nachfolgt, selbst an einer kleinen Uneinheitlichkeit im Material ungeordnet abgelenkt. Dadurch wird seine Ankunft an den Messpunkten verzögert. Dieser Wellenzug, die sogenannte „Coda-Welle“, liefert mittels der empfindlichen Coda-Wellen-Interferometrie relevante Informationen über den Bauwerkszustand. „Mit Hilfe dieser Methode können feine und sich anbahnende Schäden eines Bauwerks frühzeitig erkannt werden“, beschreibt Xin Wang den Vorteil dieser Methode zusammenfassend.

Welchen Mehrwert die Bauwerksüberwachung mit moderner Messtechnik im Detail besitzt, bestimmt die Doktorandin Lijia Long in der Abteilung Bauwerkssicherheit. Anhand von Wahrscheinlichkeitsberechnungen für verschiedene Vorgehensweisen werden Kosten-Nutzen-Aussagen über den Einsatz von moderner Messtechnik zur Schadensermittlung aufgestellt. „Die Aussagen dienen als Entscheidungshilfe, welches Messverfahren geeignet ist und zu welchem Zeitpunkt das Monitoring und Maßnahmen, wie beispielsweise eine Reparatur am Bauwerk, besonders sinnvoll sind“, so die hierzu forschende Doktorandin.

Xing Wang und Lijia Long zusammen mit Dr. Ernst Niederleithinger

Xing Wang und Lijia Long richten zusammen mit Dr. Ernst Niederleithinger, Leiter des INFRASTAR-Teilprojekts „Messtechniken zur Prüfung und Überwachung von Bauwerken“, einen Messstand zur zerstörungsfreien Prüfung einer Betonkonstruktion ein.

Quelle: BAM

Gemeinsam mehr erforschen

Für ihre Forschungsarbeit liefert ihnen INFRASTAR hilfreiche Impulse. „Durch die Trainings und Forschungsaufenthalte bei den Projektpartnern ergeben sich spannende Ideen für gemeinsame Forschungsvorhaben“, erklärt Lijia Long diesbezüglich. Forschungsberichte werden so nicht selten in internationalen, multidisziplinären Gruppen erarbeitet. Um Schäden eindeutig zu erfassen, ist es außerdem meist erforderlich, die Messungen mehrerer physikalischer Größen miteinander zu verknüpfen. „Die Coda-Wellen-Interferometrie erfasst, wenn sich Brüche im Bauwerk bilden. Faseroptische Sensoren dagegen können die Position dieser Brüche identifizieren. Führt man die Methoden zusammen, kann die Aussagefähigkeit der beiden Methoden kombiniert werden“, schildert Xin Wang.

Durch die Gastaufenthalte und Trainingsworkshops trägt die BAM auch zur Ausbildung der anderen Doktorandinnen und Doktoranden bei. Dr. Ernst Niederleithinger aus dem Fachbereich Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Umweltmessverfahren ist Leiter des INFRASTAR-Teilprojekts „Monitoring and Ascultation“ und vermittelt in Schulungen Wissen zur Überwachung und zerstörungsfreien Prüfung von Bauwerken. Für die gemeinsame Forschung wird dabei zum Beispiel auch die modellhafte „Referenzbrücke“ aus dem BAM-Projekt BLEIB (Bewertung, Lebensdauerprognose und Instandsetzung von Brückenbauwerken) auf dem BAM Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) in Horstwalde genutzt. In ihren Blogs berichten die beiden Promovierenden zudem über ihre Erfahrungen als Nachwuchsforschende und über das Projekt INFRASTAR. Lijia Long möchte mit ihrem Blog übrigens nicht nur informieren, sondern auch andere junge Menschen motivieren, in der Wissenschaft tätig zu werden.

Über INFRASTAR

Das Projekt „Innovation and Networking for Fatigue and Reliability Analysis of Structures - Training for Assessment of Risk“ (INFRASTAR) bietet innovatives, multidisziplinäres und intersektorales Training für junge Forschende im Bereich Asset Management für die gebaute Infrastruktur. Der Fokus liegt auf der Vorhersage des Verhaltens von Betonkonstruktionen bei Ermüdung. Dabei behandelt INFRASTAR zwei repräsentative Bauwerkstypen: Brücken sowie Türme und Fundamente von Windenergieanlagen.

Ziel des Projektes ist es, Forschungsnachwuchs auszubilden. Zwölf Doktorandinnen und Doktoranden in fünf Ländern werden gefördert. INFRASTAR hilft zudem bei der Verlängerung der Lebenszeit von Bauwerken, der Kostenreduktion im Betrieb und liefert risikobasierte lebensdauerbezogene Methoden für den Entwurf zukünftiger Bauwerke.

Dieses Projekt wird von der Europäischen Union im Rahmen des Programms Horizon 2020 durch das Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 676139 gefördert.

Laufzeit: 01.05.2016-30.04.2020