Bewertung des Bauwerkzustandes

Mit den vorgesehenen Experimenten und den entsprechenden Modellen sollen Konzepte für die Charakterisierung und Bewertung des Baustoffzustandes und der Alterung von Bauwerken entwickelt werden. Dies können wiederum Modellgleichungen sein, mit denen die Qualität bzw. der Qualitätsverlust bei gegebenen Einwirkungen integral erfasst wird. Alternativ hierzu können fallabhängige Diagramme zur Quantifizierung der Alterung oder des Einflusses der Alterung auf die Qualität des Baustoffes entwickelt werden. Aufgrund der Abweichung realer Baustoffeigenschaften von Standardwerten sind statistische Verteilungen der Modellparameter in den Modellgleichungen sowie realistische Zeitreihen zu berücksichtigen. Für die Bewertung der Alterung und des Materialzustandes erscheinen folgende Kenngrößen sinnvoll: "Technische Qualität, Dauerhaftigkeit, Zuverlässigkeit, Restnutzungsdauer und wirksames Alter".

Das wirksame Alter skaliert bei jungem Beton den Erhärtungsprozess, um unterschiedliche Bauteiltemperaturen infolge Hydratation, Witterungsbedingungen bzw. Nachbehandlungen berücksichtigen zu können. Für die Karbonatisierung sowie für die Korrosion der Bewehrung sind in Heft 510 [w.50] vergleichbare Ansätze verwirklicht. Das "wirksame Alter" tW für Baustoff und Tragwerk skaliert hier die während der Nutzung ablaufende Zustandsveränderung auf die fiktiv erreichbare "technische Lebensdauer" tL. Die technische Lebensdauer kann mit Erhaltungsmaßnahmen vergrößert werden, sodass das wirksame Alter entsprechend reduziert wird. Das Alter ist eine verallgemeinerte Kenngröße, die den momentanen Degradationszustand infolge der verschiedenen Prozesse integral beschreibt.

Das Alter entwickelt sich planmäßig (A0) von 0 bis zum maximal möglichen Wert von 1,0. Die Entwicklung kann linear, degressiv oder progressiv (A1) sein. Extremereignisse zur Zeit tX bewirken einen spontanen Anstieg des Alters. Erhaltungsmaßnahmen zur Zeit tE verringern den Gradienten (A2). Eine Reduktion des Alters bzw. eine "Verjüngung" ist bei Revitalisierungsmaßnahmen möglich, wenn Bauteile oder Oberflächenschutzsysteme ausgetauscht werden.

Dis-2 Dissertationsthemen zum Thema "Bewertungskonzepte"

Dis-2.1) Entwicklung eines Bewertungskonzeptes für die Alterung von Bauwerken

(Dinkler, Empelmann)

Stahlbetonbauwerke unterliegen während ihrer Nutzungsdauer unterschiedlichen chemischen und physikalischen Einwirkungen, die den Zustand des Baustoffs dauerhaft verändern können. Die Zustandsänderungen können mit einem Zuverlässigkeitsindex bewertet werden, der eine integrale Bewertung des Baustoffs nach Eurocode 0 zulässt.

Ziel des Projektes ist ein Bewertungskonzept für die Qualitätsentwicklung und die Alterung von Stahlbetonbauwerken unter chemischem Angriff, das exemplarisch für den Fall der gut verstandenen Karbonatisierung und Chloridbindung erprobt werden soll. Der Bewertungsansatz soll die während der Nutzung auftretenden Degradationsprozesse mit dem Idealzustand vergleichen, sodass eine Einstufung der Zustandsentwicklung bezüglich der verschiedenen Ebenen "Baustoff" und "Tragwerk" mit Bezug zur Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit möglich ist. Ergebnis sind gewichtete Kenngrößen, mit denen Qualität und Alterung beschreibbar sind. In einem zweiten Schritt soll die Auswirkung der Degradation auf die Entwicklung anderer Prozesse bewertet werden. Dies betrifft z. B. die Deformation, die Transporteigenschaften und die Korrosion des Bewehrungsstahls. Hier sind die Gradienten der Entwicklung der Materialeigenschaften als Folge der Degradation von Interesse, damit eine Bewertung der Materialentwicklung und deren Einfluss auf das Tragwerksverhalten möglich wird.

Modelle und Modellparameter sollen an dem vor Ort vorhandenen Modellbauwerk "Concerto" aus dem SFB 477 "Bauwerkserhaltung" sowie an Materialproben einer für den Rückbau vorgesehenen Spannbetonbrücke in Braunschweig exemplarisch validiert werden.

Dis-2.2) Entwicklung einer Bewertungsmethodik für Modellsensitivitäten, optimale Identifikations-Experimente

(Matthies, Dinkler, Thiele)

Die Beschreibung und Modellierung von Alterungs- bzw. Degradationsprozessen ist stets mit Unsicherheiten verbunden. Neben den nicht reduzierbaren Unsicherheiten, deren Ursache zufällige Prozesse sind und die in der Natur begründet liegen, werden Unsicherheiten unter anderem auch durch die modellhafte Beschreibung der ablaufenden Degradationsprozesse verursacht. So zeigen beispielhaft Sensitivitätsstudien zur chloridinduzierten Bewehrungskorrosion von Beton, dass Material- bzw. Widerstandseigenschaften herstellungsbedingt stark schwanken können. Somit kann eine zuverlässige Modellierung nur bauwerksspezifisch erfolgen und auch nur dann, wenn sie am Bauwerk gewonnene Daten verwendet. Da je nach Komplexität des betrachteten Bauwerks unterschiedlich detaillierte Modelle sinnvoll sein können, soll in diesem Forschungsvorhaben eine Methodik entwickelt werden, die es erlaubt, eine Abschätzung der Sensitivität von Modellen gegenüber unsicheren Daten vornehmen zu können.

Nicht jede Messung bzw. jedes Experiment liefert jedoch den gleichen Beitrag an Informationen. Unter einer Bayes´schen Sicht der Identifikation kann man daher den Informationsgewinn probabilistisch quantifizieren und als Änderung der Kullback-Leibler-Divergenz beschreiben. Dies wiederum ermöglicht es, die Messung im Hinblick auf den Informationsgewinn zu optimieren. Die Optimierung erfolgt dabei in sehr hochdimensionalen Räumen, sodass hier neue Verfahren der Darstellung und der damit möglichen Optimierung entwickelt werden müssen.

Dies soll dazu benutzt werden, Ort und Anzahl von Messungen, Beobachtungsintervalle etc. mit Blick auf den Informationsgewinn zu optimieren. Dem Informationsgewinn gegenüber stehen die Kosten bzw. der Aufwand der Messung, was bei der Optimierung berücksichtigt werden sollte. Klassische Bayes´sche Identifikationsverfahren sind an sich schon sehr aufwändig, eine darauf aufsetzende Optimierung ist in der Vergangenheit häufig nur für akademische Omniprobleme möglich gewesen. Auf der Grundlage von Identifikationsverfahren, welche die spektrale Approximation nutzen, soll in dieser Dissertation auch die Optimierung in dieser Richtung numerisch effizient gestaltet werden.

Dis-2.3) Ermittlung signifikanter Indikatoren für die Alterung von Baustoffen

(Matthies, Budelmann, Thiele)

Alterung von Baustoffen (Beton, Stahl, Holz) ist am realen Bauwerk nicht immer leicht zu erkennen, wenn schwer einsehbare Bauteile korrodieren oder flächige Abdeckungen die tragenden Teile abdecken. Ein anderer Aspekt der Unsicherheit sind die meist nicht genau bekannten mechanischen Eigenschaften der Baustoffe beim Einbau (Naturstoffe, bzw. Herstellung vor Ort), sowie die meist nur ungenau bekannte Alterungshistorie. So ist bereits der wirkliche Zustand der Bauteile nach Fertigstellung eines Bauwerks in der Regel unbekannt, allerdings für die Analyse und Bewertung der Alterungsprozesse von großer Wichtigkeit. Die Identifizierung der Baustoff- und Tragwerkseigenschaften ist prinzipiell möglich, kann aber unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Messverfahren und Messgrößen oft nur mittelbar oder global erfolgen: eine eindeutige Ermittlung des Materialzustandes bzw. der tatsächlich für eine Alterung maßgeblichen Parameter lässt sie nicht immer zu. An einem bestehenden Bauteil können außerdem keine zerstörenden Messverfahren eingesetzt werden.

Die Unsicherheiten des Wissens lassen sich mit probabilistischen Methoden beschreiben und für die Bewertung des Bauwerkzustandes heranziehen, wenn die stochastische Beschreibung der Eigenschaften über die Lebensdauer eines Bauteils fortgeschrieben wird. Beobachtungen und Messungen am Bauteil, welche in einem Zusammenhang mit den beschriebenen Eigenschaften stehen, können in einem Bayes´schen Sinne zu einer verbesserten Beschreibung verwendet werden, wenn sowohl der Ausgangszustand als auch die Beobachtungen und Messungen ihrem Informationsgehalt entsprechend eingesetzt werden.

Betrachtet man das in stochastischer Weise beschriebene Wissen über die Baustoffkennwerte im zeitlichen Verlauf, was mittels Bayes´scher Verfahren erfolgen kann, so sollen zum einen ein relevantes und statistisch signifikantes Messprogramm formuliert und zum anderen die optimalen Zeitpunkte der Prüfung des Baustoffes im Hinblick auf Alterung ermittelt werden. Hiermit sollen dann Indikatoren entwickelt werden, die eine eingehendere Prüfung anzeigen können.

Klassische probabilistische Bayes´sche Identifikationsverfahren sind in der Regel sehr rechenaufwändig. Neuere Methoden der Quantifizierung von Unsicherheiten bieten hier eine Möglichkeit, die Effizienz zu steigern. Hier sollen auf der Grundlage moderner spektraler Verfahren Methoden entwickelt und analysiert werden, die zur Begleitung von Experimenten bzw. Messungen die Identifikation der tatsächlich für eine Alterung maßgebenden Variablen auf probabilistischer Basis ausführen. Erste Ansätze zeigen, dass sich auch Bayes´sche Verfahren in Form von Filtern in dieser Weise effizient formulieren lassen. Neben der Identifikation kann so gleichzeitig der Vertrauensbereich der identifizierten Größen bestimmt werden. Als experimentelle Grundlage für die Identifikation sollen u.a. die Ergebnisse aus systematischen Ermüdungsversuchen an gekerbten Stahlproben verwendet werden.