DE10110606A1

DE10110606A1 - Objective, controlled life extension of prestressed and reinforced concrete bridges combines short- and long-term quantified observations to determine acceptable load bearing capacity

Info

Publication number: DE10110606A1
Application number: DE2001110606
Authority: DE
Inventors: Peter Schwesinger; Rolf Dietrich Berndt
Original assignee: INFOKOM GmbH
Current assignee: Infokom 17034 Neubrandenburg De GmbH; SCHWESINGER, PETER, PROF.DR.-ING.HABIL., 99423 WEI
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2002-09-12

Abstract

Short-term investigation and long term observations are so combined, that predominantly-subjective evaluations, especially concerning load bearing capacity, are now objectively-based, hence achieving a new quality of assessment. Measurements from short term investigations characterize the current loading/deformation behavior, if appropriate observing dependence on temperature and other influences, using statistical analysis to determine selected boundary values of the measured magnitudes. Exceeding limiting values over the short term or continuously, are taken as an objective sign of systematic, irreversible deterioration in load bearing behavior. For long term observation a suitable monitoring system is installed on the load bearing structure.

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontrollierten Nutzungs dauerverlängerung von Tragwerken, insbesondere von auffällig gewordenen Brücken aus Stahlbeton- und Spannbeton kleinerer bis mittlerer Spannweiten sowie vergleichbarer Hochbauten.The invention relates to a method for controlled use permanent extension of structures, especially conspicuous ones bridges made of reinforced concrete and prestressed concrete are smaller up to medium spans and comparable buildings.

Es ist bekannt, dass die Nutzungsdauer derartiger Tragwerke von vielen Faktoren abhängt, wie z. B. qualitätsgerechte Ausführung, sachgerechte Unterhaltung, natürliche Alterung, überlagerten Schädigungsprozessen, aber auch von wachsenden Funktionsanforde rungen, z. B. hinsichtlich Tragfähigkeit und Querschnittsgeomet rie. Während beim letztgenannten Grund der aktuelle bauliche Zustand weitgehend belanglos bleibt, erfordern vorzeitiger Abbruch und Neubau aus sonstigen Gründen in aller Regel eine entsprechende bewertungsgestützte Entscheidung. Die bisherige Bewertungspraxis (z. B. nach DIN 1076) ist weitgehend subjektiv geprägt und diffe renziert in diesem Sinne kaum nach dem jeweils angetroffenen Tragwerkszustand. Demzufolge tragen die so gewonnenen Bewertungs ergebnisse subjektiven Charakter mit allen daraus folgenden Konse quenzen. Angelaufene Arbeiten zur Entwicklung eines Bauwerks- Management-Systems lassen für die Zukunft bisher noch keine grund sätzlich veränderte Methodik der Zustandsbewertung erwarten. Wachsender Bestand mit entsprechend steigendem Unterhaltungsauf wand (allein in Deutschland gibt es inzwischen im Zuge von Fern-, Land- und kommunalen Straßen etwa 80.000 Brücken; in Europa wird der Bestand mit 760.000 Objekten angegeben, von denen jeweils etwa 90% auf Stahlbeton- und Spannbetonbrücken entfallen), sowie bei diesen Bauwerken in steigendem Maße nicht erreichte geplante Nutzungszeiträume belasten in Verbindung mit der undifferenziert praktizierten subjektiven Bewertungspraxis und deren Folgen die öffentlichen Haushalte zunehmend.It is known that the useful life of such structures of depends on many factors, such as B. quality execution, proper entertainment, natural aging, layered Damage processes, but also growing functional requirements stanchions, e.g. B. in terms of load capacity and cross-sectional geometry rie. While in the latter reason, the current structural Condition remains largely irrelevant, require early termination and new buildings usually have a corresponding one for other reasons assessment-based decision. The previous valuation practice (e.g. according to DIN 1076) is largely subjective and diffuse in this sense hardly differentiates according to the one encountered Structural condition. As a result, the evaluation obtained in this way results subjective character with all subsequent consoles quences. Work in progress on the development of a building Management systems have so far left no reason for the future expect a change in the methodology of condition assessment. Growing stock with a corresponding increase in entertainment wall (in Germany alone there are now long-distance, Country and municipal roads about 80,000 bridges; in Europe the inventory indicated with 760,000 objects, each of which is approximately 90% for reinforced concrete and prestressed concrete bridges), as well as for these buildings increasingly failed to reach planned Periods of use in connection with the undifferentiated practiced subjective evaluation practice and its consequences public budgets increasingly.

Es ist weiter bekannt, dass die aktuell vorhandene Tragfähigkeit geschädigter oder in anderer Weise auffällig gewordener Tragstruk turen mit Hilfe der Methode der experimentellen Tragsicherheitsbewertung (Probebelastung mit stufenweise eingetragenen Versuchslas ten) mit entsprechendem versuchstechnischen Aufwand wirklichkeits nah, d. h. objektiv basiert bestimmt werden kann. Allerdings tragen die so gewonnenen Ergebnisse Kurzzeitcharakter. Daher ist deren Gültigkeitsdauer vor allem wegen möglicher fortschreitender alterungs- oder schädigungsbedingter Zustandsveränderungen in der Regel auf eine Größenordnung von 5 bis 10 Jahren begrenzt. Außer dem ist bekannt, zeitabhängige Zustandsveränderungen an Tragwerken als Folge äußerer Einwirkungen oder materialspezifischer Verände rungen relativ zu einem Bezugszeitpunkt auf dem Wege von Langzeit beobachtungen auswählbarer Messgrößen mittels Monitoring messtech nisch zu quantifizieren.It is also known that the current load capacity damaged or otherwise striking structure with the help of the method of experimental structural safety assessment (Test load with step-by-step test glass ten) with the corresponding technical effort close, d. H. can be determined objectively. Indeed the results thus obtained have a short-term character. thats why their period of validity mainly because of possible progressive Age or damage-related changes in condition in the Usually limited to the order of 5 to 10 years. except which is known, time-dependent changes in the state of structures as a result of external influences or material-specific changes relative to a reference point in the long-term observations of selectable measurands by means of monitoring messtech niche to quantify.

Als wichtige Messgrößen wurden bisher die Formänderung (Durchbie gung, Dehnungsverhalten, Rissbreite, Drahtbrüche), das Schwin gungsverhalten (Dämpfung, Eigenfrequenz) und Potentialdifferenzen bei Korrosionsprozessen bekannt. Zur Erfassung sind verschiedene Messverfahren und Messgeräte in der Erprobung bzw. im Einsatz, wie faseroptische Systeme/Lichtleitersensoren, Radarinterferometer, Laserabtastung, Beschleunigungssensoren, Ultraschall und chemische Sensoren.The shape change (deflection expansion, elongation behavior, crack width, wire breaks), the vibration behavior (damping, natural frequency) and potential differences known in corrosion processes. There are different types to record Measuring methods and measuring devices in testing or in use, such as fiber optic systems / fiber optic sensors, radar interferometers, Laser scanning, acceleration sensors, ultrasound and chemical Sensors.

Voneinander unabhängige Anwendungen jeder dieser beiden Verfahren befinden sich im Bauwesen seit einigen Jahren in der pilothaften Erprobung. Die Methode der experimentellen Tragsicherheitsbewer tung hat kürzlich in Form einer Richtlinie eine erste Legalisie rung erfahren. Die nachhaltige Rationalisierung dieser Methode ist Ziel weitergehender Entwicklungen. Für Langzeitbeobachtungen mittels Monitoring sind bisher hauptsächlich objektspezifisch entwickelte Prototypanwendungen bekannt geworden. Daneben stehen in jüngster Zeit auch erste Systemlösungen, allerdings jeweils auf spezifische Funktionsanforderungen zugeschnitten, kommerziell zur Verfügung. In der DE OS 33 11 575 ist eine Einrichtung und Verfahren zur Bauabnahme veröffentlicht, die aber ebenfalls keine Aussagen über die zeitabhängige Veränderung des Tragverhaltens bei älteren Bauwerken ermöglicht.Mutually independent applications of each of these two methods have been in the pilot business in construction for several years Testing. The method of experimental safety assessment tung recently had its first legalization in the form of a directive experience. The sustainable rationalization of this method is The goal of further developments. For long-term observations Monitoring has so far mainly been object-specific developed prototype applications. stand next to recently also first system solutions, but each time specific functional requirements tailored, commercial for Available. In DE OS 33 11 575 is a device and method published for the building inspection, but also no statements about the time-dependent change in the behavior of older people Buildings enabled.

Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, welches es insbesondere bei auffällig gewordenen Tragwerken gestattet, deren Abbruch und Neubau oder teure Instandsetzungen auf längere Zeit kontrolliert zu vermeiden und so die Beobachtungsaufwendungen durch die Nutzungsdauerverlängerung zu amortisieren und daneben beträchtliche ökonomische und ökologische Ressourcen einzusparen.The purpose of the invention is to provide a method which especially permitted in the case of structures that have become conspicuous Demolition and new construction or expensive repairs for a long time controlled to avoid and so the observation expenses amortize through the extension of the service life and next to it save considerable economic and ecological resources.

Object of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mit Hilfe der expe rimentellen Tragsicherheitsbewertung erlangbaren objektiven, jedoch nur befristet gültigen Informationen zur aktuell vorhande nen Tragfähigkeit oder zu anderen relevanten Tragwerksfunktionen zu nutzen, so dass es möglich ist, den aktuellen Tragwerkszustand im Verlauf der nachfolgenden weiteren Nutzung jederzeit auf objek tiver Grundlage zu bewerten.The invention is based, with the help of the expe Rational safety assessment of objective, however, only limited information on the currently available information load capacity or other relevant structural functions to use, so that it is possible to the current structural condition in the course of the subsequent further use at any time on objek tive basis.

Erfindungsgemäß werden bei Planung und Durchführung der experimen tellen Tragsicherheitsbewertung (Kurzzeitversuch) relevante Mess größen (Schlüsselmessgrößen) an geeigneten Stellen der Konstrukti on so ausgewählt, dass deren zeitabhängige Veränderungen direkt oder indirekt mit Veränderungen der Tragfähigkeit oder anderer relevanter Tragwerksfunktionen korreliert sind. Für diese Schlüs selmessgrößen werden die im Verlauf des Kurzzeitversuchs als Funktion von Belastung und anderen Umwelteinwirkungen gemessenen Veränderungen registriert und damit gleichzeitig belastungsabhän gig kalibriert. Im Ergebnis nachfolgender analytischer statischer Untersuchungen sind für diese Messgrößen solche Grenz- oder Soll werte abzuleiten und festzulegen, deren zeitweilige oder ständige Überschreitung beginnende negative Veränderungen bei der Tragfä higkeit oder vergleichbar relevanten Hauptfunktionen signalisiert. Während der nachfolgenden Langzeitbeobachtung mit Hilfe eines geeigneten Monitoring-Systems bietet der Vergleich der aktuell gemessenen Istwerte mit den Grenz- oder Sollwerten die Grundlage der jeweiligen Zustandsbewertung. Das Monitoring-System ist so aufgebaut, dass sein Einsatz bei unterschiedlichen Beobachtungs aufgaben möglich ist (flexibel anpassbar an z. B. variierende Objektart und -größe, statische und dynamische Messmodi, spezifi sche Infrastruktur- und Umweltbedingungen), dass es über eine hohe Lebensdauer bei geringem Unterhaltungsaufwand verfügt, dass die bidirektionale Kommunikation (Datentransfer, Einstellungen zu Betriebsmodus und Messregime, Fehlermeldungen u. a.) entfernungsu nabhängig über Telefonleitung oder über das Internet erfolgen kann, dass mehrere Einzelsysteme im Verbund betrieben werden können und dass die selektive Verfügbarkeit aller relevanten Informationen für ein auswählbares Objekt des Systemverbundes durch das zugehörige Datenmanagement sichergestellt wird. Abhängig vom objekt- und datumspezifischem Bewertungsergebnis kann schließ lich über die Einleitung erforderlicher Maßnahmen entschieden werden.According to the invention, when planning and carrying out the experiments provide a safety measurement (short-term test) relevant measurements sizes (key measurands) at suitable points in the construction on selected so that their time-dependent changes directly or indirectly with changes in load capacity or others relevant structural functions are correlated. For this key Sel measurands are those in the course of the short-term experiment as Function of exposure and other environmental impacts measured Changes registered and thus dependent on the load gig calibrated. As a result, subsequent analytical static Examinations are such limit or target values for these measurands derive and determine values, their temporary or permanent values Negative changes in the load begin to be exceeded ability or comparable relevant main functions. During the subsequent long-term observation with the help of a suitable monitoring system offers the comparison of the current measured actual values with the limit or setpoints the basis the respective condition assessment. The monitoring system is like that built that its use in different observation tasks is possible (flexibly adaptable to e.g. varying Object type and size, static and dynamic measurement modes, spec infrastructure and environmental conditions) that it has a high Lifetime with little maintenance that the bidirectional communication (data transfer, settings for Operating mode and measuring regime, error messages and. a.) distance u Depending on the telephone line or the Internet can, that several individual systems are operated in a network can and that the selective availability of all relevant Information for a selectable object of the system group is ensured by the associated data management. Dependent from the object and date-specific evaluation result can conclude decided on the initiation of necessary measures become.

Examples

Die Erfindung soll nachstehend an einem für ein kleineres Objekt charakteristischem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. An einer etwa 40 Jahre alten dreifeldrigen Spannbetonbrücke wurden bereits vor längerer Zeit Korrosionsschäden an den Einzelstab spanngliedern festgestellt. Als Ursache kamen Planungs- und Aus führungsmängel in Betracht (zu enger Spanngliedabstand, örtlich mangelhaft verdichteter Beton, teilweise nicht verpresste Spann glieder). Trotz erfolgter aufwendiger Sanierung zeigten sich später neue Mängel, die auf weitergehende Korrosionsvorgänge hindeuteten. Aufgrund dieser Situation wurden zunächst Abbruch und Neubau der Brücke in Betracht gezogen, im weiteren Verlauf dann aber ein Kurzzeitversuch (Probebelastung mit stufenweise eingetra genen Versuchslasten) und anschließender Langzeitbeobachtung mittels Monitoring nach dem Prinzip der "kontrollierten Nutzungs dauerverlängerung" vorgesehen. Die Ergebnisse aus dem Kurzzeitver such belegten, dass die rechnerische Tragfähigkeit infolge der vorhandenen Korrosionsschäden bisher nicht in Mitleidenschaft gezogen wurde. Als Schlüsselmessgrößen wurden zwei bei maximaler Versuchsbelastung beobachtete Risse sowie redundant dazu zwei Durchbiegungen in Feldmitte der Hauptöffnung ausgewählt. Mehrere Temperatur-, Luftfeuchte- und Beschleunigungssensoren (letztere zwecks Signalauslösung zur automatischen Erfassung von Überfahrten durch Fahrzeuge mit unzulässiger Belastung) vervollständigten die zu beobachtenden Messgrößen. Als maßgebende Grenzwerte, deren dauerhafte Überschreitung eine beginnende Gefährdung des Tragwerkes signalisieren würde, wurde die beginnende Öffnung (w 0,01 mm) der beiden unter Normalbedingungen geschlossenen Risse ermit telt. Das Monitoring-System besteht in diesem Fall aus je zwei Rissweiten-, Neigungs-, Beschleunigungs- sowie Luftfeuchtesensoren und 6 Temperatursensoren, drei Multi-Sensor-Module und einem Master mit Kommunikationseinheit. Als Masterstandort wurde ein Pfeilerkopf gewählt; Energieversorgung und bidirektionale Daten übertragung erfolgen netz- bzw. drahtgebunden. Das Messregime sieht Messungen mit allen Sensoren (mit Ausnahme der Beschleuni gungssensoren) alle zwei Stunden vor. Daneben ist die ereignisab hängige Erfassung von Überfahrten mit Fahrzeugmassen m 30 t im dynamischen Messmodus vorgesehen. Die Kommunikation mit dem Moni toring-System zwecks Datentransfer und Funktionskontrolle wird manuell oder automatisch hergestellt. Die Messphasen können bei der vorliegenden Aufgabenstellung auf z. B. je zwei Monate im Sommer und im Winter eingeschränkt werden.The invention is intended below for a smaller object characteristic embodiment are explained in more detail. On an approximately 40-year-old three-span prestressed concrete bridge Corrosion damage to the single rod a long time ago tendons determined. The cause came from planning and out lack of leadership (too small tendon spacing, local poorly compacted concrete, partially unpressed instep members). Despite the costly renovation, later new defects, due to further corrosion processes hindeuteten. Because of this situation, were canceled and New construction of the bridge considered, later in the course but a short-term test (test load with gradually entered test loads) and subsequent long-term observation by means of monitoring according to the principle of "controlled use permanent extension "is provided. The results from the short-term ver We also demonstrated that the computational sustainability as a result of the existing corrosion damage has not yet been affected was pulled. The key metrics were two at maximum Test load observed cracks and two redundantly Deflections selected in the middle of the main opening. Several Temperature, humidity and acceleration sensors (the latter for the purpose of triggering signals for the automatic detection of crossings by vehicles with impermissible loads) completed the measured variables to be observed. As decisive limit values, their permanent exceeding an beginning danger to the structure would signal the beginning opening (w 0.01 mm) of the two cracks closed under normal conditions telt. In this case, the monitoring system consists of two Crack width, inclination, acceleration and humidity sensors and 6 temperature sensors, three multi-sensor modules and one Master with communication unit. As a master location was a Pillar head selected; Power supply and bidirectional data transmission is network or wired. The measurement regime sees measurements with all sensors (except the acceler sensors) every two hours. In addition, the eventful pending registration of crossings with vehicle masses of 30 t in dynamic measurement mode provided. Communication with the Moni toring system for the purpose of data transfer and functional control manufactured manually or automatically. The measuring phases can be at the present task on z. B. two months each Summer and winter can be restricted.

Claims

1. Process for the controlled extension of the service life of structures, in particular bridges made of reinforced concrete and prestressed concrete with a small to medium span as well as comparable buildings, the current load capacity of which, for. B. was determined by means of step-by-step static test load in the short-term test, characterized in that
that short-term tests and long-term observation are combined in such a way that it is possible to carry out the previously mostly subjective condition assessment, above all of the sustainability, on an objective basis and thus to achieve a new assessment quality,
With the help of the measurement data obtained in the short-term experiment to characterize the current load-deformation behavior, if necessary taking into account its dependence on temperature and other influences, using static analysis to determine limit values for selected measured variables, the temporary or permanent exceeding of them as an objective sign of systematic and irreversible changes the load-bearing behavior are to be assessed,
a suitable monitoring system must be installed on the structure for long-term observation.

2. The method according to claim 1, characterized in that that when planning or evaluating the short-term trial, a limited number of such measurements (crack width, deflection, Inclination, etc.) can be selected, which have been adjusted for interference objectively time-dependent changes in the associated measured values Changes in the load-bearing capacity of the load-bearing structure are correlated.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that that the measurement data during the execution of the short-term experiment of the selected measured variables as a function of the gradual input loads or other relevant influences calibrated and calibrated so that they serve as a reference and evaluation basis for those during the subsequent long-term observation measured data are suitable.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that for long-term observation a modular structure made of electri optical, acoustic and / or chemical sensors, multi Sensor modules and one or more masters included Communication unit and the associated software modules best monitoring system is used.

5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that type and number of sensors for observing the selected one Measured variables, grid or solar-based energy supply as well wired or wireless bidirectional data transmission for the connections multi-sensor module-master, if necessary master-master as well as master center depending on object type, size and / or -Location can be selected.

6. The method according to claim 4 and 5, characterized in that the monitoring system in the two measurement modes continuous measurement (Measurement times of individual or all sensors in freely selectable Time intervals) and event-dependent measurement (automatically by External excitation or exceeding an adjustable trigger value a selected measurement variable triggered dynamic measurement process operation with registration of pretrigger values) can.

7. The method according to claim 4 to 6, characterized in that that the object-related hardware system components are optional also for use under extreme or highly variable Environmental conditions (temperature, air humidity, splash water, shock stress, biological attack, vandalism) can.