Schadenslokalisation und Zustandsidentifikation auf Basis unscharfer Beobachtungen mit H-unendlich-Schätz- und Subspace-Methoden im Lebenszyklus instationärer, mechanischer Strukturen unter ambienter Anregung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Armin Lenzen
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 350257805

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Modellbildung technischer Konstruktionen ist in der gesamten Lebenszeit einer mechanischen Struktur (Planung, Bau, Nutzung und Rückbau) ein wichtiger Baustein und ein Hilfsmittel für den Ingenieur, um fundierte Analysen und Entscheidungen treffen zu können. Klassisch kommen hier Finite Elemente Methoden der Strukturmechanik zum Einsatz. Für messdatengetrieben Identifikationsmethoden führt die hohe inhärente Parametervielfalt der FEM oftmals zu ungünstigen mathematischen Problemstellungen. Mit dieser Forschungsarbeit wird aufgezeigt, dass in der Maintenance-Phase die Identifikation ambient erregter mechanischer Strukturen als Black-Box-Modell aufgrund ihrer geringen Modellordnung sehr vorteilhaft zur automatisierten und echtzeitfähigen Zustandsidentifikation und Schadenslokalisation verwendet werden kann. Viele Methoden wurden für eine Schadensdetektion entwickelt, doch ist die Schadenslokalisation unter den zwingend zu berücksichtigenden Umgebungs- und Betriebseinflüssen ein wichtiges, aktuelles und international ungelöstes Forschungsfeld. Deshalb liegt diese Problemstellung insbesondere auch im Fokus der Arbeit. Mit den in der Strukturmechanik noch unbekannten numerisch algebraischen Optimierungsmethoden aus der Schätztheorie wurde in der Forschungsarbeit eine grundlegend neue Methodik zur Schadensidentifikation theoretisch aufbereitet und experimentell an einem Technikum ebenso wie an einer realen mechanischen Struktur unter Betriebsbedingungen aus dem Bereich der Infrastruktur verifiziert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• An output-only damage identification method based on H∞ theory and state projection estimation error (SP2E). Structural Control and Health Monitoring, 24(11), e2003.
  Lenzen, Armin & Vollmering, Max
  
• Experimentelle Schadenslokalisation auf Basis der H∞-Schätztheorie und State Projection Estimation Error. Baudynamik 2018, 159-168. VDI Verlag.
  Vollmering, M. & Lenzen, A.
  
• On experimental damage localization by SP2E: Application ofH^(∞)estimation and oblique projections. Mechanical Systems and Signal Processing, 104, 648-662.
  Lenzen, Armin & Vollmering, Max
  
• Theory and numerical application of damage localization method state projection estimation error (SP2E). Structural Control and Health Monitoring, 25(10), e2237.
  Vollmering, Max & Lenzen, Armin
  
• Schädigungserkennung in mechanischen Strukturen mithilfe der Stochastic Subspace Identification und der Kreinraum-basierten H-∞ Schätztheorie. Bauingenieur, 94(10), S 15-S 17.
  Lenzen, Armin & Vollmering, Max
  
• AN IN-SITU EXPERIMENTAL SETUP FOR DAMAGE LOCALIZATION AND MECHANICAL PARAMETER ESTIMATION. Proceedings of the XI International Conference on Structural Dynamics, 857-869. EASD.
  Vollmering, Max; Dolbonosov, Ivan & Lenzen, Armin
  
• Mechanical system scaling based on output only identification and mass perturbations by state projections. Mechanical Systems and Signal Processing, 144, 106863.
  Lenzen, Armin & Vollmering, Max
  
• “Normierung der Output-Only-Methode zur Identifikation mechanischer Systeme“ Baustatik Baupraxis 14, Universität Stuttgart
  Lenzen, Armin
  
• Damage localization of mechanical structures considering environmental and operational conditions based on output-only system identification and H∞-estimation. Mechanical Systems and Signal Processing, 156, 107572.
  Lenzen, Armin; Rohrer, Maximilian & Vollmering, Max
  
• Estimation of mechanical parameters based on output-only measurements using Kronecker product equivalence and mass perturbations. Journal of Sound and Vibration, 500, 116016.
  Vollmering, Max; Breitkreuz, Maximilian & Lenzen, Armin
  
• Modellorientierte Schadenslokalisation von mechanischen Strukturen unter Einbeziehung der Umgebungs- und Betriebsbedingungen. Baudynamik 2022, 221-232. VDI Verlag.
  Rohrer, M. & Lenzen, A.
  
• Modulares Experimentierfeld des I4S an der HTWK Leipzig. Bauingenieur, 97(06), S 6-S 7.
  Lenzen, Armin; Moeller, Max & Rohrer, Maximilian
  
• Modulares Experimentierfeld zur Verifikation der Schadenslokalisation an einer realen mechanischen Struktur. Baudynamik 2022, 463-476. VDI Verlag.
  Moeller, M. & Lenzen, A.
  
• A Testing Field for Studies of Environmental and Operational Effects in Structural Damage Localization of Mechanical Structures. Structural Control and Health Monitoring, 2024(1).
  Rohrer, Maximilian; Moeller, Max & Lenzen, Armin
  
• Experimental vibration-based output-only damage localization of mechanical systems. e-Journal of Nondestructive Testing, 29(7).
  Rohrer, Maximilian; Moeller, Max & Lenzen, Armin
  
• Neuartige Konzepte für die Zustandsüberwachung und -analyse von Brückenbauwerken – Einblicke in das Forschungsvorhaben SPP100+/Novel Concepts for the Condition Monitoring and Analysis of Bridge Structures – Insights into the SPP100+ Research Project. Bauingenieur, 99(10), 327-338.
  Becks, Henrik; Lippold, Lukas; Winkler, Paul; Moeller, Max; Rohrer, Maximilian; Leusmann, Thorsten; Anton, David; Sprenger, Bjarne; Kähler, Philipp; Rudenko, Iryna; Arcones, Daniel Andrés; Koutsourelakis, Phaedon-Stelios; Unger, Jörg F.; Weiser, Martin; Petryna, Yuri; Schnellenbach-Held, Martina; Lowke, Dirk; Wessels, Henning; Lenzen, Armin ... & Hegger, Josef
  
• Schadenserkennung an Baukonstruktionen mit intelligenten Methoden der Systemidentifikation. Informatik Festival 2024, Wiesbaden, Germany, September 24-26, 2024
  Armin Lenzen, Max Moeller & Maximilian Rohrer
  
• System identification and monitoring of bridge structures. Procedia Structural Integrity, 64, 1256-1263.
  Rohrer, Maximilian; Moeller, Max & Lenzen, Armin
  
• System identification based on the cross Gramian. e-Journal of Nondestructive Testing, 29(7).
  Moeller, Max; Rohrer, Maximilian & Lenzen, Armin
  
• „Monitoring an der Floßgrabenbrücke in Zeitz - Experimente zur Systemidentifikation,“ in Berichte der Fachtagung "Baustatik - Baupraxis 15", 04. und 05. März 2024, Hamburg
  A. Lenzen, M. Moeller & M. Rohrer
  
• Autonomous energy-based model order selection in parameter state space identification via cross Gramian and symmetrizer. Mechanical Systems and Signal Processing, 228, 112452.
  Moeller, Max & Lenzen, Armin
  
• Experimental studies on multi‐scale data‐driven methods within the framework of structural health monitoring. Civil Engineering Design, 7(4), 147-168.
  Rohrer, Maximilian; Backhaus, Jan; Bestmann, Ulf; De Arriba López, Vanessa; Diaz, Pedro Achanccaray; Gerke, Markus; Könke, Carsten; Lenzen, Armin; Lippold, Lukas; Maboudi, Mehdi; Moeller, Max; Villegas, Carlos Luis Paz; Winkler, Paul & Zabel, Volkmar
  
• Langzeitüberwachung mittels autonomer Systemidentifikation. Baudynamik 2025, 201-212. VDI Verlag.
  Moeller, M. & Lenzen, A.
  
• Systemidentifikation und Zustandsüberwachung der Flossgrabenbrücke System identification and structural health monitoring of the Flossgraben Bridge. Baudynamik 2025, 225-236. VDI Verlag.
  Rohrer, M. & Lenzen, A.