Bestimmung der Veränderungen des Tragwerkzustandes von Staumauern über erweiterte wellenbasierte Inversionen und multiphasen-XFEM Formulierungen

• Antragsteller: Professor Dr. Tom Lahmer; Professor Dr.-Ing. Frank Wuttke
• Fachliche Zuordnung: Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Geotechnik, Wasserbau ; Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb ; Mathematik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 395192382

Staumauern sind wichtige Infrasruktureinrichtungen, insbesondere zur Trinkwassergewinnung, zur Generierung von Strom und zum Schutz vor Hochwasser. Jedoch ist ein Großteil dieser Stauanlagen bereits mehr als 50 Jahre alt und somit kann die wahre Kondition der Bauwerke nicht mehr zufriedenstellend eingeschätzt werden. Die strukturelle Schwächung der Staumauern kann sowohl durch kurzfristige Einwirkungen wie Erdbeben resultieren aber auch durch langsame, langfristige Effekte wie Alterung, physikalische und chemische Verwitterung, Ermüdung, etc ... . Obwohl diese Veränderungen der strukturellen Integrität nicht sofort zum Versagen führen müssen, ist es notwendig, schnell und verlässlich Regionen zu identifizieren, die den Betrieb von Talsperren unnötig mit Gefahren ausstatten. Leider sind die bisherigen Methoden aufwändig, teuer und z.T. nicht effizient genug.Der Ansatz, der in diesem Antrag vorgeschlagen wird, nimmt seine Inspiration aus der erfolgreichen Anwendung von wellenbasierten Identifikationsverfahren, insbesondere der Wellenforminversion (FWI) im Bereich der Bodenstrukturerkundung und der zerstörungsfreien Identifikation von geomechanischen bzw. geopysikalischen Anwendungen. Wir verfolgen in den Projekt nicht nur die Herausarbeitung und Applikation der FWI zur Charakterisierung von strukturellen Zuständen an Staumauern, sondern erweitern die Methode auch für die Identifikation von Schäden in derart geänderten Strukturen, die maßgeblich durch Mehrphasen-Mehrfeldeffekte geprägt sind.Um die Stabilität (Robustheit) und Flexibilität der Methode zu erhöhen, wird ein neuartiger zweistufiger Prozess vorgeschlagen, welcher aus einer Kombination einer erweiterten Finite Elemente (XFEM) -basierten Inversion mit einer FWI besteht. Dieser Ansatz ist von allgemeinem Interesse und kann auch auf andere Probleme, bei der seismische Tomographie Verfahren eingesetzt werden, angewandt werden.Die vorgestellte Methodik basiert auf den jüngsten Entwicklungen im Bereich der computerbasierten Simulationsverfahren, darunter Arbeiten die mittels XFEM, FWI, hybriden FEM-BEM und dem optimalem Design des Experimentes (hier der Monitoringmethode und -sensorikposition) die Identifikation von Schäden erlauben. Das Ziel ist es schlussendlich, Anomalien in Staumauern effizient und verlässlich zu identifizieren. Dies soll zerstörungsfrei geschehen und den Aufwand sowie die Kosten im Bereich der Strukturanalyse von Staumauern durch die Anwendung der Wellenform-Inversion sichtbar reduzieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen