Am I4S werden Methoden zur Zustandsidentifikation mechanischer Strukturen in der Maintenance-Phase (z.B. Lokalisation von Strukturveränderung). entwickelt. Die Methoden werden u.a. anhand realer Messdaten von ambient angeregten (Wind, Verkehr, Mikroseismik, etc.), mechanischen Strukturen verifiziert. Dafür stehen dem I4S zwei baugleiche, modulare Versuchsstrukturen im Labor für Strukturdynamik und auf eine Freiflächenversuchsanlage auf dem Dach des Nieperbaus an der HTWK Leipzig, zur Verfügung. Im Folgenden wird die Entwicklung und Herstellung dieser Versuchsstrukturen beschrieben.

Zur Applikation entwickelter Methoden ist die Berücksichtigung von Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur, Feuchte, Windstärke und -richtung) ein wichtiges Forschungsthema. Daher wurde eine baugleiche Struktur unter kontrollierbaren und unkontrollierbaren Umgebungsparametern, in Labor und im Freifeld, vorgesehen. Hierbei wird eine ambiente Strukturanregung mittels Wind und Mikroseismik realisiert.

Zum bedarfsgerechten Auf- und Abbau der Versuchsstrukturen war eine modulare Konstruktion nötig. Weiterhin wurde auch geplant, an den Versuchsobjekten entwickelte Methoden zur Lokalisation von Strukturveränderungen zu verifizieren, wodurch reversibel zu applizierende Strukturmodifikationen (Massen und Steifigkeiten) gefordert waren. Basierend auf den genannten Anforderungen konnte eine Konstruktion ausgewählt werden, welche nachfolgend beschrieben wird.

Es wurde eine Versuchsstruktur gewählt, welche aus sechs miteinander verschraubten, 1m langen Modulen besteht (Gesamtlänge 6m, siehe Abbildung 1). Ein wichtiges Element der modularen Struktur ist die Möglichkeit reversibel Massen- und Steifigkeitsveränderungen mithilfe zusätzlich verschraubter Stahlelemente zu applizieren.

Damit der statische Nachweis der Standsicherheit erbracht werden konnte, kam ein Walzprofil mit einem IPE200 Querschnitt der Stahlgüte S355J2 zum Einsatz (DIN 1025-5). Relevante Konstruktionsparameter sind daher E = 21.000 kN/cm², I_y = 1940 cm⁴ und I_z = 142 cm⁴. Die Flansch- und Stegverbindungen erfolgten mit verschraubten Laschen (ø16 Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8, siehe Abbildung 2). Ein Spaltmaß von 1cm zwischen den Profilen wurde dabei realisiert. Weiterhin sind die Schraubanschlüsse an die Querschnittswerte des gewählten Profils angepasst (I_y=1931 cm⁴ und I_z= 143 cm⁴).

Zum Aufbau der geplanten Versuchsstruktur im Freifeld, ein 6m hoher Mast in exponierter Lage, wurde ein geeigneter Aufstellort gesucht. Hierbei erwies sich der Standort auf dem Dach des Nieperbaus, durch seine exponierte Lage und leichte Zugänglichkeit, als hervorragend geeignet. Das Flachdach (siehe Abbildung 2) war allerdings für eine Belastung durch zusätzliche Experimentierfelder nur bereichsweise ausgelegt worden. Daher musste für den geplanten Versuchsaufbau ein entsprechend angepasstes Fundament hergestellt werden.

Abb. 2: Ausgewählte Fläche, Dach Nieperbau, HTWK Leipzig

Der standsichere Aufbau der geplanten Struktur erfolgte über eine Einspannung auf einer Stahlbetonplatte. Zur Begrenzung der Belastung des Dachs, besteht das Fundament aus Leichtbeton der Klasse LC30/33 (Rohdichteklasse 1,4; Außenbauteil Betondeckung 4cm). Auf die verlegte Bewehrung wurde eine Fußplatte Bl25 mit 50x50 cm der Versuchsstruktur mit Anschlussbewehrung positioniert. Herstellungsort der Fußplatte war die Werkstatt der HTWK Leipzig. Die Konstruktion sah einen ø40mm Lagerbolzen vor, damit bei Bedarf (Applikation Sensoren, etc.) der Mast in die waagerechte Lage gebracht werden kann (siehe Abbildung 3). Die hergestellte Fundamentplatte ist 5x10 m groß und wurde direkt auf die Dachdämmung (mit Gefälle 2-5 %) betoniert. Die Mindestdicke des Fundamentes beträgt ca. 20cm.

Die weitere benötigte technische Ausrüstung des Experimentierfeldes umfasste einen Blitzschutz und einen Outdoor-Serverschrank mit Anschluss an das Fakultätsnetz. Das Land Sachsen hat hierfür finanzielle Mittel bereitgestellt.

Abb. 3: Fußplatte mit Gelenk und Nivellierschrauben, Werkstatt der HTWK Leipzig

Auf dem hergestellten Fundament wurde die beschriebene modulare ca. 6m hohe Versuchsstruktur aufgestellt. Die Fußlaschen Bl12 mit 25x14 cm sind hierbei mit je vier Schrauben an dem ersten Segment des Mastes befestigt und vier Grundschrauben sorgen für eine Übertragung der Zugkräfte in die einbetonierte Stahlplatte. Zum Zeitpunkt der Errichtung der Versuchsstruktur wurden alle Schrauben mit 200 Nm gleitfest vorgespannt.

Die Versuchsstruktur wird infolge einer ambienten Erregung (Wind, Mikroseismik) zur Schwingung erregt. Dieses Strukturantwortverhalten wird mit 24 uniaxial-messenden, piezoelektrischen Beschleunigungssensoren in äquidistantem Abstand aufgezeichnet (393A03, PCB Piezotronics). Weiterhin wurde eine Wetterstation, welche Windgeschwindigkeit, -richtung, Feuchte und Temperatur misst, installiert. Hiermit steht dem I4S eine hervorragende Versuchsstruktur in exponierter Lage zur Verfügung, welche zur Methodenverifikation und anschließenden Veröffentlichung der Ergebnisse genutzt wird (siehe Abbildungen 5).

Abb. 4: Aufbau Versuchsstruktur

Abb. 5: Fertige Versuchsstruktur Dach Nieperbau, HTWK Leipzig

Abb. 1: Versuchsstruktur