PORTFOLIO

Ein beträchtlicher Teil der europäischen Eisenbahn- und Strassenbrücken haben ihre geplante Lebensdauer erreicht. Damit auch weiterhin eine sichere Nutzung dieser Tragwerke gewährleistet werden kann, bedarf es innovativer und kostengünstiger Messsysteme, um den Zustand des alternden Tragwerks quantitativ und zuverlässig zu beurteilen. Neue Tragwerke werden auf Grund von modernen leichten und hochfesten Materialien immer anfälliger auf Schwingungen. Dies hat eine erhöhte Ermüdungsbeanspruchung und daher eine Verkürzung der Lebensdauer zur Folge. Darüber hinaus verunsichern die auftretenden Schwingungen die Benutzer solcher Tragwerke. Effiziente Schwingungsdämpfungssysteme für leichte und schlanke Strukturen sind daher gefragt.
Ziel des Projektes «Intelligente Schrägseilbrücke – Brücke der Zukunft» ist die Erforschung und Entwicklung neuartiger, praxistauglicher Mess- und Dämpfungssysteme für Brücken. Durch den Einsatz moderner Sensorik und Aktuatorik soll die Nutzungsdauer von Brücken verlängert und der Einsatz leichter und leistungsfähiger Materialien gefördert werden. Um diese Mess- und Dämpfungssysteme unter realitätsnahen Bedingungen zu entwickeln, zu testen und zu optimieren, wurde im Januar 2004 in der Bauhalle der Empa eine 20 Meter lange Laborbrücke auf-gebaut. Diese experimentelle Plattform wurde auch zur Demonstration der innovativen Technologien und für die interdisziplinäre Aus- und Weiterbildung in den Fachbereichen Strukturdynamik, Sensorik, Aktuatorik, Signalverarbeitung, Regelungstechnik und Werkstoffwissenschaften genutzt.

Die Gebert Rüf Stiftung unterstützt das Projekt da es die Basis einer neuen Forschungsrichtung im Bauwesen darstellt: den intelligenten, adaptiven Tragstrukturen. Im Projekt wurde eine realitätsnahe Plattform aufgebaut, die es erlaubt anwendungsnahe, interdisziplinäre Forschungsprojekte zu verwirklichen. Die 'Laborbrücke' wird zum Startpunkt zahlreicher weiterer Projekte in Zusammenarbeit mit in- und ausländischen Firmen und/oder Forschungsinstituten. Innerhalb des Projektes werden mehrere Dissertationen und Kurse für Studenten im Bereich Baudynamik durchgeführt.

Messsysteme
Zwei von der Gebert Rüf Stiftung mitfinanzierte Dissertationen wurden abgeschlossen:
Die erste Dissertationsarbeit «Civil Structural Health Monitoring: Strategies, Methods and Applications», Doktorand Arvid Hejll, die in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Luleå (Schweden), Prof. B. Täljsten, durchgeführt wurde und die den Einsatz von Messverfahren zur Beurteilung des Zustandes einer Brücke zum Gegenstand hatte, wurde im März 2007 abgeschlossen.
Die zweite Dissertation wurde in Zusammenarbeit mit der ETH Lausanne, Prof. H. Bleuler, durchgeführt und hatte die Entwicklung von neuartigen Beschleunigungs- und Neigungssensoren zum Gegenstand, die auf dem Prinzip der aktiven und passiven magnetischen Levitation beruhen. Die Dissertationsarbeit «Acceleration and Inclination Sensors Based on Magnetic Levitation. Application in the Particular Case of Structural Health Monitoring in Civil Engineering», Doktorand François Barrot, wurde im April 2008 abgeschlossen.

Dämpfungssysteme
Zurzeit wird die dritte Dissertationsarbeit «Distributed Mitigation of Wind-Induced Vibrations in Long Span Bridges» durchgeführt. Sie findet in Zusammenarbeit mit der ETH Lausanne, Prof. A. Martinoli, statt. Das Ziel ist die Entwicklung einer Methode zur Bedämpfung windinduzierter Schwingungen von weitgespannten Brücken mit Hilfe von steuerbaren Flügeln. Bisher wurde ein Dämpfungskonzept theoretisch ausgearbeitet, ein kleinmassstäbliches Modell eines Brückenquerschnittes hergestellt, eine Versuchseinrichtung im Windkanal der EPFL entworfen und aufge-baut und zahlreiche Versuche durchgeführt.
Die vierte Dissertationsarbeit «Development of Materials for Friction based Vibration Control» befasst sich mit der Entwicklung und Optimierung von Materialien für ein steuerbares Dämpfungssystem für leichte Bauwerke, das auf dem Prinzip der Energiedissipation durch Reibung zwischen zwei Oberflächen aufbaut. Die Arbeit wird in gemeinsam mit der ETH Zürich, Prof. Ermani, durchgeführt.

Zusammenarbeit
Die Laborbrücke wurde in fünf weiteren Projekten eingesetzt:
Im Rahmen der Projekte «Sustainable Bridges» (gefördert durch die Europäischen Union und das Bundesamt für Bildung und Forschung) und «Low Power Wireless Sensor Network for Monitoring of Civil Infrastructures» (gefördert durch das Bundesamt für Strassen, ASTRA) wurden in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart und dem CSEM an der Laborbrücke ein drahtloses Sensornetzwerk zur Zustandsüberwachung von Bauwerken getestet und optimiert. Der anschliessende Feldversuch an der Storchenbrücke ist weltweit der erste Langzeitversuch mit einem drahtlosen Sensornetz an einem Bauwerk. Die Ergebnisse aus den Forschungsaktivitäten im Bereich der drahtlosen Sensornetzte haben im September 2008 zur Gründung der Firma DecentLab GmbH (http://www.decentlab.ch) geführt. DecentLab GmbH ist ein Spin-off Unternehmen der Empa und wurde mit dem Innovationspreis 2008 der Empa ausgezeichnet.
Drei Projekte beschäftigten sich mit dem Schwingungsverhalten von Fussgängerbrücken. In Zusammenarbeit mit der TU München wurde das Projekt «Schwingungsverhalten von Schrägseil-Fußgängerbrücken; Nichtlineare Interaktion von Brückendeck und Abspannseil» durchgeführt, das von der Stiftung zur Förderung der Frauen in der Wissenschaft finanziell unterstützt wurde. Gemeinsam mit mehreren Schweizer KMUs wurde das Projekt «Schwingungsverhalten von seilverspannten Holzplattenbrücken für Fussgänger und Radfahrer» durchgeführt, das vom BAFU (Fonds zur Förderung der Wald- und Holzforschung) gefördert wurde. Die Universität Sheffield (Prof. Brown-john, Prof. Pavic), England, führte im Rahmen des Projektes «Human Walking and Running Forces: Novel Experimental Characterization and Application in Civil Engineering Dynamics» an der Laborbrücke Versuche durch.
Zurzeit wird das Industrieprojekt «Entwicklung des adaptiven Schwingungstilgers mit geregeltem magnetorheologischem Dämpfer» mit der der Firma Maurer Söhne GmbH & Co. KG, München, durchgeführt. an der Labor-brücke werden die Versuche zum Austesten und Optimieren des neuartigen Schwingungstilgers durchgeführt, das zur Bedämpfung einer Brücke über die Volga (Russland) eingesetzt werden soll.
Durch dieses Projekt konnten ausserdem Zusammenarbeiten mit den Firmen Fiberline SA (DK), Maagtechnic (CH) und Smartec SA (CH) etabliert werden.

Gsell D., Feltrin G. & Motavalli M., Adaptive Tuned Mass Damper Based on Pre-Stressable Leaf-Springs. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. pp. 845 – 851, 2007;
Feltrin G., Meyer J. & Bischoff R., Wireless Sensor Networks for Long Term Monitoring of Civil Structures. In Cunha, A. & Caetano, E. (Eds.) EVACES 07, 2nd International Conference on Experimental Vibration Analysis for Civil Engi-neering Structures. Porto, Portugal, 2007;
Meyer, J. & Feltrin, G., Zustandsüberwachung von Brücken. Der Bauingenieur, 82, 34-40, 2007;
Weber B. & Hamm P., Nonlinear Cable-Deck Interaction in Cable-Stayed Footbridges, Footbridge 2008. Porto, Portugal, 2008;
Barrot F. & Bleuler H., Magnetic Levitation Techniques for Inertial Sensing Design, 9th International Conference on Motion and Vibration Control, Munich, Germany, 2008;
Bischoff R., Meyer J. & Feltrin G., Wireless Sensor Network Platforms. In Boller, C., Chang, F. & Fujino, Y. (Eds.) Encyclopedia of Structural Health Monitoring. John Wiley & Sons Ltd, Chichester, UK, pp. 1229-1238, 2009;
Meyer J., Bischoff R. & Feltrin G., Microelectromechanical Systems (MEMS). In Boller, C., Chang, F. & Fujino, Y. (Eds.) Encyclopedia of Structural Health Monitoring. John Wiley & Sons Ltd, Chichester, UK, pp. 1413-1422, 2009;
Schubert S., Gsell D., Steiger R. & Feltrin G., Influence of Asphalt Pavement on Damping Ratio and Resonance Frequencies of Timber Bridges, Engineering Structures, pp. 3122-3129, 2010;
Feltrin G., Saukh O., Meyer J., Bischoff R. & Motavalli M., Structural Monitoring with Wireless Sensor Networks: Experiences from Field Deployments. First Middle East Conference on Smart Monitoring, Assessment and Rehabilitation of Civil Structures, Dubai, 2011.

Sichere Brücken: Modernste Technik in Winterthur, Der Landbote, 4.8.2007;
«Stork Bridge»: Vorbild für USA, Der Landbote, 4.8.2007;
Wie man einer Brücke den Puls nimmt, Tagesanzeiger, 8.8.2007;
Schweizerisches Know-How für amerikanische Brücken, Der Bauingenieur, 26.9.2007;
Brückensicherheit, SF Schweizer Fernsehen, Einstein, 17.4.2008.