Vor dem Hintergrund einer alternden Infrastruktur und eines eindeutigen Trends zu immer schnelleren und schwereren Fahrzeugen wird die Nachrechnung bestehender Brücken zu einer immer anspruchsvolleren Aufgabe für Bauingenieure, insbesondere wenn wichtige Entscheidungen über kostspielige Ersatz- oder Sanierungsmaßnahmen getroffen werden müssen. Eine genaue Kenntnis der tatsächlichen Kräfte, die auf das Bauwerk wirken, bietet den Ingenieuren die Möglichkeit einer weniger konservativen, aber dennoch zuverlässigen Nachrechnung, die zu einer beträchtlichen Verlängerung der Restlebensdauer und damit zu erheblichen finanziellen Vorteilen sowohl für die Infrastrukturbetreiber als auch für die Gesellschaft führen kann. Die direkte Messung der dynamischen auf Brückenbauwerke wirkenden bewegten Kräfte ist jedoch in den meisten Fällen entweder nicht möglich oder sehr umständlich. Hingegen lassen sich Zeitverläufe der Bauwerksantworten mit vertretbarem Aufwand aufzeichnen.

In der vorliegenden Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zur Identifikation von dynamischen, auf ein Brückenbauwerk wirkenden bewegten Kräften vorgestellt. Die Grundidee ist, die optimalen Kraftwerte zu finden, die die Differenz zwischen den für eine begrenzte Anzahl an Punkten berechneten und gemessenen Zeitverläufen der Verschiebungen und Beschleunigungen minimieren. Hierfür wird ein Optimierungsproblem im Zeitbereich formuliert. Es betrachtet die Magnitude jeder bewegten Kraft in jedem Zeitschritt als unbekannte Variable. Die Regularisierung des inversen Problems wird durch die Einführung von zwei Straffunktionen addressiert, die physikalische a priori Informationen über die Lösung definieren. Das Problem wird mit Hilfe des gradientenbasierten Trust Region Optimierungsalgorithmus gelöst. Dieser erfordert den genauen Gradienten und die genaue Hesse-Matrix der Zielfunktion. Diese werden durch analytische Ableitungen bestimmt, während das numerische Integrationsverfahren von Newmark zur Lösung einer Reihe von Differenzialgleichungen verwendet wird, die im impliziten Ableitungsprozess auftreten. Darüber hinaus wird die effiziente Lösung von Problemen mit einer großen Anzahl von unbekannten Kraftwerten durch die Verwendung eines gleitenden Fensters ermöglicht. Die vorgestellte Kraftidentifikationsmethode ist auf jedes 3D Finite-Elemente-Modell mit beliebigem Detaillierungsgrad anwendbar. Dies wird durch die Verwendung der Modalanalyse ermöglicht.

Zuerst wurde eine umfassende Studie mit simulierten Messdaten durchgeführt, um die isolierten Auswirkungen verschiedener Parameter auf die Genauigkeit der vorgestellten Kraftidentifikationsmethode zu analysieren. Darüber hinaus wurde eine experimentelle Validierung anhand von zwei Untersuchungen durchgeführt: eine bestehende Eisenbahnbrücke im Betrieb, die den Überfahrten eines ICE 4 Fahrzeugs ausgesetzt wurde, und eine experimentelle Fußgängerbrücke. Sie unterstreichen den weiten Anwendungsbereich der im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methode zur Ermittlung von dynamischen bewegten Kräften: von kleinen Strukturen, die durch eher geringe Fußgängerkräfte angeregt werden, bis hin zur "schweren Kategorie" eines kompletten Zuges, der über eine Eisenbahnbrücke im Betrieb fährt. Die Ergebnisse sind sehr zufriedenstellend und zeigen durchweg, dass die vorgeschlagene Methode eine ausreichend genaue Identifikation der bewegten Kräfte ermöglicht. In diesem Zusammenhang wird auch auf eine Reihe von Besonderheiten und Einschränkungen eingegangen, die sich bei der praktischen Anwendung der Methode auf reale Bauwerke ergeben. Diese hängen vor allem mit Modellierungsungenauigkeiten zusammen, die als ein entscheidender Einflussfaktor des Lösungsverhaltens identifiziert wurden.