Messdatengestützte Tragsicherheitsnachweise
Inhaltsverzeichnis
Projektdaten
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Bericht aus dem Jahrbuch 2024/25
Sensorik für sicherere Brücken
Einbau eines Koppelankers in ein Fertigteil der Forschungsbrücke openLAB
Betonbrücken stellen einen unverzichtbaren Teil des Verkehrsnetzes dar. Viele dieser Bauwerke entsprechen jedoch nicht mehr den aktuellen technischen Standards. Im Forschungsprojekt ANYTWIN werden fünf Versagensmechanismen, die häufig zu Nachweisdefiziten bei Straßenbrücken führen, einer tiefgehenden Analyse unterzogen. Im Fokus der Forschung am IMB liegen die unzureichende Querkrafttragfähigkeit und die Koppelfugenermüdung bei Spannbetonbrücken. Ziel des Projekts ist es, standardisierte Methoden zur messdatengestützten Nachrechnung und ihrer Einbindung in digitale Zwillinge (DZ) von Straßenbrücken zu entwickeln, um eine realitätsnähere, ganzheitliche Bewertung der Tragsicherheit zu ermöglichen und so zum Erhalt von Bestandsbauwerken beizutragen.
In den ersten zwei Förderjahren wurde durch das IMB die Entwicklung standardisierter Konzepte für DZ von Straßenbrücken vorangetrieben. Dazu wurde eine umfassende Charakterisierung und Klassifizierung der DZ vorgenommen. Ausgehend davon wurden Prozessdiagramme entsprechend Business Process Model and Notation (BPMN; Modell und Notation für Geschäftsprozesse) entwickelt, um eine effektive Einbindung des DZ in die messwertgestützte Nachweisführung zu ermöglichen. Die Ergebnisse wurden in Form eines Anforderungskatalogs übersichtlich zusammengefasst, der als Hilfestellung zur Implementierung von DZ genutzt werden kann. Des Weiteren wurde eine umfangreiche Recherche zu Datenqualitätsmerkmalen und zu Bewertungsalgorithmen für Monitoringdaten durchgeführt. Es wurden außerdem Qualitätsindikatoren entwickelt, mit denen eine automatisierte Bewertung umfangreicher Sensordaten erfolgen kann.
Zur Entwicklung geeigneter Monitoringkonzepte wurde in Kooperation mit den Projektpartnern TU Berlin und MKP eine Analyse der Versagensmechanismen Querkraft und Koppelfugenermüdung anhand numerischer Simulationen, Analysen der Nachrechnungsrichtlinien und Best-Practice-Beispielen durchgeführt. Hierbei wurden Monitoringkonzepte sowohl für herkömmliche als auch für verteilte faseroptische Sensoren erarbeitet. Die Praxistauglichkeit dieser Konzepte wird in realen Tests an der Forschungsbrücke openLAB erprobt. Diese fanden im 09/2025 statt. Die Ergebnisse werden in die Kalibrierung numerischer Modelle eingehen und neue Erkenntnisse zur Auswirkung der Datenqualität auf die Ergebnisse der Nachrechnung liefern.
Bericht aus dem Jahrbuch 2023
Messdatengestützte Nachrechnung
Die Hamburger Köhlbrandbrücke dient der Erprobung des Konzepts des digitalen Zwillings unter Realbedingungen
Das Auftreten potentieller Versagensmechanismen bei Brückenbauwerken wird anhand rechnerischer Nachweise beurteilt. Aufgrund des Informationsmangels werden dabei häufig konservative Annahmen getroffen, die zu rechnerischen Sicherheitsdefiziten führen. Das Konzept der messwertgestützten Nachweisführung trägt zur Optimierung der Nachrechnung durch den Einsatz von Messdaten und somit zum Bestandserhalt bei. Die Kernfragestellung im Projekt ANYTWIN in diesem Zusammenhang lautet: Wie kann die messdatengestützte Nachrechnung standardisiert werden und welche Anforderungen sind in dem Kontext an Monitoringdaten und den digitalen Zwilling zu stellen?
In der ersten Projektphase wurden branchenübergreifende Recherchen zu Definitionen und Einsatzzielen von digitalen Zwillingen und zu den aktuell genutzten Standards bzw. Formaten für Messdaten durchgeführt. Es wurden Anwendungsfälle und grundlegende Anforderungen an digitale Zwillinge im Straßenbrückenbau erarbeitet. Hierbei wurden insbesondere die Rolle der BIM-Methodik und die erforderliche IT-Infrastruktur betrachtet. Der regelmäßige Erfahrungsaustausch unter den Projektbeteiligten wurde durch die Organisation und Durchführung themenspezifischer Workshops gewährleistet.
Im weiteren Projektverlauf wird die Erforschung und Validierung standardisierter Konzepte für messdatengestützte Nachweisführungen erfolgen. Hierfür wird einerseits ein Ausschreibungsstandard für Monitoringsysteme erarbeitet. Andererseits werden die von den Projektpartnern erarbeiteten Konzepte für messdatengestützte Nachweisführungen systematisch verglichen und gängige Auswertemethoden und -algorithmen analysiert. Die Praxistauglichkeit der Konzepte wird anhand von Realdaten der Modellbrücke des Forschungsvorhabens IDA-KI und der Köhlbrandbrücke validiert. Zudem werden aggregierte Qualitätsindikatoren zur Beschreibung des Brückenzustands erarbeitet und in einem strukturierten Datenmodell verortet, sodass diese in den digitalen Zwilling integriert werden können. Ferner wird ein Konzept zur Erweiterung der Nachrechnungsrichtlinie in Form von Handlungsempfehlungen für einzelne Tragsicherheitsnachweise vorgeschlagen.
Kurzfassung
Digitalisierte Sensorknoten an der Köhlbrandbrücke in Hamburg
Primäres Ziel im Projekt ANYTWIN ist die Entwicklung standardisierter Mess- und Auswertekonzepte für ausgewählte Tragsicherheitsnachweise. Damit soll die Grundlage für eine zukünftig realitätsnahe Überwachung in digitalen Brückenzwillingen geschaffen werden. Die Konzepte berücksichtigen Einflüsse aus Datenqualität und Messumfang und stehen im Einklang mit der Sicherheitsphilosophie der Regelwerke. Für eine nachhaltige sowie interoperable Nutzung und zur Integration der Daten in digitale Zwillinge sollen Ausschreibungsstandards für Monitoringdaten definiert und ein Datenstrukturmodell entwickelt werden.
Ziel der TUD ist die Erforschung und Validierung standardisierter Konzepte für messdatengestützte Nachweisführungen und die strukturierte Integration aggregierter Brückenzustandsdaten innerhalb des digitalen Zwillings. Dazu müssen folgende Forschungsfragen beantwortet werden:
- Welche Anforderungen werden an das Monitoringsystem hinsichtlich Datenqualität und -quantität gestellt?
- Welche bestehenden Auswertealgorithmen eignen sich für die messdatengestützte Nachweisführung und wie sind diese anzuwenden?
- Wie sieht die Datenstruktur im digitalen Zwilling für die Abstraktion relevanter Bauwerksinformationen aus?
Hierfür wird einerseits ein Ausschreibungsstandard für Monitoringsysteme erarbeitet, andererseits die von den Projektpartnern in vorherigen Arbeitspaketen erarbeiteten Konzepte für messdatengestützte Nachweisführungen systematisch verglichen und gängige Auswertemethoden analysiert. Damit wird die Performance unterschiedlicher Konzepte mithilfe von Realdaten bestehender Brücken erforscht und die Praxistauglichkeit der Konzepte validiert. Zudem werden aggregierte Qualitätsindikatoren zur Beschreibung des Brückenzustands erarbeitet und in einem strukturierten Datenmodell verortet, sodass diese in den digitalen Zwilling integriert werden können. Ferner wird ein Konzept zur Erweiterung der Nachrechnungsrichtlinie für einzelne Tragsicherheitsnachweise vorgeschlagen.