Intelligente Bruecke – Konzeption eines modular aufgebauten Brueckenmodells und Systemanalyse

Die Erhaltung des Brueckenbestandes des Bundes hat hohe Prioritaet, um eine uneingeschraenkte Mobilitaet im Bundesfernstrassennetz gewaehrleisten zu koennen. Die Planung des Einsatzes finanzieller Mittel erfordert unter anderem eine genaue Kenntnis des Zustandes der jeweiligen Brueckenbauwerke. Die Bauwerkspruefung erfolgt derzeit "handnah" in festen Intervallen mit einem nach DIN 1076:1999-11 festgelegten Pruefungsumfang. Man spricht von einem zustands- beziehungsweise schadensbasierten Erhaltungsmanagement. Das derzeitige Verfahren beschreibt den IST-Zustand ohne detaillierte Rueckschluesse auf die Entstehung von Schaeden zu liefern. Strukturelle Abhaengigkeiten beziehungsweise gegenseitige Beeinflussung von Schaedigungsmechanismen werden bisher nicht beruecksichtigt. Das Ziel des Themenschwerpunktes "intelligente Bauwerke" ist daher, ein verbessertes Konzept fuer herausragende, bedeutende Bruecken zu entwickeln. Von der reinen Datensammlung soll ein Uebergang zu einem Brueckenmodell erfolgen, welches Informationen direkt weiterverarbeiten kann. Im Rahmen dieses Projekts wird ein Systemmodell entwickelt, welches sowohl strukturelle Abhaengigkeiten als auch Interaktionen zwischen Schaedigungen beruecksichtigt. Das Modell fungiert nicht als "Black-Box", sondern erlaubt es, Rueckschluesse auf die Schadensursachen zu ziehen sowie Informationen ueber die Relevanz der Schaeden beziehungsweise deren Wirkungen auf die einzelnen Bauteile und das Gesamtsystem zu erhalten. Ein neuer Modellierungsansatz fuer die Bauwerkspruefung und Zustandsbewertung fuer Brueckenbauwerke wurde entwickelt, der so genannte Einflussbaum. Der Einflussbaum ermoeglicht eine detaillierte Abbildung von Schaedigungsmechanismen durch die Einfuehrung flexibler logischer Verknuepfungen. Im Gegensatz zu reinen Boole'schen Verknuepfungen herkoemmlicher Modellierungsmethoden kann dieses Element auf verschiedene Arten die komplexen Zusammenhaenge des Einflusses von Schaeden abbilden. Die Verknuepfungen koennen frei definierte Gleichungen beziehungsweise Vorschriften beinhalten. Auf diese Weise koennen sowohl einfache grenzwertbasierte als auch vollprobabilistische (zuverlaessigkeitsbasierte) Zustandsbewertungen abgebildet werden. Der konzipierte Einflussbaum besteht aus drei Modellebenen: der Strukturebene, der Ebene der Schadensbilder und der Parameterebene. Im Zuge des Ausarbeitens eines Einflussbaumes wird das Bauwerk in einzelne Bauteile strukturiert zerlegt und die entstehenden Elemente hierarchisch angeordnet. Die einzelnen Elemente geben auf einer zugeordneten Skala ihren Zustand aus. Eine Nachverfolgbarkeit verschiedener Einfluesse ist somit gegeben. Fuer die Beschreibung aller Ebenen des Einflussbaums kommt die grafische Notationssprache Systems Modeling Language (SysML) zum Einsatz. SysML ermoeglicht die Modularisierung benutzerdefinierter Strukturteile des Einflussbaums. Die Module koennen in das Gesamtmodell unkompliziert eingefuegt werden. Der Modellierungsprozess wird dadurch stark beschleunigt. Das Hauptergebnis ist ein neues, modellbasiertes Bauwerkszustandsermittlungssystem (Einflussbaum), welches die Berechnung des Zustands nicht nur fuer das Gesamttragwerk, sondern auch fuer dessen einzelne Komponenten ermoeglicht. Mithilfe des Einflussbaums koennen zum einen bestehende Schaedigungen modelliert und zum anderen Schaedigungsablaeufe simuliert werden. Der Einflussbaum kann somit im Rahmen der Zustandsbewertung von Bauwerken eingesetzt werden und darueber hinaus als Prognosetool zur Ermittlung des kuenftigen Bauwerkszustands herangezogen werden. In der Planungsphase ermoeglicht das Systemmodell mit einer Parameterstudie kritische Bauteilkomponenten, sogenannter HotSpots, zu lokalisieren. Die gewonnen Erkenntnisse koennen als Entscheidungshilfe fuer die Platzierung von Sensorik dienen. Im Vergleich der neuen systemmodell-basierten Methode und einer herkoemmlichen Bauwerksbewertung liegt der Hauptunterschied darin, dass eine Systemanalyse mit einem Einflussbaum den zugrundeliegenden Schaedigungsmechanismus aufzeigt. Es werden detailliert die Eingangsparameter fuer Schaedigungen, die jeweiligen vorherrschenden Schaedigungsprozesse und die betroffenen strukturellen Komponenten ermittelt. Dies traegt zu einem tieferen Verstaendnis der Zustandsentwicklung von Bauwerken bei und ermoeglicht einerseits eine realitaetsnahe Zustandsbeurteilung und andererseits auch eine Beruecksichtigung des Erkenntnisgewinns in der Planung von Neubauten hinsichtlich potenzieller Schwachstellen beziehungsweise eines effektiven Einsatzes von Monitoringkonzepten. ABSTRACT IN ENGLISH: The ongoing maintenance of state-owned bridge structures has a high priority to ensure the continued free flow of traffic on Germany's national motorways and highways. To effectively plan the disposition of finances, one needs precise data on the condition of the respective structures. Bridge inspections currently take form of close-up manual evaluations undertaken at regular intervals according to a standardized procedure as defined in the DIN 1076:1999-11. Based on the degree and extent of damage, a so-called damage score for a construction element is calculated according to an algorithm. Maintenance strategies are then developed based on the condition of the structure. A key criticism of this approach is that the inspection takes place at predefined intervals regardless of the actual condition of the respective structure. In addition, the assessment conducted by government agencies or engineering firms is very subjective. The current procedure describes the actual state without recording details on the cause of the damages. Structural dependencies or mutual influences are not considered. The aim of the "intelligent structures" focal area is therefore to develop an improved concept. The intention is to progress beyond just collecting data and to effect a transition to a bridge information model that holds information for further processing. The concept of the modelling approach developed as part of this project is to create a system model which can represent structural dependencies as well as interactions between damages. The model is more than simply a "black box" container of information: the intention is to make it possible to draw conclusions about the cause of damages as well as their relevance and effects on the respective parts of the construction and the structure as a whole. A new modelling approach for bridge inspections and condition assessment for bridge structures is proposed, the so-called impact tree. The impact tree diagram makes it possible to describe damage mechanisms in detail by introducing logical connections. In contrast to the purely Boolean links used in conventional modelling approaches, these logical connections are able to represent different kinds of complex relationships and dependencies between damages and their influences. These connections can take the form of freely definable equations or regulations. This makes it possible to model both simple threshold-value-based assessments as well as fully probabilistic (reliability-based) assessments of the conditions of a construction. The impact tree concept is comprised of three modelling levels: the structural level, the level of the damage patterns and a parametric level. When developing an impact tree, the structure is broken down into individual construction elements which are then organized hierarchically. The condition of the individual elements is recorded on an according scale. This makes it possible to trace the path of the different influences. To describe the levels of the impact tree, the Systems Modeling Language (SysML) graphical notational language is used. SysML makes it possible to modularize user-defined parts of the structure of the impact tree. These modules can then easily be incorporated into the overall model, speeding up the modelling process considerably. The principal outcome is a new, system-based building condition evaluation system (impact tree) which makes it possible to record not just the condition of the structure as a whole but also of its individual component parts. Using the impact tree, an existing damage pattern can be modelled and future damage patterns can be simulated. As a consequence, the impact tree can be used not only to assess the condition of bridge structures but also as a prognostic tool to predict possible changes to its condition in future. In the planning phase, this system model can be used in conjunction with a parameter study to localize critical components and so-called hotspots. This in turn can be used to help determine where to place sensors in the structure. Compared with conventional bridge inspection and assessment methods, the new system-model-based method makes it possible to employ systems analysis using an impact tree to identify the underlying damage mechanisms. Detailed input parameters are determined for the damages, the respective prevailing damage processes and the affected structural components. This helps to provide a better understanding of the development of the condition and damage patterns of bridge structures and provides on the one hand a realistic assessment of the condition of the structure and on the other the ability to employ this knowledge in the planning of new bridge structures to minimize potential weak points and to design effective monitoring concepts.