Intelligente Brücke - Konzeption eines modular aufgebauten Brückenmodells und Systemanalyse

Die Erhaltung des Bruckenbestandes des Bundes hat hohe Prioritat, um eine uneingeschrankte Mobilitat im Bundesfernstrasennetz gewahrleisten zu konnen. Die Planung des Einsatzes finanzieller Mittel erfordert unter anderem eine genaue Kenntnis des Zustandes der jeweiligen Bruckenbauwerke. Die Bauwerksprufung erfolgt derzeit "handnah" in festen Intervallen mit einem nach DIN 1076:1999-11 festgelegten Prufungsumfang. Man spricht von einem zustands- bzw. schadensbasierten Erhaltungsmanagement. Das derzeitige Verfahren beschreibt den IST-Zustand ohne detaillierte Ruckschlusse auf die Entstehung von Schaden zu liefern. Strukturelle Abhangigkeiten bzw. gegenseitige Beeinflussung von Schadigungsmechanismen werden bisher nicht berucksichtigt. Das Ziel des Themenschwerpunktes "intelligente Bauwerke" ist daher, ein verbessertes Konzept fur herausragende, bedeutende Brucken zu entwickeln. Von der reinen Datensammlung soll ein Ubergang zu einem Bruckenmodell erfolgen, welches Informationen direkt weiterverarbeiten kann. Im Rahmen dieses Projekts wird ein Systemmodell entwickelt, welches sowohl strukturelle Abhangigkeiten als auch Interaktionen zwischen Schadigungen berucksichtigt. Das Modell fungiert nicht als "Black-Box", sondern erlaubt es, Ruckschlusse auf die Schadensursachen zu ziehen sowie Informationen uber die Relevanz der Schaden bzw. deren Wirkungen auf die einzelnen Bauteile und das Gesamtsystem zu erhalten. Ein neuer Modellierungsansatz fur die Bauwerksprufung und Zustandsbewertung fur Bruckenbauwerke wurde entwickelt, der so genannte Einflussbaum. Der Einflussbaum ermoglicht eine detaillierte Abbildung von Schadigungsmechanismen durch die Einfuhrung flexibler Logischer Verknupfungen. Im Gegensatz zu reinen Boole'schen Verknupfungen herkommlicher Modellierungsmethoden kann dieses Element auf verschiedene Arten die komplexen Zusammenhange des Einflusses von Schaden abbilden. Die Verknupfungen konnen frei definierte Gleichungen bzw. Vorschriften beinhalten. Auf diese Weise konnen sowohl einfache grenzwertbasierte als auch vollprobabilistische (zuverlassigkeitsbasierte) 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 Skale ihren Zustand aus. Eine Nachverfolgbarkeit verschiedener Einflusse ist somit gegeben. Fur die Beschreibung aller Ebenen des Einflussbaums kommt die grafische Notationssprache Systems Modeling Language (SysML) zum Einsatz. SysML ermoglicht die Modularisierung benutzerdefinierter Strukturteile des Einflussbaums. Die Module konnen in das Gesamtmodell unkompliziert eingefugt werden. Der Modellierungsprozess wird dadurch stark beschleunigt. Das Hauptergebnis des Projekts FE 15.038 ist ein neues, modellbasiertes Bauwerkszustandsermittlungssystem (Einflussbaum), welches die Berechnung des Zustands nicht nur fur das Gesamttragwerk, sondern auch fur dessen einzelne Komponenten ermoglicht. Mithilfe des Einflussbaums konnen zum einen bestehende Schadigungen modelliert und zum anderen Schadigungsablaufe simuliert werden. Der Einflussbaum kann somit im Rahmen der Zustandsbewertung von Bauwerken eingesetzt werden und daruber hinaus als Prognosetool zur Ermittlung des kunftigen Bauwerkszustands herangezogen werden. In der Planungsphase ermoglicht das Systemmodell mit einer Parameterstudie kritische Bauteilkomponenten, sog. HotSpots, zu lokalisieren. Die gewonnen Erkenntnisse konnen als Entscheidungshilfe fur die Platzierung von Sensorik dienen. Im Vergleich der neuen systemmodell-basierten Methode und einer herkommlichen Bauwerksbewertung liegt der Hauptunterschied darin, dass eine Systemanalyse mit einem Einflussbaum den zugrundeliegenden Schadigungsmechanismus aufzeigt. Es werden detailliert die Eingangsparameter fur Schadigungen, die jeweiligen vorherrschenden Schadigungsprozesse und die betroffenen strukturellen Komponenten ermittelt. Dies tragt zu einem tieferen Verstandnis der Zustandsentwicklung von Bauwerken bei und ermoglicht einerseits eine realitatsnahe Zustandsbeurteilung und andererseits auch eine Berucksichtigung des Erkenntnisgewinns in der Planung von Neubauten hinsichtlich potentieller Schwachstellen bzw. eines effektiven Einsatzes von Monitoringkonzepten.