ASC // Von den Nibelungen zum digitalen Zwilling

Neue Wege der zukunftsorientierten Bauwerksprüfung und -überwachung beschreitet die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP 2388 „Hundert plus – Verlängerung der Lebensdauer komplexer Baustrukturen durch intelligente Digitalisierung“ (SPP 100+), welches die historische Nibelungenbrücke Worms als Demonstrations- und Validierungsobjekt nutzt, führt die BAM ein Projekt zur Entwicklung neuer Methoden für digitale Bauwerksüberwachung und proaktives Instandhaltungsmanagement durch. Mit dabei sind smarte ASC-Sensorsysteme der Serie „ASC AiSys ECO“.

Dazu erklärt Dr. Ralf Herrmann, Wissenschaftler am Fachbereich 7.2 „Ingenieurbau“ im Bereich Structural Health Monitoring (SHM) der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung: „Das Schwerpunktprogramm der DFG soll innovative Lösungen für Industrie, Behörden, Straßenverwaltung und Gesellschaft in ihren Grundlagen untersuchen.“

Sicherheit und Nachhaltigkeit

Der Zustand eines Bauwerks kann sich durch Beanspruchung und Alterung verändern, nach etwa 40 Jahren werden Verschleiß und Degradation sichtbar. Um Gebrauchstauglichkeit, Standsicherheit und Verkehrssicherheit zu gewährleisten, sollen Erhaltungs-, Sanierungs- und Verstärkungsmaßnahmen früh geplant und zum richtigen Zeitpunkt umgesetzt werden. „In unserem Forschungsprojekt wollen wir dieses Defizit beheben und zu einem prädiktiven Instandhaltungsansatz gelangen, der ausgehend von validen Referenzdaten rasch auch auf andere vergleichbare Bauwerke übertragen werden kann“, so Herrmann.

Umfassende Grunddaten

Seit Mai 2023 erfassen an der Nibelungenbrücke Worms zwei komplementäre SHM-Systeme Grunddaten zu aktuellen Beanspruchungszuständen. Dazu zählen Messungen von Beschleunigung, Dehnung, Neigung und Verschiebung sowie Temperatur und Feuchte. Ergänzend liegen Bestandsunterlagen vor. Zusätzlich werden zerstörungsfreie Prüfungen durchgeführt. Herrmann: „Diese umfassenden Grunddaten zeichnen ein realistisches Bild der Strukturbeanspruchungen und der Umwelteinwirkungen und werden ergänzt durch die Erfassung von zusätzlichen lastbedingten Schwingungen, die zum Beispiel durch einen einzelnen Schwerlastkraftwagen in der Nacht, einen Sturm am Wochenende oder in Spitzenverkehrszeiten verursacht werden.“

Referenzdaten für präventives Monitoring

Die BAM installierte im Juli 2023 smart konfigurierte Beschleunigungssensoren des Typs „ASC AiSys ECO-3321-008-CAN“. Das erweiterte Schwingungsmonitoring liefert zusätzliche Referenzdaten, die digital übermittelt und ausgewertet werden. Die MEMS-basierten ASC Systeme ergänzen referenzbasierte Methoden um präzise, dynamische Echtzeitmessungen und sind einfach zu installieren. Die CAN-Bus-Fähigkeit erleichtert Anpassungen. „So können wir das Setup effizient anpassen, ohne jedes Mal auf die Brücke fahren und neue Kabel zu den Datenerfassungssystemen ziehen zu müssen. Das machen wir nun im Büro am Computer, was viel Zeit spart“, berichtet Sebastian Degener, Laboringenieur im Bereich SHM der BAM.

Digitaler Zwilling für sicheren Brückenbetrieb

Messdaten der smarten Sensorsysteme werden mit Bauwerksinformationen auf einer Datenplattform verknüpft, Algorithmen berechnen daraus Modelle zur Zustandsabschätzung, den digitalen Zwilling. Auf dieser Basis lassen sich künftige Anforderungen, Veränderungen in Struktur und Material sowie Wartungs- und Reparaturbedarfe rechtzeitig abschätzen. „Dazu erwarten wir aus unserem Pilotprojekt Aufschlüsse darüber, wie man über KI-Methoden bestimmte Klassifizierungen gewinnen kann, die sich rasch auf andere Bauwerke ähnlicher Bauweise, Geometrie, Materialien, Beanspruchung und Altersklasse übertragen lassen“, so der BAM-Experte.

Sensoren zur Erfassung der Bauwerksdynamik

Die Echtzeitübertragung und Auswertung auf Grundlage von „ASC AiSys ECO“ schafft eine flexibel anpassbare Basis. „Mit den smarten ASC-Sensoren können wir in diesem Projekt die Dynamik eines Bauwerks erfassen und effizient analysieren. Darüber hinaus erhalten wir eine Menge ‚weicher‘ Informationen, die teils in der Forschung genutzt, teils für künftige Anwendungen gespeichert werden. Aktuell werden die Messdaten der Sensoren analysiert, um Fahrzeugbewegungen zu klassifizieren“, berichtet Degener. Degener arbeitet an einer standardisierten Schnittstelle. „Ohne die saubere Beschreibung von Messdaten kann man diese nicht effizient nutzen oder teilen. Die standardisierte Messdatenbereitstellung und -verknüpfung schafft einen Mehrwert, der durch getrennte Analysen nicht erzielbar wäre.“

Die Nibelungenbrücke Worms

Als Validierungsbauwerk für SPP 100+ wurde die Nibelungenbrücke Worms gewählt. Die Brücke verbindet Worms über den Rhein und sie ist denkmalgeschützt. Das im Zweiten Weltkrieg zerstörte Vorgängerbauwerk wurde von 1951 bis 1953 wieder errichtet, 2008 kam eine neue Rheinquerung hinzu. Die Gesamtspannweite beträgt rund 350 m, das BAM-Projekt nutzt einen Abschnitt von etwa 100 m. Die im Sommer 2023 begonnenen Monitoring-Aktivitäten sollen bis 2026 abgeschlossen und ausgewertet sein.

Text: ASC