Bauwerksmonitoring

Folgende Anwendungfälle im Bauwerksmonitoring werden angeboten

Anwendungsfall 010: Bekannte lokal verortete Schäden

Ausgangssituation:

Am Bauwerk sind Schäden vorhanden. Diese wurden bspw. in Rahmen der Bauwerksprüfung, einer OSA oder in ZfP festgestellt.

Umsetzung:

Da es sich meist um lokale Schäden handelt, wird i.d.R. ein lokales Monitoringsystem eingesetzt, das den vorliegenden Schaden gezielt überwacht. Handelt es sich um eine sicherheitsrelevante Überwachung eines Schadens, sind im Vorfeld zur Messung im Rahmen der Erstellung des Monitoringkonzeptes bereits Grenzwerte und einzuleitende Gegenmaßnahmen zu definieren.

Nutzen:

Durch das Monitoring erfolgt die Überwachung des Schadensfortschrittes sowie die Abschätzung weiterer lokaler Entwicklungen durch Überwachung des lokalen Sachverhaltes. Hierdurch wird eine Erhöhung der Sicherheit sowie die Sicherung bzw. Gewährleistung und ggf. die Verlängerung der Restnutzungsdauer erreicht. Weiterhin können durch die messtechnische Schadensüberwachung erforderliche Sonderinspektionen in ihrer Anzahl reduziert werden. 

Anwendungsfall 020: Bekannte Defizite aus Nachrechnung oder Konstruktion

Ausgangssituation

Im Ergebnis bereits durchgeführter Nachrechnungen des Tragwerks ergaben sich rechnerische Defizite oder an ähnlichen Konstruktionen wurden Defizite festgestellt, die es zu überwachen gilt. Am betreffenden Tragwerk müssen dabei noch keine Schäden infolge dieser Defizite aufgetreten sein.

Umsetzung

Obwohl die Nachrechnung Hinweise auf die Art eines Schadens oder den potenziellen Schadensort liefern kann, ist beides im Vorfeld oft nicht hinreichend bekannt. Haben sich bereits Schädigungen infolge des Defizites eingestellt und wurden diese im Rahmen einer Bauwerksprüfung erkannt, ist der Schadensort bekannt. Aufgrund des Schadensbildes kann häufig auch auf die Schadensursache geschlossen werden. Sind Schadensort und Schadensart unbekannt, wird ein globales Monitoringsystem eingesetzt, bei dem globale Parameter eines Bauwerks, die auf eine Schädigung schließen lassen, erfasst werden. Entsprechende Parameter können aus Systemreaktionen über Messungen von bspw. Beschleunigungen oder Verformungen bestimmt werden. Durch die Erfassung der globalen Systemreaktion können durch Schäden verursachte Änderungen an der Systemsteifigkeit und in der Folge am Tragverhalten des Systems detektiert werden. Voraussetzung für den Einsatz von Monitoring als Kompensationsmaßnahme ist, dass sich die maßgebenden Defizite und die sich daraus ergebenden möglichen Strukturveränderungen mit einer entsprechenden Vorankündigung einstellen, lokalisierbar und mit messtechnischen Mitteln überwachbar sind. Die Messung der Parameter und anschließende Auswertung ermöglicht Rückschlüsse auf die Art des Schadens und den Schadensort . Alternativ kann das globale Monitoring auch auf die Detektion der Schädigungsursache ausgelegt werden. Hierbei ist jedoch aufgrund des unbekannten Schadensortes ein hinreichend großes Monitoringsystem erforderlich, um sämtliche Bereiche, in denen das Defizit ermittelt wurde, erfassen zu können . Für den Fall, dass Schadensart und Schadensort bekannt sind (bspw. beim Nachrechnungsdefizit Ermüdung der Koppelfuge oder Querkraft), ist der Einsatz eines lokalen Monitorings, bspw. zur lokalen Überwachung der Schubbereiche zur Detektion entstehender Schubrisse, zu bevorzugen. Die Ergebnisse des Monitorings können in diesem Fall auch für einen messwertgestützten Nachweis verwendet werden. Aus den Nachrechnungen können Grenzwerte für bspw. Einwirkungen oder Beanspruchungen ermittelt werden, mit denen die Nachweise noch erbracht werden können. Mit Hilfe des Monitorings am Bauwerk kann dann überwacht werden, ob diese Grenzwerte eingehalten werden. Kommt es zu einer Überschreitung der Grenzwerte, kann eine ereignisbasierte Bauwerksprüfung oder Sonderprüfung eingeleitet werden. Wichtig ist in diesem Fall, dass das weitere Vorgehen bei einer Überschreitung eindeutig definiert ist, damit unmittelbar gehandelt werden kann. 

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Nutzen:

Durch die messtechnische Überwachung können die Bauwerke trotz Vorhandensein von Defiziten (rechnerisch / basierend auf Erfahrung) weiter betrieben werden. Sowohl die lokale Überwachung defizitärer Bereiche als auch die Überwachung globaler Systemparameter verfolgen das Ziel der Detektion plötzlicher Schadensereignisse ab Überwachungsbeginn. Wird die messtechnische Überwachung als Kompensationsmaßnahme angesehen, ist ein duktiles Bauwerksverhalten mit Versagensvorankündigung Voraussetzung. 

Anwendungsfall 040: Unterstützung der Bauwerksprüfung

Ausgangssituation:

Die in regelmäßigen Abständen durchgeführten Bauwerksprüfungen nach DIN 1076 sollen durch Monitoring unterstützt werden. Sowohl bei schadensfreien Bauwerken als auch bei solchen, an denen bereits Schäden oder Defizite bekannt sind, können durch Monitoring zusätzliche Informationen gewonnen werden.

Umsetzung

Alle Ingenieurbauwerke werden in regelmäßigen Abständen nach der DIN 1076 einer handnahen Sichtprüfung unterzogen. Dabei wird das Bauwerk visuell auf Mängel, Schäden und Zustandsveränderungen untersucht. Im Ergebnis werden die Verkehrssicherheit, Dauerhaftigkeit und Standsicherheit des Bauwerks zu diskreten Zeitpunkten festgestellt. Monitoring kann dabei an verschiedenen Stellen im Prozess der Bauwerksprüfung eingesetzt werden, um ergänzende Informationen zur Optimierung der Beurteilung des Tragwerkes zu generieren . Eine Möglichkeit der Unterstützung stellt der Einsatz von instrumentierten Bauteilen dar. Die Erfassung von Performanceparametern ermöglicht Aussagen zu vorhandenen Schäden an den entsprechenden Bauteilen und ggf. sogar die Prognose zukünftiger Entwicklungen. Auch die kontinuierliche sensorbasierte Überwachung von bekannten Defiziten oder in früheren Bauwerksprüfungen festgestellten Schäden sei an dieser Stelle noch einmal genannt, siehe Anwendungsfälle 010 und 020. Eine weitere Möglichkeit stellt der Einsatz von bildbasiertem Monitoring dar, wodurch zum einen Stellen am Bauwerk identifiziert werden, die im Rahmen der Bauwerksprüfung genauer untersucht werden sollen. Durch den Einsatz von mobilen Robotersystemen und Drohnen (unmanned aircraft systems, UAS) zur automatischen Bilderfassung wird zum anderen eine Reduzierung von Einsatzrisiken für speziell ausgebildete Kletterer und Ingenieure an schwer erreichbaren Bauteilen erzielt, während die UAS-Bilddaten der gesamten Oberfläche großer Bauwerke hochauflösend und effizient erfassen. Unter Zuhilfenahme von KI-gestützten Auswerteverfahren der Bilder kann eine automatisierte Erkennung von Rissen, Abplatzungen oder anderen Veränderungen erfolgen. Im Gegensatz zum sensorbasierten Monitoring ermöglichen bildbasierte Verfahren eine größere Standardisierung, Objektivierung und automatische Ortsreferenzierung. Beim Einsatz automatisierter Verfahren zur Erkennung von Schäden ist sicherzustellen, dass ebendiese sicher erkannt werden. Werden durch das Monitoring oder durch automatisierte Verfahren Schäden festgestellt, sind diese durch eine handnahe Prüfung näher zu untersuchen. Bei allen genannten Einsatzmöglichkeiten ist Monitoring nicht als Ersatz bzw. Konkurrenz zur Bauwerksprüfung, sondern als sinnvolle Ergänzung zu verstehen.

Nutzen:

Sensordaten können permanent abgefragt werden, wohingegen die Bauwerksprüfung stets eine Momentaufnahme darstellt, die im Regelfall alle drei bis sechs Jahre aktualisiert wird. Ein Monitoring z. B. bei vorgeschädigten Bauteilen kann somit eine Möglichkeit darstellen, die Anzahl erforderlicher Bauwerks- bzw. Sonderprüfungen zu reduzieren bzw. die Sicherheit durch permanente Überwachung der Bauwerksreaktionen zu erhöhen. Bedingt durch die zeitlich diskreten Zustandserfassungen und analogen Aufnahme, Auswertung und Verwaltung von Zustandsinformationen im Rahmen der Bauwerksprüfung, die im Regelfall alle drei bis sechs Jahre durchgeführt wird, erfolgt die Verknüpfung von Prüfergebnissen und Erhaltungsmaßnahmen eher reaktiv. Prognosen über bisherige und zukünftige zeitliche Entwicklungen von Schäden spielen kaum eine Rolle. Zusätzlich lässt sich die Kontrolle von nicht oder nur schwer zugänglichen Bereichen (z.B. nicht begehbare Hohlkästen, Bauteile über Bahnstrecken) durch Monitoring ergänzen und es wird eine Reduzierung von Einsatzrisiken für speziell ausgebildete Kletterer und Ingenieure erzielt. Insgesamt wird folglich die Informationsdichte zur Interpretation des Bauwerkszustandes erhöht und dem Betreiber stehen kontinuierliche Informationen zu Veränderungen des Bauwerkszustandes zur Verfügung und es erfolgt die Identifikation von Stellen, die im Rahmen der Bauwerksprüfung näher untersucht werden sollen. 

Anwendungsfall 050: Begleitung bedeutender Bauwerke

Ausgangssituation:

Die Verfügbarkeit bedeutender Bauwerke, deren Ausfall große Auswirkungen auf das Verkehrsnetz oder die einen hohen kulturellen Wert haben, soll sichergestellt werden. Ein Bauwerk kann aus verschiedenen Gründen als bedeutsam erachtet werden. Die Bedeutung des Bauwerks für die Netzverfügbarkeit, hohe Verkehrszahlen oder ein aufwendiges Umleitungssystem im Ausfall können bspw. als verkehrliche Gründe aufgeführt werden. Konstruktive Gründe ergeben sich z. B. aus der Lage und Größe des Bauwerks sowie der Berücksichtigung von Möglichkeiten zur Schaffung von kurzfristigem Ersatz. Am entsprechenden Bauwerk müssen keine Schäden oder Defizite bekannt sein. Der Anwendungsfall kann sowohl bei Neubauten als auch Bestandstragwerken zum Tragen kommen. 

Umsetzung:

Bei diesem Anwendungsfall wird ein globales Monitoringsystem eingesetzt, sofern keine zu überwachenden Schäden vorhanden sind. Neben globalen statischen und dynamischen Parametern, aus denen Änderungen der Systemsteifigkeit erkannt werden, können auch verschiedene Parameter in den hochbeanspruchten Bereichen des Bauwerks überwacht werden. Die Identifikation der hochbeanspruchten Bereiche kann in der Planung (Neubau) oder durch eine Nachrechnung (Bestandsbauwerk) erfolgen. Wird bereits in der Planungsphase eines Bauwerks die Entscheidung für ein begleitendes Monitoring gefällt und die Installation in den Bauprozess integriert, können schon aus dem Herstellungsprozess Informationen gewonnen werden.

Nutzen:

Durch die permanente Überwachung steht zum einen dem Bauwerkseigentümer zu jedem Zeitpunkt eine Einschätzung des Zustandes zur Verfügung, zum anderen wird die Bauwerksprüfung unterstützt (vgl. auch Anwendungsfall 040). Hierdurch wird ein effizienteres zustandsabhängiges Ertüchtigungs- und Instandsetzungsmanagement möglich. Übergeordnet wird eine größtmögliche Verfügbarkeit bedeutender Bauwerke sichergestellt. Die Ausführungen in diesem Anwendungsfall lassen sich auch auf die Überwachung von Teilkomponenten und neuralgischen Punkten eines Tragwerks (bspw. Endverankerungen, Gerbergelenke) skalieren.