Von den Nibelungen zum digitalen Zwilling

ASC GmbH: Neue Wege der zukunftsorientierten Bauwerksprüfung und -überwachung beschreitet die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin. 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, richtungsweisender Methoden für digitale Bauwerksüberwachung und proaktives Instandhaltungsmanagement durch. Mit dabei: smarte ASC-Sensorsysteme der Serie ASC AiSys® ECO.

Sicherheit und Nachhaltigkeit

Der Zustand eines Bauwerks kann beanspruchungsbedingt mit fortschreitendem Lebensalter von zunehmender Materialermüdung geprägt sein. Obwohl Brücken und andere Infrastrukturobjekte in der Regel für eine lange Nutzungsdauer ausgelegt sind, können nach etwa 40 Jahren Verschleiß und Degradation sichtbar werden.

Um die wirtschaftliche Nutzbarkeit komplexer Bauwerke zu verlängern, sind deutlich mehr Messungen zu einem viel früheren Zeitpunkt erforderlich als heute üblich. „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“, erklärt Dr. Ralf Herrmann, Wissenschaftler im Fachbereich Structural Health Monitoring der BAM.

Es geht aber auch um Nachhaltigkeit von Verkehrsinfrastruktur. „Wir wollen helfen, Bauwerke mit weniger Aufwand in einem optimalen Zustand zu halten, damit sie länger genutzt werden können. Dies gilt ebenso für Bauwerke von historischer und ingenieurstechnischer Bedeutung wie die Nibelungenbrücke Worms, wie auch für Brücken im Autobahn- und Eisenbahnnetz.

Smarte Referenzdaten für präventives Monitoring

Seit Anfang Mai 2023 werden im Zuge des SPP 100+ an der Nibelungenbrücke Worms zwei einander ergänzende Structural Health Monitoring Systeme betrieben, welche an relevanten Messpunkten Grunddaten über aktuelle Beanspruchungszustände sammeln. Diese zeichnen ein realistisches Bild der Strukturbeanspruchungen und Umwelteinwirkungen und werden ergänzt durch die Erfassung zusätzlicher, lastbedingter Schwingungen.

In der ersten Phase des SPP kann jedes der 20 Projekte das Validierungsbauwerk um weitere, individuelle Sensoranwendungen ergänzen bzw. Messungen durchführen. Die BAM nutzte diese Möglichkeit, um smarte, speziell für die Gegebenheiten der Testbrücke konfigurierte Beschleunigungssensoren des Typs ASC AiSys® ECO-3321-008-CAN zu installieren. Mit der Erweiterung des Gesamtsystems um ein Schwingungsmonitoring werden zusätzliche Referenzdaten für das vorausblickende Monitoring des Zustands dieser und ähnlicher Brücken erfasst, digital übermittelt und ausgewertet.

Dabei bieten die innovativen MEMS-basierten Beschleunigungssensor-Systeme von ASC eine gute Ergänzung zu traditionellen, referenzbasierten Überwachungsmethoden. Ihre präzise, dynamische Echtzeit-Abweichungsmessung erweitert den Anwendungsspielraum. Die einfache Installation erhöht die Flexibilität der Anwendung und bietet wertvolle zusätzliche Einsatzmöglichkeiten.

Digitaler Zwilling für sicheren Brückenbetrieb

Die CAN-Bus-Fähigkeit smarter Sensortechnologie ist von Vorteil. Das Setup kann effizient vom Computer aus angepasst werden, ohne jedes Mal auf die Brücke fahren und neue Kabel zu den Datenerfassungssystemen ziehen zu müssen.

„Damit können wir konkrete technische Fragen fundiert beantworten – auch für weitere Brücken, die schon lange im Dienst stehen“, erklärt Herrmann. Über smarte Sensorsysteme am Bauwerk können Messdaten erfasst und digital mit einer Datenplattform verlinkt werden. Dort werden sie mit den Bauwerksinformationen, historischem Grundlagenwissen sowie externen Faktoren verknüpft. Mathematische Algorithmen errechnen aus diesem komplexen Datenmix Modelle zur Zustandsschätzung der Brücke: ihren digitalen Zwilling. Anhand dieses Modells und unter kontinuierlicher Einspeisung weiterer Messdaten und Belastungsprofile sollen künftige Anforderungen, Veränderungsprozesse in Bauwerksstruktur und Material wie auch Wartungs- und Reparaturbedarf rechtzeitig abgeschätzt werden.

Innovative Partner für Pionierlösungen

Die digitale Datenübertragung und -auswertung in Echtzeit auf Grundlage des ASC AiSys ECO bietet eine solide und flexibel anpassbare Grundlage für einen so enormen Messumfang. Die Sensoren bieten aufgrund ihrer speziellen neuen Funktionen – wie hochfrequenter Datenabtastung, erweiterter Filterung und Datenreduktion, doppelter Integration und Driftkorrektur, adaptiver DC-Offset-Kompensation in Echtzeit, Phasenkorrektur und Beseitigung unerwünschter Einflüsse sowie der integrierten Datenverarbeitung und -ausgabe interessante neue Messmöglichkeiten.

„Was uns im Bereich der Forschung am Team von ASC besonders gefällt ist, dass wir im direkten Kontakt Ideen und Anforderungen besprechen, Fragen klären und Probleme lösen können. Das ist in diesem Markt nicht selbstverständlich.“