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Digitaler Zwilling: Verwaltungsschale BBox als Datenablage über den Lebenszyklus einer Brücke
(2021)
Auf dem Weg zur digitalen Brücke existieren bereits erste Lösungen, die den Lebenszyklus einer Brücke abbilden können. Für die Planung, den Bau und den Unterhalt stehen unterschiedlichste Werkzeuge, z. B. BIM, DIN 1076, SIB-Bauwerke, Monitoring etc. zur Verfügung, die jeweils mit unterschiedlichen Datenformaten arbeiten. Für ein intelligentes Erhaltungsmanagement müssen aber alle Daten mit den verschiedenen Datenformaten zusammengeführt, abgelegt und so verwaltet werden können, dass über den gesamten Lebenszyklus einer Brücke die Abbildung eines ganzheitlichen digitalen Zwillings eines Bauwerks möglich ist. Die Autoren haben dafür mit BBox den Prototyp einer Verwaltungsschale (VWS) auf Grundlage von Industrie 4.0 entwickelt. Damit wird das physikalisch-ingenieurtechnische Modell zur Zustandsbewertung der Brücke in den Mittelpunkt gestellt und der gesamte Lebenszyklus einer Brücke kann unabhängig von Datenformaten digital erfasst werden. Da der Aufbau der VWS durch die Granularität optimal strukturiert ist, bietet die Ablage und Einspeisung von Messdaten sowohl die Grundlage eines Live-Monitorings als auch den Grundstein für maschinelles Lernen (ML). Der Datenzugriff via S3-Schnittstelle erleichtert die Entwicklung von eigenen Prognosemodellen mit Informationsmustern (SHIP – Structural Health Information Pattern). Am Beispiel der Heinrichsbrücke Bamberg wird die praktische intelligente Umsetzung des Bauwerksmonitorings inkl. VWS mit Informationsmustern und ML gezeigt.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren liefern wichtige Informationen zur Beurteilung von Bauwerken. Mit ihnen können Materialeigenschaften bestimmt oder die innere Struktur von Bauteilen beschrieben werden. Für letzteres werden in der Regel Volumenverfahren angewandt. Einen besonderen Stellenwert haben in der Praxis die Radar- und die Ultraschall-Echoverfahren.
Ihre Anwendung erfordert lediglich eine einseitige Zugänglichkeit
zum Bauteil. Zudem lassen sich zahlreiche unterschiedliche Prüfaufgaben lösen. Zum Stand der Technik gehören beispielsweise die Ortung von Bewehrung und Spannkanälen, die Bestimmung der Dicke von Bauteilen oder die Fehlerlokalisierung.
In diesem Beitrag wird gezeigt, wie mithilfe von Ultraschall-Echomessungen gesammelte Messwerte in ein quantitatives Messergebnis überführt werden können, das wiederum in ingenieurtechnische Berechnungen einfließen kann. Einleitend werden die Prüfmethode und die Messtechnik erläutert. Anschließend wird das Vorgehen von der Auswertung der Messergebnisse bis zur Bestimmung der bautechnischen
Kenngröße – Bauteildicke – gezeigt. Abschließend wird die Methodik an einem Referenzprüfkörper aus Polyamid demonstriert und den Ergebnissen von Messungen an Beton gegenübergestellt.
Durch die Einbeziehung von gemessenen Daten bei der Bewertung von bestehenden Bauwerken können Unsicherheiten bei der Beurteilung des Tragverhaltens reduziert werden, ohne das normative Zuverlässigkeitsniveau einzuschränken. Informationen sind die wesentliche Grundlage für die Analyse der Zuverlässigkeit von Tragwerken. Umso wichtiger ist die Kenntnis über die Präzision und die Richtigkeit der verwendeten Informationen. Aus messtechnischer Sicht kann ein Messwert, dem keine Messunsicherheit beigeordnet wurde, als wertlos erachtet werden. Liegt ein vollständig dokumentiertes Messergebnis vor, so ist die Qualität der gemessenen Information bekannt und deren Vergleichbarkeit gewährleistet. In diesem Beitrag wird am Beispiel einer Spannbetonbrücke und zweier Grenzzustände gezeigt, wie Messergebnisse aus der zerstörungsfreien Prüfung in probabilistische Nachweise von Bestandsbauwerken einfließen können und welche Auswirkungen die Implementierung von gemessenen Daten bei der Bewertung von Bestandsbauwerken haben kann.
The purpose of this contribution is to introduce and to apply the developed approach of incorporating non-destructively gathered measurement results (instead of deterministic information and assumptions) into a reassessment model of a typical prestressed concrete road bridge and to outline the advantages. An essential part is the quality evaluation of the non-destructively measured information, that deals primarily with two questions. Could the object or parameter to be obtained reliably detected and if, how accurate are the inspection results achieved? Therefore, the importance of the combination of a probability of detection (POD)-approach and measurement uncertainty calculations is emphasized. With regard to the introduced case-study it is shown, for which structure parameters an assumption deviating from the actual (and measurable) situation has a particularly strong (and possibly arithmetically unfavorable) influence on the structural reliability. Measurements on such parameters are particularly beneficial for a reliable and robust reassessment. In conclusion, the individual reassessment results without consideration and with consideration of evaluated non-destructive inspection results are compared.
Messen heißt wissen. Dieses Wissen spiegelt die Realität wider und soll den Statiker eines bestehenden Bauwerkes bei der Entscheidungsfindung über die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Konstruktion unterstützen. Gegenüber dem Neubauentwurf können bei der Bewertung von bestehender Bausubstanz Sicherheitsreserven genutzt werden, da Unsicherheiten, die beim Bau auftreten können, besser bekannt oder nicht mehr vorhanden sind. Können solche Unsicherheiten genauer bewertet werden, z. B. durch die Feststellung der genauen Lage der Spannglieder bei einer Spannbetonbrücke, so können Sicherheitsbeiwerte reduziert werden, ohne dass es dabei zu Auswirkungen auf das normativ festgelegte Zuverlässigkeitsniveau kommt. Mittlerweile sind Prüfmethoden an Bauwerken wirtschaftlich einsetzbar und auch so leistungsfähig, dass die für die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit wesentlichen Parameter identifiziert werden können. Ein wesentlicher Punkt ist hierbei die Integration derartiger Messergebnisse in Rechenmodelle, die für die Nachrechnung des Bauwerks verwendet werden. Dies können sowohl semiprobabilistische Rechenmodelle als auch vollprobabilistische Modelle sein. Bei semiprobabilistischen Methoden können aus den Messergebnissen Teilsicherheitsbeiwerte berechnet und abgeleitet werden, die dann in den bekannten Nachweisformaten gemäß den Eurocodes und der Nachrechnungsrichtlinie berücksichtigt werden. Bei vollprobabilistischen Nachweisen können die Messdaten in Form von Verteilungsdichtefunktionen mit gemessenen Variationskoeffizienten direkt in das Rechenmodell eingehen.
Making optimal decisions about the reliability of existing structures requires that the information used in assessment adequately represents the properties and the condition of the structures. The knowledge gap regarding a structure to be assessed can be successively filled by individually purposeful observations on site. This paper gives an overview of an approach for utilizing nondestructively gathered measurement results in reliability assessment of existing structures. An essential part of measurement-based stochastic modeling of basic variables is the calculation of measurement uncertainties, which serves to establish confidence in measurement, to ensure the comparability of unambiguously expressed measurement results, and to quantify the quality of the measured information. Regarding the current discourse on how to treat information collected on-site in the context of assessment, the authors recommend that measurement uncertainty becomes an uncertainty component mandatorily to be represented in measurement-based stochastic models. The main steps of the proposed concept are presented, and the advantages of its application are emphasized by means of a prestressed concrete bridge as case study. The bridge is assessed regarding the serviceability limit state decompression using ultrasonic and radar data measured at the structure.
Der Weg zur digitalen Brücke ist eingeschlagen. Im Bereich der Planung, Bauüberwachung und -ausführung wird aktuell das Building Information Modelling (BIM) eingeführt. Ist eine Brücke in der Baulast von Bund und Ländern errichtet, wird ihr Zustand im Zuge von wiederkehrenden Bauwerksprüfungen nach DIN 1076 lückenlos überwacht. Abgespeichert werden die Informationen der Überwachung in einer Datenbank (ASB-ING Teilsystem Bauwerksdaten). Aus dieser Datenbank können anschließend relevante Informationen in ein objektspezifisches Bauwerksbuch überführt werden. In dieser Datenbank werden im Vorfeld definierte Daten abgespeichert. Reine Messdaten oder aber auch die verwendeten ingenieurtechnisch-physikalischen Modelle verbleiben in der Regel bei den beauftragen Dienstleistern. Zusammengefasst existieren verschiedene parallele Insellösungen der Informationsablage. Gegenstand verschiedener Forschungsanstrengungen ist es nun Lösungen zu finden, die einen ganzheitlichen Ansatz für den Informationsfluss von der Errichtung über den Betrieb bis hin zum Abbruch eines Bauwerkes sicherstellen. Im Rahmen einer prototypischen Entwicklung wird auf Grundlage, des für die Industrie 4.0 entwickelten open source Software Framework Eclipse BaSyx, ein möglicher Lösungsansatz – die Verwaltungsschale BBox (Bridge Box) - präsentiert. Dieser Lösungsansatz stellt das physikalisch-ingenieurtechnische Modell zur Zustandsbewertung der Brücke gedanklich in den Mittelpunkt. Unter der Voraussetzung einer durchgängigen Digitalisierung der gesamten Prozessschritte innerhalb der Lebensdauer der Brücke, kann jeder Planungs- und Fertigungsschritt, die Instandhaltung einschließlich des Rückbaus erfasst werden. Das Besondere hierbei ist, dass auch die Grundlagen der Bewertung, wie Messdaten, mit abgespeichert werden. Die Modellstruktur der Verwaltungsschale erlaubt hierbei eine bedarfsgerechte Granularität hinsichtlich der Messdaten auf allen virtuellen Ebenen, um das physikalisch-ingenieurtechnisch Modell mit Daten zu versorgen. Die gewählte Form der Datenablage bildet den Grundstein für zukünftige KI-Auswertungen z.B. mit den Methoden des Maschinellen Lernens (ML). Der Zugriff auf die dafür jeweils benötigten Daten wird durch die Ablage der Daten einschließlich Metadaten und den Einsatz einer Standard S3 Schnittstelle stark vereinfacht. Der Beitrag stellt die Entwicklung und die Systemarchitektur der BBox am Beispiel von 2 Projekten dar.
Experimental analysis of the acoustic field of an ultrasonic pulse induced by a fluidic switch
(2021)
Ultrasonic inspection is a common tool for non-destructive testing in civil engineering (NDT-CE). Currently, transducers are coupled directly to the specimen surface, which makes the inspection time-consuming. Air-coupled ultrasound (ACU) transducers are more time-efficient but need a high pressure amplitude as the impedance mismatch between the air and the concrete is high and large penetration depth is needed for the inspection. Current approaches aim at eliminating the impedance mismatch between the transducer and the air to gain amplitude; however, they hardly fulfill the NDT-CE requirements. In this study, an alternative approach for ultrasound generation is presented: the signal is generated by a fluidic switch that rapidly injects a mass flow into the ambience. The acoustic field, the flow field, and their interaction are investigated. It is shown that the signal has dominant frequencies in the range of 35–60 kHz, and the amplitude is comparable to that of a commercial ACU transducer.
While contact and immersion ultrasonic testing are established methods in non-destructive testing (NDT), generating high power air-coupled ultrasound remains a challenging task. Solutions often involve setups that are restricted to lab environments. When field measurements are required, such as in NDT for civil engineering, a handy, robust and safe transducer is needed. For this purpose, an ultrasonic transducer based on a fluidic switch has been developed. A sonic air flow inside the device is switched rapidly so that an ultrasonic signal is generated. Both theory and previous flow simulations suggest that the control flow pressure ramp has only little influence on the switching time of the device. This publication gives an overview over the operating principle of the fluidic ultrasonic transducer and investigates the influence of control tube length and pulsing repetition rate on the ultrasonic pressure amplitude. High repetition rates are found to reduce the signal amplitude, whereas long tubing has only little negative influence on the amplitude while improving signal quality.