Brückenkolloquium
kbr
2510-7895
expert verlag Tübingen
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2022
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Digitale Transformation der Bauwerksdiagnostik
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2022
Christina Fritsch
Chris Voigt
Torsten Harke
Bauwerksdiagnostische Untersuchungen bilden eine wichtige Grundlage für die verlässliche Bewertung von bestehenden Tragwerken. Sie können aus unterschiedlichsten Anlässen über die Nutzungsphase eines Bauwerks erfolgen und tragen beispielsweise zu realitätsnahen rechnerischen Nachweisen oder möglichst effizienten Instandsetzungsmaßnahmen bei. Die dabei entstehenden Diagnostikdaten werden gegenwärtig im Allgemeinen jedoch nicht optimal aufbereitet: Die entstehenden Untersuchungsberichte oder -protokolle liegen häufig nur in analoger Form vor und sind inhaltlich nicht miteinander verknüpft. Die sich bietenden Potenziale für die Bauwerksbewertung können dadurch nicht umfassend genutzt werden.
Ein Schwerpunkt der Digitalisierung des Bauwesens ist die Zusammenführung und Vernetzung heterogener Bestands- und Zustandsinformationen unterschiedlichster Herkunft, beispielsweise in Zusammenhang mit Building Information Modeling (BIM) sowie Digitalen Zwillingen, um bestehende Tragwerke in Zukunft effizienter und insbesondere länger sicher nutzen zu können. Dementsprechend müssen zwangsweise auch alle bauwerksdiagnostischen Daten konsequent digitalisiert und für die Integration in digitale Modelle vorbereitet werden. Sind die Daten einmal digital aufbereitet, stehen unzählige Möglichkeiten der Datenauswertung, Datenvisualisierung und -bereitstellung an unterschiedliche Nutzer zur Verfügung: Von der Erstellung von BIM-Fachmodellen der Diagnostik bis hin zur Entwicklung von VR-/AR-Anwendungen zur interaktiven Erfassung der Daten. Im Rahmen des Tagungsbeitrags sollen unterschiedliche Anwendungsfälle und Lösungsbeispiele für eine solche digitale Bauwerksdiagnostik an Brücken gezeigt werden.
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5. Brückenkolloquium - September 2022 89 Digitale Transformation der Bauwerksdiagnostik Christina Fritsch, M. Sc. MKP GmbH, Weimar, Deutschland Chris Voigt, M. Eng. MKP GmbH, Weimar, Deutschland Dipl.-Ing. Torsten Harke, M. Sc. MKP GmbH, Weimar, Deutschland Zusammenfassung Bauwerksdiagnostische Untersuchungen bilden eine wichtige Grundlage für die verlässliche Bewertung von bestehenden Tragwerken. Sie können aus unterschiedlichsten Anlässen über die Nutzungsphase eines Bauwerks erfolgen und tragen beispielsweise zu realitätsnahen rechnerischen Nachweisen oder möglichst effizienten Instandsetzungsmaßnahmen bei. Die dabei entstehenden Diagnostikdaten werden gegenwärtig im Allgemeinen jedoch nicht optimal auf bereitet: Die entstehenden Untersuchungsberichte oder -protokolle liegen häufig nur in analoger Form vor und sind inhaltlich nicht miteinander verknüpft. Die sich bietenden Potenziale für die Bauwerksbewertung können dadurch nicht umfassend genutzt werden. Ein Schwerpunkt der Digitalisierung des Bauwesens ist die Zusammenführung und Vernetzung heterogener Bestands- und Zustandsinformationen unterschiedlichster Herkunft, beispielsweise in Zusammenhang mit Building Information Modeling (BIM) sowie Digitalen Zwillingen, um bestehende Tragwerke in Zukunft effizienter und insbesondere länger sicher nutzen zu können. Dementsprechend müssen zwangsweise auch alle bauwerksdiagnostischen Daten konsequent digitalisiert und für die Integration in digitale Modelle vorbereitet werden. Sind die Daten einmal digital auf bereitet, stehen unzählige Möglichkeiten der Datenauswertung, Datenvisualisierung und -bereitstellung an unterschiedliche Nutzer zur Verfügung: Von der Erstellung von BIM-Fachmodellen der Diagnostik bis hin zur Entwicklung von VR-/ AR-Anwendungen zur interaktiven Erfassung der Daten. Im Rahmen des Tagungsbeitrags sollen unterschiedliche Anwendungsfälle und Lösungsbeispiele für eine solche digitale Bauwerksdiagnostik an Brücken gezeigt werden. 1. Einleitung Wie in so vielen Situationen des Lebens gilt auch im Erhaltungsmanagement von Ingenieurbauwerken: Wissen ist Macht. Erst, wenn möglichst alle zustandsrelevanten Daten zu einem Bauwerk bekannt sind, können wirklich effektive und effiziente Erhaltungsmaßnahmen erfolgen. All diese zustandsrelevanten Daten aus Bauwerksbüchern, Bauwerksprüfungen, Gutachten und Planunterlagen nur zu beziehen, reicht dabei jedoch bei weitem nicht aus. Um die Potenziale des sich über die Lebensdauer eines Bauwerks anhäufenden Datenschatzes optimal nutzen zu können, muss eine Zentralisierung, Strukturierung, Verknüpfung und Aggregation der Daten erfolgen. Der allgegenwärtige Prozess der Digitalisierung bietet in diesem Zusammenhang vielfältige technologische Möglichkeiten. Eine dieser Möglichkeiten für die kollaborative und interdisziplinäre Zusammenarbeit ist die Methode des Building Information Modeling (BIM), welches insbesondere in den Planungs- und Ausführungsphasen des Brückenneubaus zunehmend an Bedeutung gewinnt und künftig sogar verpflichtend Anwendung findet [1] [2]. Der Masterplan Bundesfernstraßen des BMDV sowie dessen Rahmendokumente bilden eine umfassende Grundlage für die Einführung der BIM-Methode bei Baulastträgern, Anlagenverantwortlichen und Planenden. Die innerhalb des Masterplanes definierten Anwendungsfälle beziehen sich im Wesentlichen auf die Planung und Ausführung von Ingenieurbauwerken im Zuge von Bundesfernstraßen. Demgegenüber steht der überproportionale Anteil bestehender Straßenbrücken, die sich gegenwärtig in Nutzung befinden und deren Betrieb sich bisher kaum in den BIM-Anwendungsfällen widerspiegelt (siehe auch Abbildung 1). Abbildung 1: Altersstruktur der Brücken im Zuge von Bundesfernstraßen aus [3] 90 5. Brückenkolloquium - September 2022 Digitale Transformation der Bauwerksdiagnostik Abbildung 2: Anknüpfungspunkte von Bauwerksdiagnostik über den Lebenszyklus von Ingenieurbauwerken in Anlehnung an RPE-ING entsprechend [4] Vergleichbar schwach normativ geregelt ist das Gebiet der Bauwerksdiagnostik, wenngleich es eine Vielzahl an Möglichkeiten umfasst, den Bestand und Zustand bestehender Bauwerke möglichst realitätsnah zu erkunden. Bauwerksdiagnostische Daten besitzen eine entsprechend große Relevanz für die ganzheitliche Bewertung von Bestandsbauwerken und können zu unterschiedlichen Phasen der Erhaltung beitragen (siehe auch Abbildung 2). Voraussetzung für die Ausnutzung der Potenziale von Diagnostikdaten ist jedoch die anschauliche, strukturierte und rückführbare Dokumentation - beispielsweise im Kontext von BIM und Digitalen Zwillingen. Der nachfolgende Tagungsbeitrag strebt eine Verdeutlichung der Potenziale, aber auch Herausforderungen bei der digitalen Transformation der Bauwerksdiagnostik an. Anhand von praktischen Anwendungsfällen und prototypischen Entwicklungen soll der objektive Mehrwert einer künftigen digitalen Bauwerksdiagnostik verdeutlicht werden. Er soll helfen, das Verständnis für und Vertrauen in bauwerksdiagnostische Untersuchungen auf Seiten der Bauherren und Anlagenverantwortlichen zu stärken. Der Beitrag erhebt dabei keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern schildert ausgewählte, aktuelle Erfahrungen der Autoren im Umgang mit Ingenieurbauwerken und den dabei anfallenden Diagnostikdaten. 2. Begriffsbestimmung Regelmäßig, ob im Zusammenhang mit Projekten oder auch Veröffentlichungen, wird deutlich, dass innerhalb der Ingenieurbranche kein gemeinschaftliches Verständnis von Bauwerksdiagnostik existiert. Eine Adaption überspannender Definitionen ist teilweise möglich: Diagnostik meint dementsprechend die Identifikation der Ursache und Herkunft bestimmter Zustände (in Anlehnung an [5]). Diese Definition schließt jedoch artverwandte Ingenieurdisziplinen, wie beispielsweise die normativ geregelt Bauwerksprüfung nach DIN 1076 [6] sowie das Bauwerksmonitoring, inhaltlich ein. Im nachfolgenden Tagungsbeitrag und Kontext der Straßen- und Bahnbrücken meint Bauwerksdiagnostik daher konkret: - die Anwendung einer Vielzahl von zerstörungsfreien, zerstörungsarmen und zerstörenden Untersuchungen mit dem Ziel einer ganzheitlichen Bewertung von Bauwerken - anlassbezogene Untersuchungen, die ortsdiskret erfolgen, in der Tiefe jedoch im Allgemeinen über den Umfang einer Bauwerksprüfung hinausgehen (Abgrenzung Bauwerksprüfung) - anlassbezogene Untersuchungen, die zu konkreten Untersuchungszeitpunkten, aber oft mehrstufig über die Lebensdauer eines Bauwerks, erfolgen (Abgrenzung Bauwerksmonitoring) Eine Besonderheit stellt in Verbindung mit Brücken auf Bundesfernstraßen die Objektbezogene Schadensanalyse (OSA) entsprechend [7] dar. Die OSA entspricht einer schadensbezogenen Bauwerksdiagnostik, die im Ergebnis einer Bauwerksprüfung angeordnet wird und deren Resultate unmittelbar Eingang in die Zustandsnoten des Bauwerks finden. 3. Status quo Das Image der Bauwerksdiagnostik ist teilweise verstaubt und überholt. Mitunter kursieren Vorurteile bezüglich des Erfordernisses diagnostischer Untersuchungen und insbesondere der damit verbundenen Eingriffe in die Bausubstanz. Dabei kann eine Vielzahl von invasiven Untersuchungen mittlerweile durch zerstörungsfreie Prüfverfahren (Zf P-Verfahren) ergänzt oder gar substituiert werden. Die Einsatzbereiche, und verbunden mit der wachsenden Erfahrung auch die Akzeptanz, nehmen stetig zu [8]. Eine tatsächliche Herausforderung, mit der die Bauwerksdiagnostik sowie artverwandte Fachgebiete der Bestandsbewertung und -erkundung zu kämpfen haben, ist die 5. Brückenkolloquium - September 2022 91 Digitale Transformation der Bauwerksdiagnostik heterogene sowie dezentrale Dokumentation und Datenablage. Insbesondere bei komplexen Ingenieurbauwerken entstehen über den Lebenszyklus unterschiedlichste Gutachten, beispielsweise im Rahmen objektbezogener Schadensanalysen oder in Zusammenhang mit Erhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen. Aufgrund des geringen Standardisierungsgrades und der gegenwärtig schwachen Normenlage können Art, Umfang und Qualität der Gutachten sehr stark voneinander abweichen. Daraus folgend sind in der Vergangenheit durchgeführte Untersuchungen teilweise nicht rückführbar und damit nur bedingt verarbeitbar. Auch eine Verknüpfung unterschiedlicher Daten und Datenquellen miteinander wird dadurch deutlich erschwert [4]. Verstärkt wird diese Problematik durch die bisher übliche Dokumentation in Form von Untersuchungsberichten oder -protokollen, welche häufig nur in Papierform bei den Anlagenverantwortlichen vorliegen. Eine umfassende und überspannende Konsultation der zustandsrelevanten Daten ist unter diesen Randbedingungen kaum möglich. 4. Potenziale bauwerksdiagnostischer Untersuchungen Bauwerksdiagnostische Untersuchungen und deren Ergebnisse können auf unterschiedlichste Weise zu einer optimierten Bewertung von Ingenieurbauwerken beitragen. Insbesondere im Hinblick auf die sich weiter zuspitzende Klima- und Ressourcenkrise stellt Bauwerksdiagnostik ein wichtiges und vielfältiges Werkzeug im Umgang mit bestehenden Bauwerken dar. Denn die ressourcenschonende Verlängerung der Nutzungsdauer von Bestandsbauwerken erfordert eine möglichst umfassende Bewertungsgrundlage, um den Ansprüchen an Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit gerecht zu werden. Ein Kernziel diagnostischer Untersuchungen ist in der Regel die Ermittlung von realitätsnahen Bestands- und Zustandsinformationen über den rein visuellen Eindruck hinaus: Es wird ein Blick ins Bauteilinnere geworfen (beispielsweise mithilfe von Radarmessungen zur Erkundung der tatsächlichen Lage von Spanngliedern und Bewehrung entsprechend Abbildung 3). Dieser Einblick über den Oberflächenzustand hinaus ermöglicht es, Material- und Gefügeeigenschaften der unterschiedlichsten Baustoffe qualitativ und quantitativ zu erfassen, anstatt sie anhand von Bestandsunterlagen abzuschätzen. Darüber hinaus können verdeckte Schäden und Mängel erkundet werden, welche an der Oberfläche (noch) nicht sichtbar sind. Bei bereits aufgetretenen Schäden liefern bauwerksdiagnostische Untersuchungen oft wesentliche Grundlagen für die Bewertung der Schadensursache oder des Schadensverlaufs und tragen damit auch zu einer Optimierung der zur Zustandsverbesserung erforderlichen Erhaltungsmaßnahmen bei (siehe auch [9]). Beispielhafte Anwendungsfälle der Bauwerksdiagnostik sind: der Abgleich der gebauten Realität mit vorhandenen Planungs- oder Ausführungsunterlagen, die Erfassung von (inneren) Konstruktionen und Materialeigenschaften bei fehlenden Bestandsunterlagen, die Ermittlung von tatsächlichen Materialeigenschaften zur Präzisierung der Eingangsparameter rechnerischer Bewertungen die Beurteilung der Dauerhaftigkeit von Bauteilen und Baustoffen als Grundlage für die Planung von Erhaltungsmaßnahmen oder auch die Erfassung von Zuständen zur Prognostizierung von Schadensverläufen und Restnutzungsdauern. Verbunden mit der Weiterentwicklung der zerstörungsfreien Prüfverfahren und dem zunehmenden Digitalisierungsdruck in der Baubranche können die vorhandenen Potenziale der Diagnostikdaten für die Bestandsbewertung zunehmend besser genutzt werden. Die weitere Verlängerung der Wertschöpfungskette von diagnostischen Daten ist bereits Bestandteil verschiedener Forschungsansätze (siehe auch [10] und [11]) und wird auch in den kommenden Jahren einen Forschungsschwerpunkt bilden. Abbildung 3: Zerstörungsfreie Radarmessungen zur Erkundung von Spannglied- und Bewehrungsverläufen, Auf bauten und Gefügeeigenschaften 5. Herausforderungen der Digitalisierung Die digitale Transformation der Diagnostik ist richtig und relevant, aber in keinem Fall trivial. Die wohl größte Herausforderung in diesem Zusammenhang ist die generell schwache Normenlage, die unterschiedlichste Begriffsdefinitionen, Methodiken und inhaltliche Schwerpunkte bedingt. Man könnte sagen, dass der Diagnostik innerhalb des Bauingenieurwesens eine gemeinsame Sprache fehlt. Um nachhaltige, interoperable Werkzeuge für die Datenverarbeitung und -bereitstellung zu entwickeln, bedarf es jedoch einer gewissen Standardisierung oder zumindest Harmonisierung. Das betrifft neben Bezeichnungen und Definitionen unter anderem auch Datentypen oder Dateiformate (siehe auch [12]). Ein standardisiertes Datenmodell für die Bauwerksdiagnostik existiert bisher nicht, erste Anregungen dafür gibt es jedoch in der artverwandten Disziplin der Baugrunderkundung [13]. Die Entwicklung eines solchen Datenmodells ist eine wesentliche Voraussetzung für die interoperable Verwendung von Diagnostikdaten im Kontext von BIM und Digitalen Zwillingen. 92 5. Brückenkolloquium - September 2022 Digitale Transformation der Bauwerksdiagnostik Einen Stolperstein auf dem Weg zur Standardisierung von Diagnostikdaten stellen insbesondere die Messdaten der zerstörungsfreien Prüfverfahren dar. Art und Umfang deren Dokumentation sind sehr heterogen, ebenso die Ausgabeformate der unterschiedlichen Gerätehersteller. Teils werden proprietäre Dateiformate verwendet und die Schnittstellen der herstellerspezifischen Auswertesoftwares sind sehr begrenzt. Eine Konvertierung der Messdaten in ein einheitliches, offenes Dateiformat ist teilweise möglich, beispielsweise durch teilautomatisierte Algorithmen (siehe auch [12]). Eine weitere Schwierigkeit stellt darüber hinaus die Digitalisierung bereits in der Vergangenheit erhobener Diagnostikdaten dar. Idealerweise können in Zukunft auch solche zustandsrelevanten Daten für Auswertungs- und Bewertungsmethoden herangezogen werden, die gegenwärtig noch unstrukturiert, dezentral und vorwiegend analog bei den Bauherren sowie Anlagenverantwortlichen vorliegen. Dafür bedarf es jedoch technologischer Hilfsmittel zur nachträglichen Digitalisierung derartiger Dokumente. Die vorgenannten Herausforderungen hemmen gegenwärtig noch die umfängliche Nutzung der Potenziale diagnostischer Daten, sind jedoch in keinem Fall unüberwindbar. Ein wichtiger Baustein für die erforderlichen Entwicklungen und Weiterentwicklungen ist die Umsetzung interdisziplinärer Pilot- und Forschungsprojekte sowie der Eingang dieser Fragestellungen in die Arbeitskreise und Gremien. 6. Einblicke in die Praxis Durch Marx Krontal Partner wurden in den vergangenen Jahren unterschiedliche Ansätze zur digitalen Transformation der Diagnostik erprobt. Eine Auswahl dessen soll nachfolgend dargestellt werden. Ziel ist die Darstellung der Möglichkeiten und des Mehrwerts einer digitalen Bauwerksdiagnostik. Dabei wird zwischen unterschiedlichen, praxisrelevanten Anwendungsfällen des Bauens im Bestand und insbesondere im Kontext von Ingenieurbauwerken unterschieden. 6.1 Anwendungsfall: Datenerfassung und Dokumentation Die strukturierte und einheitliche Datenerfassung ist die wesentliche Grundlage für alle denkbaren Datenverarbeitungsprozesse. Um dieser Forderung gerecht zu werden, wurde mit dem Forschungsprojekt Digitale Bauwerksdiagnose (Thüringer Auf baubank, FKZ 2019 FE 9114, MKP GmbH/ Fachhochschule Erfurt/ Bau-Consult Hermsdorf GmbH), ein digitales Erfassungstool für die Dokumentation von Diagnostikdaten vor Ort, im Labor oder auch im Büro entwickelt. Herzstück dieses Erfassungstools ist ein prototypisches Datenmodell für Diagnostikdaten, fokussiert bisher jedoch auf Ingenieurbauwerke aus Stahl- und Spannbeton. Innerhalb des hierarchischen Datenmodells sind IDs, Bezeichnungen, Datentypen und Beziehungen definiert. Eine grundlegende Variante des Erfassungstools wurde zunächst mittels Microsoft Access umgesetzt, womit vergleichsweise schnell und einfach Formulare zu den zugrundeliegenden Tabellen einer Datenbank erstellt werden können (siehe exemplarisch Abbildung 4). Im Praxiseinsatz wurde die Variante als nutzerfreundlich sowie intuitiv bewertet und die Vorteile gegenüber der ursprünglichen Dokumentation auf Papierprotokollen einschließlich der sich anschließenden fehleranfälligen Digitalisierungsschritte wurden sehr deutlich. Es zeigten sich jedoch auch Herausforderungen hinsichtlich der kollaborativen Bearbeitung und Kompatibilität mit unterschiedlichen mobilen Endgeräten. Eine darauf aufbauende Variante des Erfassungstools, welche webbasiert und hersteller- und geräteunabhängig laufen wird, befindet sich aktuell in der Entwicklung. Abbildung 4: Erfassungstool, Variante Microsoft Access (lizenzpflichtig) 6.2 Anwendungsfall: Fehlende Bestandsunterlagen Fehlende Bestandsunterlagen stellen keine Ausnahme dar. Verbunden mit der vorbeschriebenen, oft dezentralen und papiergebundenen Ablage, besitzen bauzeitliche Pläne auch rein physisch eine sehr heterogene Qualität. Die Durchführung bauwerksdiagnostischer Untersuchungen zur Kompensation unzureichender Bestandsinformationen ist daher ein typischer Anwendungsfall. Am Beispiel eines Stegabschnittes mit Spanngliedkoppelstelle einer zurückgebauten Spannbetonbrücke wurden unterschiedliche Möglichkeiten der äußeren und inneren Bestandserfassung erprobt, kombiniert und hinsichtlich ihres Mehrwerts für die Bestandsbewertung betrachtet. Die Erfassung der äußeren Geometrie des Bauteils erfolgte in Form eines Laserscans. Die aktuell auf dem Markt verfügbare Technik ermöglicht es, sehr schnell und unkompliziert einfache Punktwolkenmodelle zu erstellen. Die Punktwolke bildete eine Grundlage des Bestandsmodells und kann neben geometrischen Parametern auch Aufschluss über den oberflächlichen Bauteilzustand geben, da neben der Lage der Punkte auch Farb- und Bildinformationen erfasst werden (siehe Abbildung 5 links oben). 5. Brückenkolloquium - September 2022 93 Digitale Transformation der Bauwerksdiagnostik Abbildung 5: Beispielhafte Darstellung der Visualisierung von Diagnostikdaten (Spanngliedverlauf, Bewehrungsverteilung) anhand des Stegabschnittes Darüber hinaus sind zerstörungsfreie magnetinduktive, Radar- und Ultraschallmessungen zur Erkundung der Lage der Bewehrung und Spannglieder am gesamten Bauteil erfolgt. Die resultierenden Messdaten wurden teilautomatisiert in ein 3-D-Modell des Stegabschnittes übertragen, welches aus der Punktwolke abgeleitet wurde. Auf bauend darauf hat der Nutzer die Möglichkeit, beispielsweise die Gleichmäßigkeit der Bewehrungsverteilung oder die Anordnung der Spannglieder im Bereich der Koppelstelle realitätsnah zu begutachten (siehe Abbildung 5 links und mittig unten). In einem nächsten Schritt wurden die bereits vorhandenen Erkenntnisse zum Verlauf der Bewehrungselemente mit zusätzlichen Betondeckungsmessungen grafisch überlagert. Auf Basis einer definierten Legende wurde dadurch auf einen Blick erkennbar, welche Bauteilbereiche aufgrund einer ungenügenden Betondeckung eine tendenziell verminderte Dauerhaftigkeit aufweisen. 6.3 Anwendungsfall: Eingangsparameter für die Planung im Bestand Im Zuge der Bahnstrecken sowie des Verantwortungsbereiches der Deutschen Bahn existieren vielzählige Ingenieurbauwerke, deren Erhalt und Weiterbetrieb wertvolle Ressourcen schonen. Eine Besonderheit gegenüber den Straßenbrücken stellen in diesem Zusammenhang die vielen Tausend Mauerwerksbrücken im Bestand der Deutschen Bahn dar. Nicht selten finden sich darunter Gewölbebogenbrücken, die bereits 100 Jahre und älter sind, und nach wie vor zuverlässig ihren Dienst erfüllen (siehe beispielsweise [14]). Bei der Bewertung, und erforderlichenfalls auch Ertüchtigung, von Gewölbebogenbrücken sind unter anderem Aussagen zum Auf bau, zu verwendeten Baustoffen und deren Eigenschaften erforderlich. Zur Erkundung der Bestandsbauwerke kommen in diesem Zusammenhang häufig zerstörungsarme Kern- und Sondierungsbohrungen zum Einsatz. Erfahrungsgemäß können aus den dabei entnommenen Bohrkernen jedoch nur bedingt Aussagen zum Zustand des inneren Gefüges getroffen werden. Gründe dafür sind beispielsweise das Zerschlagen von vergleichsweise weichen Baustoffen beim Bohrvorgang oder auch das Ausspülen geringfester Bestandteile im Zuge von Nassbohrungen. Das Ergebnis: Bei der visuellen Begutachtung der entnommenen Bohrkerne kann mitunter der Eindruck entstehen, dass bspw. großformatige Fehlstellen im Bauwerk vorhanden sind. Zur Kompensation dieser Unschärfe bei der Bewertung der Proben werden oft ergänzende videografische bzw. videoendoskopische Befahrungen der Bohrkanäle durchgeführt. Der Aufwand bei der manuellen Befahrung sowie Dokumentation vor Ort und insbesondere der Auf bereitung und Ergebnisdarstellung im Nachgang ist hoch. Darüber hinaus wird meist nur ein Teil des Bohrkanals auf den erzeugten Fotos und Videos deutlich, da den Kameraobjektiven der Rundumblick fehlt. Im Rahmen des Forschungsprojektes SI-Modeling (mFUND des BMDV, FKZ 19F2175A, MKP GmbH) wurde prototypisch der Einsatz eines Bohrkanalscanners aus der Geotechnik für die Dokumentation von Bohrkanälen in der Bauwerksdiagnostik erprobt. Mithilfe des Scanners kann am Bauwerk eine 360°-Aufnahme des Bohrkanals erfolgen. Als Ergebnis wird im Nachgang eine fotorealistische Abwicklung des Bohrkanals erzeugt. Diese kann weiterverwendet werden, um beispielsweise Auf bauten/ Materialien und etwaige Gefügeschäden zu kartieren oder kann zur Visualisierung des Bauwerksinneren als Grundlage für die Übertragung in 94 5. Brückenkolloquium - September 2022 Digitale Transformation der Bauwerksdiagnostik 3-D-Modelle dienen (siehe exemplarisch Abbildung 6). Das Verfahren wurde im Rahmen des Forschungsprojektes sowohl an Laborprobekörpern als auch an einer realen Bahnbrücke erprobt. Die zusammenhängende Visualisierung des inneren Gefüges kann gegenüber der videoendoskopischen Befahrung deutlich Punkten. Wenngleich der Nachbereitungsaufwand in Abhängigkeit der konkreten Ziel-/ Aufgabenstellung dennoch relativ hoch sein kann, wird die Rückführbarkeit der Bewertungen erhöht und die Fehleranfälligkeit bei der Dokumentation vor Ort merklich reduziert. Abbildung 6: 3D-Modell eines Bohrkerns mit einer Oberflächentextur aus der fotorealistischen Abwicklung des Bohrkanals sowie der Kartierung von Rissen und Gefügen 6.4 Anwendungsfall: Rückbau von Talbrücken Der Rückbau von Talbrücken ist eine ingenieurtechnische Herausforderung [15]. Zur Minimierung der Risiken bei Planung, Ausschreibung und Ausführung des Rückbaus sind möglichst realitätsnahe Bestands- und Zustandsinformationen erforderlichen. Diagnostische Untersuchungen bieten dafür umfangreiche Möglichkeiten, die rückzubauenden Bauwerke zerstörungsfrei und zerstörungsarm zu erkunden (siehe dazu auch [16]). In der Regel gibt es drei Aspekte der Bauwerksdiagnostik als Grundlage für die Rückbauplanung: - Chemisch-physikalische Untersuchungen, geometrische Untersuchungen und statisch-konstruktive Untersuchungen. Die chemisch-physikalischen Untersuchungen dienen der umfassenden Grundlagenermittlung für die Planung von Entsorgung und Verwertung der Baustoffe nach dem Rückbau. Die geometrischen Untersuchungen dienen in erster Linie einem Soll-Ist-Abgleich zwischen der bauzeitlichen Planung und dem realen Bestandsbauwerk. Der Abgleich kann sowohl lokal anhand markanter Punkte erfolgen (bspw. Durchdringungen, ausgewählte Abwicklungen, o. Ä.) als auch mithilfe von 3-D-Modellen des gesamten Bauwerks (As-Maintained-Modell). Sie können als eine Grundlage für die Ermittlung des Eigengewichtes und darauf auf bauend die Anpassung des zugehörigen Teilsicherheitsbeiwertes dienen. Die statisch-konstruktiven Untersuchungen bilden im Allgemeinen den umfangreichsten Teil der Bauwerksdiagnostik für den Rückbau. Eine essenzielle Fragestellung ist dabei die Ermittlung der physikalischen Materialeigenschaften für die Nachweisführung. Dabei besteht nicht nur die Frage nach einer rechnerischen Festigkeit, sondern auch nach deren Streuung bzw. Verteilung (siehe auch [17]). Am Beispiel zweier Spannbetontalbrücken wurde in diesem Kontext für die Ermittlung der Betondruckfestigkeit ein stufenweises Vorgehen erprobt: Um einen Überblick über den Beton des Gesamtbauwerks zu erhalten, ohne dabei massive Eingriffe in die Bausubstanz vorzunehmen, wurden in einer ersten Stufe teilflächige zerstörungsfreie Ultraschalllaufzeitmessungen, verteilt in Längs- und Querrichtung, durchgeführt. Unter Berücksichtigung der Querschnittsdicken sind anhand der Ultraschalllaufzeit bzw. -geschwindigkeit Rückschlüsse auf das Betongefüge und die Betonqualität möglich. Die teilflächigen Messungen sollen Aufschluss darüber geben, ob das Betongefüge (und damit verbunden die Betondruckfestigkeit) eher homogen ist oder ob es Anzeichen für systematische Inhomogenitäten oder Ausreißer gibt. Für die Visualisierung dieser Daten erwiesen sich Farbstufengrafiken (Heatmaps) als geeignet. Darüber hinaus kann eine grafisch-statistische Aufbereitung in Form von Histogrammen sowie Boxplots hilfreich sein, um potenziell unterschiedliche Grundgesamtheiten zu identifizieren. Wie bspw. in Abbildung 7 auf bereitet, bilden die zerstörungsfrei erfassten Daten eine geeignete Grundlage für die visuelle Erfassung vergleichsweise großer Datenmengen und daraus auf bauend Auswahl konkreter Probeentnahmestellen sowie Probeentnahme zur Ermittlung der Betondruckfestigkeit entsprechend DIN EN 13791 [18] in der zweiten Stufe. Abbildung 7: vergleichende grafische Darstellung teilflächiger Ultraschalllaufzeitmessungen in entlang eines Brückenfeldes in Form von Farbstufengrafiken Da in Abhängigkeit der Größe und Komplexität der rückzubauenden Talbrücken schnell große Datenmengen entstehen, wurde deutlich, dass eine manuelle grafische Auf bereitung nicht nur fehleranfällig ist, sondern auch umfangreiche personelle Ressourcen bindet. Um dem entgegenzutreten, wurden das im Rahmen des Forschungsprojektes Digitale Bauwerksdiagnose entwickelte Erfassungstool und ergänzende Auswertealgorithmen angewendet. Mit Hilfe der Algorithmen wurden beispielsweise die erfassten Ultraschalllaufzeiten mit den sich veränderten Stegdicken (vertikale und horizontale Aufvoutungen der Brückenstege) in Ultraschallgeschwin- 5. Brückenkolloquium - September 2022 95 Digitale Transformation der Bauwerksdiagnostik digkeiten umgerechnet, welche miteinander vergleichbar sind. Die Algorithmen ermöglichen eine grafisch sowie statistische Auswertung für beliebig viele Datensätze. Ebenfalls ist die Ermittlung der tatsächlichen Betondruckfestigkeit auf Grundlage der DIN EN 13791 möglich. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde dies prototypisch mit einer Art Baukastenprinzip umgesetzt. Der Nutzer kann wählen, ob er nur direkte (Bohrkernentnahme) oder auch indirekte Prüfverfahren (Ultraschalllaufzeitmessung) verwenden will, ob die Bewertung anhand einer logarithmischen Normalverteilung erfolgen soll oder auch in welcher Form die Ergebnisse grafisch und numerisch ausgegeben werden sollen. In vergleichsweise kurzer Zeit lassen sich mithilfe dieses Algorithmus unterschiedliche Auswertekonfigurationen vergleichend gegenüberstellen [4]. 6.5 Anwendungsfall: Digitaler Zwilling Digitale Zwillinge werden in Zukunft eine essenzielle Rolle im Umgang mit Bestandsbauwerken spielen und damit verbunden den Betrieb sowie die Erhaltung von Infrastrukturbauwerken maßgeblich beeinflussen. Der Digitale Zwilling strebt dabei an, ein digitales Abbild eines physischen Objekts zu sein, welches sich dynamisch mit der Realität verändert. Er spiegelt zu jedem Zeitpunkt den aktuellen Bauwerkszustand wider und berücksichtigt dabei unterschiedlichste Datenquellen, wie insbesondere die Ergebnisse der Bauwerksprüfung sowie Messdaten eines Dauermonitorings oder anlassbezogener diagnostischer Untersuchungen. Im Projekt smartBRIDGE Hamburg wurde am Beispiel der Köhlbrandbrücke neben der Pilotierung eines Digitalen Zwillings für Ingenieurbauwerke auch die Integration von Diagnostikdaten prototypisch umgesetzt [12] [19]. Ein Kernziel von smartBRIDGE Hamburg ist die bedarfsgerechte und nutzerspezifische Visualisierung und Bereitstellung von fachlichen Informationen. Für die Bauwerksdiagnostik wurde dieses Ziel über ein mehrstufiges Drilldown erfüllt: Vom Bauwerk bzw. von der Bauteilgruppe aus gelangt man in erster Instanz auf die Ebene der Untersuchungsziele. Diese sind konstruktiv geprägt und dienen einer überspannenden Filterung (bspw. Untersuchungsziel Bestands- und Zustandserfassung Spannglieder). Von den Untersuchungszielen aus gelangt man zu den einzelnen Untersuchungsstellen (bspw. Sondierungsöffnung Spannglied), vergleichbar mit Messstellen eines Monitorings. Je Untersuchungsstelle werden unmittelbar die erfassten Parameter sowie Basisinformationen angezeigt, welche vor Ort erkundet wurden (siehe Abbildung 8). Abbildung 8: Einblick in smartBRIDGE Hamburg | conditionCONTROL Die detaillierten Untersuchungsergebnisse kann man in einer Expertenumgebung einsehen, der tiefsten Ebene des Drilldown. In smartBRIDGE Hamburg wird diese Ebene durch structureVIEW dargestellt: Einer fotorealistischen 360°-Umgebung des Bauwerks, in welcher die Untersuchungsstellen verortet sind und die Ergebnisse quasi auf der Wandoberfläche visualisiert werden können (siehe Abbildung 9). Der Nutzer kann sich in structureVIEW frei bewegen und die Ergebnisse verschiedener Untersuchungsstellen gemeinsam bewerten. Für den intuitiven Datenzugriff vor Ort wurde darüber hinaus eine prototypische AR-Anwendung entwickelt, mithilfe welcher beispielsweise ein Bauwerksprüfer vor Ort einen Überblick zu Art, Lage und Anzahl vorhandener Untersuchungsstellen, aber auch Schäden der Bauwerksprüfung sowie Messstellen eines Monitorings erhält. Abbildung 9: Einblick in smartBRIDGE Hamburg | structureVIEW Ein weiterer zentraler Aspekt von smartBRIDGE Hamburg ist die mehrstufige Aggregation fachlich komplexer Daten zu intuitiv verständlichen Zustandsindikatoren [12] [20]. Neben Messdaten eines Monitorings bilden Diagnostikdaten eine Grundlage für die Entwicklung von Zustandsindikatoren. Dies wurde anhand des Partial Condition Indicators (PCI) Korrosionsrisiko gezeigt. Der PCI Korrosionsrisiko berücksichtigt Diagnostikdaten zur Beschreibung des realen Referenzzustandes aus Sondierungskernbohrungen (Betondeckung, Carbonatisierungstiefe, bewehrungsnaher Chloridgehalt, 96 5. Brückenkolloquium - September 2022 Digitale Transformation der Bauwerksdiagnostik usw.) sowie Messdaten aus der dauerhaften Erfassung der bauwerksklimatischen Verhältnisse (Bauteiltemperatur, Lufttemperatur, relative Luftfeuchte). Im Ergebnis der Aggregation steht die Bewertung eines qualitativen Korrosionsrisikos und dessen Auswirkungen auf die Dauerhaftigkeit des Bauwerks. Im Falle eines hohen Korrosionsrisikos erhält der Anlagenverantwortliche im Digitalen Zwilling eine Meldung und die Möglichkeit, die Ursache dafür zu erkunden, um mögliche Gegenmaßnahmen einzuplanen. Die Umsetzung des PCI dient als proof of concept für die Integration von Diagnostikdaten in eine Echtzeit-Zustandsbewertung und bildet eine Basis für die Weiterentwicklung von Zustandsindikatoren auf Grundlage bauwerksdiagnostischer Untersuchungen. 7. Fazit Die vorgenannten Anwendungsbeispiele zeigen, dass mithilfe digitaler Methoden und Technologien deutliche Mehrwerte bei der Wertschöpfung aus Diagnostikdaten generiert werden können. Eine digitale Bauwerksdiagnostik kann dazu beitragen, zustandsrelevante Daten verständlicher, zugänglicher und damit auch nachhaltiger für alle am Prozess der Bestandsbewertung beteiligten Nutzer zu machen. Neben den Vorteilen wurden auch bereits erkennbare Herausforderungen der digitalen Transformation beschrieben, welche jedoch keine unüberwindbaren Hürden darstellen und teilweise bereits jetzt in aktuellen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben angegangen werden. Literatur [1] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur: Masterplan BIM Bundesfernstraßen. September 2021. [2] Deutsche Bahn AG: BIM-Strategie - Implementierung von Building Information Modeling (BIM) im Vorstandsressort Infrastruktur der Deutschen Bahn AG, 2022. [3] Bundesanstalt für Straßenwesen, Brückenstatistik, Datum 17.11.2021 https: / / www.bast.de/ DE/ Statistik/ Bruecken/ Brueckenstatistik.html [4] Schacht, G., Fritsch, C., Voigt, C., Ewert, E. and Arndt, R. (2022), Structural Information Modeling - Die digitale Transformation der Bauwerksdiagnostik. Bautechnik 99 (3), S. 213-221, 2022. [5] Stevenson, A.: Oxford Dictionary of English. Oxford University Press, 2010. [6] Deutsches Institut für Normung e. V.: DIN 1076 Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen und Wegen - Überwachung und Prüfung. Beuth Verlag, Berlin, November 1999. [7] BMVI (2007) Leitfaden Objektbezogene Schadensanalyse (OSA), Bonn. [8] Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e. V.: DBV-Merkblatt „Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren im Bauwesen“. Berlin, Fassung Februar 2014. [9] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, Leitfaden zur Prüfung von Instandsetzungs- und Ertüchtigungsmaßnahmen an Ingenieurbauwerken (Abgrenzung Ersatzneubau), RPE-ING, Stand 2020/ 12 [10] Küttenbaum, S., Maack, S., Braml, T., Taffe, A. and Haslbeck, M. (2019), Bewertung von Bestandsbauwerken mit gemessenen Daten. Beton- und Stahlbetonbau 114 (6), S. 370-382, 2019. [11] Küttenbaum, S., Maack, S., Braml, T., Taffe, A. and Strübing, T. (2021), Bewertung von Bestandsbauwerken mit gemessenen Daten, Teil 2. Beton- und Stahlbetonbau 116 (3), S. 183-199, 2021. [12] Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e. V.: Digitaler Zwilling - Strategie für den Bestandserhalt. DBV-Heft 51. Fassung Oktober 2021, Veröffentlicht 2022 [13] Beck, J. und Henke, S.: Building Information Modeling - zur Attribuierung des Fachmodells Baugrund. Bautechnik 98 (12), S. 953-961, 2021. [14] Hering, E., Lorenz, E., Meichsner, E., Schwedes, R., Herrmann, T. and Bösche, T. (2022), Das Heiligenborner Viadukt - 170-jähriges Eisenbahnviadukt - fit gemacht für den nächsten Nutzungsabschnitt. Beton- und Stahlbetonbau 117 (3), S. 206-216, 2022. [15] Schacht, G., Müller, L., Kromminga, S., Krontal, L. and Marx, S. (2018), Tragwerksplanung beim Rückbau von Spannbetonbrücken. Bautechnik 95 (1), S. 6-15, 2018. [16] 5. Brückenkolloquium der Technischen Akademie Esslingen, Tagungsbeitrag: Rückbau von Spannbetonbrücken - der Bauwerkszustand als Herausforderung für die Rückbauplanung [17] Gebauer, D., Schmidt, B., Schacht, G. and Marx, S. (2021), Beurteilung der Festigkeitseigenschaften bestehender Talbrücken aus Spannbeton. Beton- und Stahlbetonbau 116 (2), S. 76-88, 2021. [18] Deutsches Institut für Normung e. V.: DIN EN 13791: 2020-02 Bewertung der Druckfestigkeit von Beton in Bauwerken und in Bauwerksteilen. Beuth Verlag, Berlin, Februar 2020. [19] Ullerich, C.; Grabe, M.; Wenner, M.; Herbrand, M.: smartBridge Hamburg - prototypische Pilotierung eines digitalen Zwillings. Bautechnik 97 (2), S. 118-125, 2020. [20] Herbrand, M.; Lazoglu, A.; Ullerich, C.; Marx, S.; Zehetmaier, G.: Aggregation von Zustandsindikatoren aus Inspektions- und Monitoringdaten im Brückenbau. Bautechnik 99 (2), S. 95-103, 2022.
