Prof. Thomas Braml forscht zum Digitalen Zwilling für Brücken

15 Juli 2021

Prof. Thomas Braml forscht an der Universität der Bundeswehr München zum „digitalen Zwilling“ von Bauwerken. Mithilfe von Sensoren sollen „intelligente Bauwerke“ selbst Hinweise auf ihren Zustand und die Wartung liefern.

Bisher bestimmen die regelmäßige Bauwerksprüfung nach DIN 1076 und dabei festgestellte Mängel wann eine Brücke gewartet wird. In Zukunft könnten „intelligente Brücken“ den zuständigen Behörden in Echtzeit Rückschlüsse auf den Zustand geben, wenn der sogenannte „digitale Zwilling“, also eine mit Sensoren ausgestattete Brücke, ihnen die richtigen Daten bereitstellt.

Die Sicherheit hat im Straßenverkehr höchste Priorität, besonders Bauwerke wie Brücken, über die täglich tausende Autos und LKW fahren, müssen immer in einem sehr guten Zustand sein und bei eventuellen kritischen Mängeln muss die zulässige Belastung sofort reduziert oder die Brücke sogar gesperrt werden. Verantwortlich für diese Sicherheit sind die Behörden aus den Kommunen, den Ländern sowie dem Bund. Bei der vorgeschriebenen Hauptuntersuchung alle sechs Jahre werden alle Bauteile von Ingenieuren bis ins letzte Detail genau durchleuchtet. Was geschieht dann mit den Bauwerken, die in ein Alter kommen, in dem sie Mängel aufweisen, die eine Reduktion der Tragfähigkeit zur Folge hätten? Werden Sie einfach abgerissen?

Eine nachhaltigere und kostengünstigere Möglichkeit wäre es, den Zustand des Bauwerks und die Veränderung über vergangene Zeiträume so genau zu ermitteln bzw. durch Sensoren beobachten zu lassen, um dann vielleicht sogar ohne große Nachbesserungen eine Weiternutzung sicher zu ermöglichen. Diese Idee steckt hinter dem Forschungsprojekt CASPAR (Plattform für beweissichere und rückführbare Datennutzung im Bauwesen – Construction Administration Shell) von Prof. Thomas Braml vom Institut für Konstruktiven Ingenieurbau an der Universität der Bundeswehr München. Ziel des Projektes ist es, zukünftig Brücken schon beim Bau mit Sensoren auszustatten, die Feuchtigkeit, Dehnungen, Materialveränderungen und andere Kennwerte erfassen können. Diese sollen dann Auskunft über mögliche Veränderungen an der Struktur geben, die erst zu einem späteren Zeitpunkt entstehen. Die Bauwerke können also nach Bedarf gewartet und instandgesetzt werden und zukünftige zu erwartende Mängel bereits vorab identifiziert werden. Derzeit wird ein Mangel an einer Brücke erst dann behoben, wenn der Schaden bereits vorhanden und sichtbar ist. Oft ist es zu diesem Zeitpunkt schon zu spät und es stehen kostenintensive Arbeiten an.

Das Projekt verfolgt den „Prescriptive Maintenance“-Gedanken: Ein Ingenieurbauwerk identifiziert ein zukünftiges Problem und gibt dann selbstständig die passenden Maßnahmen an, wie dieses zu beheben ist. Die Grundlage dafür bilden Daten, die automatisch und in Echtzeit gesammelt, ausgewertet und visualisiert werden. Für die Gewinnung der Daten wird in den kommenden Monaten eine Brücke als reales Objekt auf dem Gelände der UniBw M geplant und mit neuartigen Sensoren ausgestattet. Zudem sollen am Objekt unterschiedliche Szenarien (z. B. Belastungen) simuliert werden. Es wird ein Prognosemodell für Ingenieurbauwerke entwickelt, welches mit Echtzeitdaten aus der Messung des tatsächlichen Objektzustands am und im Bauwerk arbeitet. Über künstliche Intelligenz (KI)-basierte Algorithmen werden die Daten dann ausgewertet um Schadensmuster zu erkennen und daraus Lösungen für ein intelligentes Erhaltungsmanagement abzuleiten. Weiterhin erfolgen solche Versuche zur Identifikation der maßgeblichen Parameter einer Betonstruktur in Hinblick auf deren Veränderungen im Laufe der Zeit anhand eines skalierten Brückenträgers im Labor für Konstruktiven Ingenieurbau.

Manipulationssichere Datennutzung im Bauwesen

Eine wesentliche Herausforderung für das Projekt „intelligente Brücke“ ist aber zunächst, einen Weg zu finden, wie sich die Daten erheben, verwalten und verarbeiten lassen. Um eine digitale Lösung zu etablieren, muss die Vertrauenswürdigkeit von Daten garantiert sein. Da Bauwerke eine lange Lebensdauer haben, müssen alle Prozesse von der Datenerhebung bis zur – teilweise – Jahrzehnte späteren Nutzung beweissicher und rückführbar gestaltet werden. Zu diesem Zweck wurde am Institut für Konstruktiven Ingenieurbau ein möglicher Lösungsansatz – die „Verwaltungsschale BBox“ (Bridge Box) – entwickelt. Diese digitale Datenablage bildet den Grundstein für zukünftige KI-Auswertungen, z. B. mit den Methoden des Maschinellen Lernens (ML).

Mit der Entwicklung der Verwaltungsschale „BBox“ ist ein erster wichtiger Schritt in Richtung einer langfristig strukturierten Datenablage getan, der das physikalische Modell der Brücke als Basis der Zustandsbewertung in den Mittelpunkt stellt. Hierauf aufbauend werden im Forschungsprojekt CASPAR die technologischen Grundlagen geschaffen, um Daten langfristig und manipulationssicher zu speichern. Das macht es einfacher, bei Veränderungen am Bauwerk die ursprünglichen Planungsunterlagen zu finden und stellt sicher, dass sie nicht verfälscht worden sind. Diese Möglichkeit zur sicheren Datenspeicherung kann auch in vielen anderen Bereichen als dem Brückenbau angewendet werden. Durch die Entwicklung der „BBox“ wurde ein Grundstein für digitale Abbildungen von Bauwerken geschaffen.

An der Universität der Bundeswehr München werten Prof. Braml und sein Team derzeit die gemessenen Daten einiger Testbrücken aus, u. a. der Regenbrücke in Roding sowie der Heinrichsbrücke in Bamberg. Insgesamt wollen die Forschenden eine Vielzahl von Brücken in Deutschland untersuchen und durch die Auswertung mit KI Anomalien feststellen. Aus den Ergebnissen dieser umfassenden Forschungsreihe lassen sich dann Rückschlüsse ziehen, wie Brücken und andere Bauwerke in Zukunft weniger anfällig und wartungsintensiv gebaut werden können. Zudem kann durch eine Verlängerung der Lebensdauer von Bauwerken ein deutlicher Beitrag zum Ressourcenverbrauch erzielt werden. Bei einer Verlängerung der Lebenszeit eines Bauwerks um 50 % können im selben Maße Ressourcen eingespart werden.

Das Projekt CASPAR wird geleitet von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Projektpartner sind die Universität der Bundeswehr München – Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, das Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering (IESE), die OpenLimit GmbH, die objective partner AG, die SSK-Ingenieure GmbH und BIM CC GmbH. Das Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) fördert das Projekt im Rahmen der Förderrichtlinie Modernitätsfonds „mFUND“.

Mehr Informationen zum Institut für Konstruktiven Ingenieurbau finden Sie hier >>
Mehr Informationen zum Projekt: www.bam.de/caspar

^{Titelbild: Datenfluss zur Beurteilung der Zuverlässigkeit einer Brücke (© BAM)}