Geburtszertifikat für Brückenbauwerke – Die Nullmessung als Bewertungsgrundlage des Bauwerkszustands im Lebenszyklus

Abstract

Das Ziel dieses Forschungsprojektes war es, ein umfassendes Konzept für ein „Geburtszertifikat“ von Brückenbauwerken allgemein zu entwickeln und dann an einer konkreten realen Brücke prototypisch umzusetzen. Das Geburtszertifikat soll dabei als Grundlage für die Zustandsüberwachung und Erhaltungsplanung über den gesamten Lebenszyklus der Brücke dienen. Im Mittelpunkt steht dabei die sogenannte Nullmessung, die eine detaillierte, systematische Erfassung und Dokumentation des Ausgangszustandes des Bauwerks nach der Fertigstellung und vor der Verkehrsfreigabe mit vielfältigen Prüf- und Messmethoden beinhaltet. Die Nullmessung dient somit der Charakterisierung eines Initialzustands (Referenzzustand nach der Fertigstellung). Der ermittelte Referenzzustand ist die Grundlage für Vergleichsbetrachtungen im Rahmen der Erfassung und Bewertung des Bauwerkszustandes im Zuge der Erhaltung und des Bauwerksmanagements. Er bildet erstmalig die Basis, um im Laufe des Lebenszyklus auftretende Veränderungen und Schäden frühzeitig durch den Bezug zum Referenzzustand zu detektieren und in ihrer Entwicklung zu dokumentieren und zu bewerten. Durch die Einführung dieses Konzeptes kann das Geburtszertifikat den Ausgangspunkt für die Umsetzung prädiktiver Erhaltungsmethoden darstellen. Dabei umfasst das Geburtszertifikat eine möglichst breite und aussagekräftige Erfassung und Dokumentation physikalischer Parameter, chemischer Aspekte und geometrischer Eigenschaften des Bauwerks. Zu den physikalischen Parametern zählen beispielsweise Materialdehnungen, Verschiebungen, Eigenfrequenzen und -formen, die wichtige Hinweise auf das Tragverhalten der Brücke geben. Diese Daten werden durch sensorbasierte Systeme, wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen, faseroptische Sensoren, und Beschleunigungsaufnehmer einmalig oder kontinuierlich über einen Zeitraum von einem Jahr vor oder kurz nach der Inbetriebnahme des Bauwerks erfasst und durch geeignete Prozessierung der Messdaten ermittelt. Chemische Aspekte, wie die Bestimmung des Chloridgehalts, der Carbonatisierungstiefe und des Feuchtigkeitsgehalts des Betons, liefern wichtige Informationen über die Dauerhaftigkeit des Bauwerks. Diese chemischen Aspekte sind entscheidend, um eine mögliche Korrosion der Bewehrung frühzeitig zu erkennen, bevor gravierende strukturelle Schäden auftreten. Das Geburtszertifikat soll nicht nur chemische Aspekte und physikalische Parameter wie die statischen oder dynamischen Parameter, sondern auch mit bildbasierten oder anderen ZfP-Verfahren erfassbare Eigenschaften beinhalten. Die geometrische Beschreibung der Brücke ist daher ein weiterer zentraler Bestandteil des Geburtszertifikats. Dabei sind die Form und die Oberflächenstruktur des Tragwerks vor Verkehrsfreigabe der Brücke aufzunehmen. Diese geometrischen Aspekte des Referenzzustands sollen durch ein georeferenziertes hochgenaues 3D-Bauwerksmodell definiert werden, das beispielsweise photogrammetrisch auf Basis systematisch generierter Bilddaten oder mithilfe von Scanningverfahren generiert wurde und anschließend in ein vorhandenes As-Built-Modell integriert wird. Die geometrische Aufnahme in Form einer „Nullmessung“ ist insbesondere für zukünftige Verformungsermittlungen sowie schadensfokussierte Zustandsbewertungen auf Basis vielfältiger sensor- und bildbasierter Monitoringverfahren ein wichtiger Ausgangspunkt. Am 3D-Bauwerksmodell können die vielfältig erfassten Eigenschaften und Zustandsparameter zusätzlich eindeutig und nachvollziehbar verortet werden. Das Geburtszertifikat wird in einer standardisierten, leicht zugänglichen Form als kompakte und übersichtliche Zusammenfassung der wichtigsten Informationen in Form eines PDF-Dokumentes erstellt. Zur Gewährleistung einer langfristigen und flexiblen Nutzung und digitalen Verarbeitung der gewonnenen Daten enthält das PDF-Dokument Verweise auf alle Datensätze und Modelle, die zusätzlich bereitgestellt werden. Diese Verlinkungen beinhalten detaillierte Mess- und Bilddaten, abgeleitete oder aggregierte Parameter, Modelle und andere relevante Informationen, die zur Beurteilung des Zustandes notwendig sind. Diese Informationen werden in entsprechenden Datenbanken und strukturierten Dateisystemen gespeichert. Abschließend wird das erarbeitete Konzept des Geburtszertifikates prototypisch an einem Bauwerk umgesetzt. Dabei wird auf die verschiedenen, zuvor erarbeiteten Eigenschaften und Aspekte eingegangen und dargestellt wie einzelne Parameter und das georeferenzierte 3D-Bauwerksmodell ermittelt werden können. Zudem wird auch die Ableitung von Daten für die Zustandsbewertung sowie das Datenmanagement thematisiert. Das Geburtszertifikat unterstützt die Einbindung in moderne digitale Infrastruktursysteme, wie das Lebenszyklusmanagement von Brücken, und bildet die Grundlage für die Integration in Überwachungssysteme wie Digitale Zwillinge. Die Einführung eines solchen digitalen Zertifikates für Brücken ist ein wichtiger Schritt hin zu einer nachhaltigeren und effizienteren Nutzung von Infrastrukturressourcen. Datei-Upload durch TIB

The objective of this research project was to develop a comprehensive concept for a “birth certificate” for bridge structures and to implement it prototypically on a real bridge. This birth certificate is intended to serve as a basis for condition monitoring and maintenance planning throughout the entire life cycle of the bridge. Central to this is the so-called zero measurement, which involves a detailed, systematic recording and documentation of the initial condition of the structure after completion and before traffic opening, using a variety of testing and measurement methods. Thus, the “zero measurement” serves to characterize an initial condition. The determined reference condition forms the basis for comparative analyses in the context of capturing and evaluating the structure’s condition as part of maintenance and management. For the first time, it provides a basis for early detection of changes and damages that occur during the life cycle by comparing them to the initial condition, and documentation and assessment of their development. By introducing this concept, the birth certificate can constitute the starting point for the implementation of predictive maintenance methods. The birth certificate aims to capture and document a wide range of significant physical parameters, chemical aspects, and geometric properties of the structure. Physical parameters include, for example, strains, displacements, natural frequencies and modes, which provide important insights into the load-bearing behavior of the bridge. This data is captured by sensor-based systems such as strain gauges, fiber optic sensors, and accelerometers, either once or continuously over a period of one year before or shortly after the bridge is put into operation and determined through appropriate data processing. Chemical aspects, such as chloride content, carbonation depth, and moisture content of the concrete, provide important information about the durability of the structure. These chemical aspects are crucial for detecting potential corrosion of reinforcement at an early stage before serious structural damage occurs. The birth certificate should not only include chemical aspects and physical parameters like static or dynamic properties, but also properties that can be captured using image-based or other nondestructive testing methods. Therefore, the geometric representation of the bridge is another key component of the birth certificate. This involves recording the shape and surface of the load-bearing structure before the bridge is opened to traffic. These geometric aspects of the reference condition should be defined through a georeferenced, highly accurate 3D model of the structure, which is generated e. g. photogrammetrically based on systematically generated image data or using scanning techniques and is then integrated into an existing as-built model. The geometric recording in the form of a "zero measurement" is particularly important as a starting point for future deformation monitoring and damage-focused condition evaluations based on a wide range of sensor- and image-based monitoring methods. The various recorded properties and condition parameters can also be clearly and traceably located in the 3D model of the structure. The birth certificate is created in a standardized, easily accessible form as a compact and clear summary of the most important information in the form of a PDF document. To ensure long-term and flexible usage and digital processing of the acquired data, the PDF document contains references to all datasets and models that are additionally provided. These references include detailed measurement and image data, derived or aggregated parameters, models, and other relevant information necessary for condition assessment. The data is stored in appropriate databases and structured file systems. Finally, the developed concept of the birth certificate is prototypically implemented on a bridge structure. The various properties and aspects previously developed are addressed, and it is demonstrated how individual parameters and the georeferenced 3D model of the structure can be determined. In addition, the derivation of data for condition assessment as well as data management is discussed. The birth certificate supports integration into modern digital infrastructure systems, such as life cycle management of bridges, and forms the basis for integration into digital monitoring systems like digital twins. The introduction of such a digital certificate for bridges is an important step towards a more sustainable and efficient utilisation of infrastructure resources.