1.   Allgemeines

Eine automatisierte Bauwerksüberwachung ist eine hervorragende Möglichkeit, den Bauwerksbestand in bezug auf seine zu erwartende Restlebensdauer einzuschätzen. Die sich einstellenden Schäden haben i.a. die folgenden Ursachen:

- Anwachsen oder Veränderung der Einwirkungen

- Höhere Ausnutzung des Widerstandes

- Fehler bei Entwurf, Konstruktion, Berechnung

- Fehler bei der Herstellung

- Unzureichende BauwerksüberwachungErprobung nicht genügend erforschter Bauweisen.

Die Entwicklung der Unterhaltungskosten hängtwesentlich vom der Art der Überwachung und der daraus abgeleiteten Maßnahmen ab. Drei (vereinfachte) Szenarios sollen dies verdeutlichen:

 

a) Man unterhält das Bauwerk nicht, hat deshalb auch keine Kosten. Der Widerstand des Bauwerks nimmt an und wird plötzlich durch den Eintritt eines Schadens, d.h. eines Ereignisses, das die Nutzung drastisch einschränkt oder verbietet, auf einen deutlich kleineren Wert oder sogar auf Null abfallen (Bild). Die Wiederherstellung ist teuer.

 

 

b) Man unterhält das Bauwerk, hat also etwa konstante Kosten je Zeiteinheit, die Gesamtkosten nehmen also etwa linear zu.
Man sorgt dafür, daß der Widerstand - soweit erkennbar - nicht abnimmt. Auch hier kann er - wenn die Schwachstelle nicht erkannt wurde - plötzlich auf einen deutlich kleineren Wert oder auf Null abfallen (Bild). Die Wiederherstellung ist teuer.

 

 

c) Man überwacht die relevanten Schwachstellen und wartet das Bauwerk, hat also höhere Kosten, da die Überwachung zusätzliche Mittel erfordert, hat aber keinen gravierende Reduktion des Widerstandes hinzunehmen (Bild).

 

 

 

 

Neben der Notwendigkeit aus Kostengründen (Verlängerung der Bauwerksnutzungsdauer) und aus Gründen der Sicherheit zu überwachen, ergeben sich  eine Reihe weiterer Vorteile:

a) Bei Nutzungsänderungen des Bauwerkes oder bei Anpassung an geänderte Verhältnisse und Randbedingungen, kann mit Hilfe von Bauwerksüberwachung die Tragfähigkeit und die Gebrauchsfähigkeit genauer bestimmt werden, hierdurch kann die erforderliche Sicherheit gewährleistet werden.

b) Die bisher weitgehend übliche visuelle Inspektion führt dazu, daß häufig Schwachstellen nicht entdeckt werden. Eine BÜ im hier vorgeschlagenen Rahmen führt zu einer Objektivierung der ansonsten subjektiven visuellen Inspektion.

c) Der Einsatz innovativer Bauweisen und Baustoffe, bisher nur mit großem Aufwand durchsetzbar, wird mit Hilfe einer geeigneten Bauwerksüberwachung erleichtert.

d) Als Nebeneffekt wird die Qualität der üblichen Modellbildung verbessert, da durch das Monitoring genaue Daten über das Bauwerksverhalten über der Zeit vorliegen.

 

2.   Vorgehensweise

Die grundsätzliche Vorgehensweise läßt sich wie folgt schematisieren. Das rechte Diagramm zeigt eine Grobübersicht. Die Schematisierung ist bewußt einfach gehalten, um das Wesentliche deutlich zu machen. Die Hauptpunkte werden im folgenden kurz kommentiert.

 

1) Schadensdefinition und Schadenssymptome:

Zunächst müssen der zu erwartende Schaden und seine Symptome in Abhängigkeit der Anforderungen an das Bauwerk (Nutzung, Gefahrenpotential, d.h. des zu erwartenden Folgeschadens etc.) definiert werden. Schadenssymptome sind z.B. Anrißgrößen, Verformungs- oder Dehnungsänderungen, chemische Größen, Durchfeuchtung . Die jeweiligen Grenzzustände sind zu definieren.

2) Schwachstellenidentifizierung

So unterschiedlich die Überwachungsaufgaben bei unterschiedlichen Bauwerken und Bauweisen auch sein mögen - eine ist allen gemeinsam: Es müssen die Schwachstellen des Bauwerkes identifiziert werden. Dies sind die Orte innerhalb eines Bauwerkes, die in bezug auf das Eintreten von Schäden besonders anfällig sind und / oder bei denen Schäden nicht tolerierbare Folgen nach sich ziehen.

Bei der Schwachstellenidentifizierung wird zweigleisig vorgegangen. Auf der einen Seite werden die deterministischen Verfahren zugeschärft, dies sind insbesondere Verbesserungen der (klassischen) Modelle zur Beschreibung und Prognose des jeweiligen Schadens. Derartige deterministische Vorgehensweisen sind dann einfach anwendbar, wenn die Schwachstellen hinreichend einfach festzulegen sind, d.h. wenn das Bauteil außerhalb der Schwachstelle überbemessen ist. Dies wird häufig bei älteren Bauwerken der Fall sein, bei denen das Sicherheitsniveau innerhalb des Bauwerkes stark schwankt.

Bei neu errichteten Bauwerken ist das Sicherheitsniveau, bedingt durch die traglastorientierte Bemessung aller Bauelemente, i.a. vereinheitlicht. Eine eindeutige Schwachstelle existiert dann häufig nicht mehr, der Ort einer Schwachstelle kann sich, z.B. bedingt durch Streuungen im Werkstoff, weit von der rechnerisch ermittelten Schwachstelle entfernen. Es liegt auf der Hand, daß eine derartige Situation nur mit Hilfe zuverlässigkeitsorientierter Vorgehensweisen behandelt werden kann. Hierbei sind dann z.B. unterschiedliche Versagenspfade, die zu unterschiedlichen Grenzzuständen führen, zu untersuchen, wobei die statistischen Streuungen der jeweiligen Einflußgrößen zu berücksichtigen sind. Die Schwachstelle wird dann anhand der dominierenden Beiträge zur Versagenswahrscheinlichkeit des Bauwerkes identifiziert.

Ein weiteres Problem ergibt sich hierbei durch die sogenannten groben Fehler die zu nicht erwarteten Schwachstellen führen (z.B. nicht ordnungsgemäß verpreßte Spannkanäle, innere Schweißnahtfehler, Fehler beim Verlegen von Dichtungsbahnen). Derartige Fehler, die sich auch einer probabilistischen Betrachtungsweise grundsätzlich entziehen, müssen stets durch qualitätssichernde Maßnahmen bei Entwurf und Herstellung vorbeugend vermieden werden (z.B. Überprüfung der Verpreßmörtelmengen, Auswahl geeigneter Schweißdetails und zerstörungsfreie Prüfung der Nähte). Es wird jedoch erwartet, daß bei einer umfassenden BÜ, zumindest in sicherheitsrelevanten Teilbereichen, auch die Auswirkungen derartiger Fehler erkannt werden, so daß frühzeitig reagiert werden kann.

Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit der Schwachstellenidentifikation ergibt sich durch die hierfür notwendige Modellvorstellung vom Verhalten des Bauwerks. Die Zugrundelegung falscher oder ungenauer Modelle kann Schwachstellen verdecken oder vortäuschen. Beispiel hierfür sind in letzter Zeit bekanntgewordene Schäden im Stahlbrückenbau durch nicht berücksichtigte räumliche Tragwirkung. Zur Vermeidung derartiger Fehler ist bei der Schwachstellenidentifikation eine möglichst genaue Modellierung des Bauwerkes vorzunehmen. Gedacht ist auch an Sensitivitätsuntersuchungen von Modellen auf der Basis einer Monte Carlo Simulation der Modellparameter. Hierdurch können sensitive Bereiche erkannt und damit auf der Basis der Daten des vorhandenen Bauwerkes genau modelliert werden. Parallel müssen vorhandene Schadensfälle intensiv ausgewertet werden um die Erfahrungen bei der Modellierung stetig zu verbessern.

 

3) Überwachungsstrategie

Hieran schließt sich die Wahl der Überwachungsstrategie an. Diese kann

- prognostisch sein, hierbei wird erden adaptive Modelle benötigt, die sich an den jeweiligen Bauwerkszustand anpassen (der linke Ast des Flußdiagramms (Bild) stellt die Vorgehensweise dar), oder

- schwelwertüberwachend sein, hierbei werden durch kontinuierliches Monitoring Schwellwerte (z.B. Grenzdehnung, Riß am Zuggurt) überwacht, ohne daß ein Modell benötigt wird. Diese Vorgehensweise könnte z.B. bei älteren Bauwerken gewählt werden, wenn über die Vergangenheit zu wenig bekannt ist, so daß Modelle wegen der unbekannten Anfangsbedingungen zu unsicher wären.

 

4) Adaptive Modelle

Wie bereits bemerkt, passen sich die adaptiven Modelle mit Hilfe der durch die BÜ gemessenen Parameter stetig oder diskret an die jeweils neue Bauwerkssituation an. Die adaptiven Modelle sind deshalb i.a. anders aufgebaut als die üblichen Prognosemodelle, die stets zu einem Anfangszeitpunkt über einen relativ langen Zeitraum eine Aussage liefern sollen und die deshalb vergleichsweise komplex sein müssen (vgl. z.B. Werkstoffmodelle für zyklische Beanspruchung mit einer großen Zahl innerer Variablen). Adaptive Modelle müssen sich stetig an den neuen Zustand anpassen und werden deshalb wesentlich zuverlässiger sein als die herkömmlichen Prognosemodelle. Wesentliche Voraussetzung für die adaptiven Modelle ist jedoch, daß die Eingangsparameter der Modelle reale, d.h. möglichst einfach meßbare physikalische, chemische, biochemische Größen sind. Der Prozeß des Validierens eines (adaptiven) Modells anhand von begleitenden Messungen ist in Bild 6 dargestellt. Man erkennt die vielfachen Rückkopplungen zwischen Modellbildung und Messung.

 

5) Auswahl der Meßtechnik

Die Adaptierung und Anpassung unterschiedlichster Meßtechniken stellt eine wichtige Aufgabe innerhalb der BÜ. In Abhängigkeit der zu lösenden Aufgaben wird Meßtechnik für physikalische, mechanische und chemische Anwendungen eingesetzt. Die für eine BÜ einzusetzende Meßtechnik muß den Bedingungen des langzeitlichen, sicheren Einsatzes an Bauwerken genügen (in-situ-Messungen).

Bei der Datenübertragung wird, falls erforderlich, Funkfernübertragung (digitales Funktelefonnetz) eingesetzt. Ein wichtiger Punkt bei der Überwachung sicherheitsrelevanter Konstruktionen ist das sog. fail-safe-Verhalten der Meßtechnik, d.h. das - bei Auftreten eines nicht vorhersehbaren Fehlers - automatische Übergehen in einen definierten, sicheren Zustand der Meßlogik.

 

6) Maßnahmenentscheidung

In der Folge wird eine Entscheidung über anzuwendende Maßnahmen notwendig:

- Wartungen, Instandsetzungen

- Nutzungseinschränkungen oder -ausweitungen

- Verkürzung der Inspektionsintervalle, d.h. Intensivierung der BÜ, bzw.

- Außerbetriebnahme des Bauwerkes sein.

Alle diese Aspekte werden in starkem Maße von Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten gesteuert.

 

3.   Ermittlung der Lebensdauer ermüdungsbeanspruchter Stahlkonstruktionen mit Hilfe von Monitoring

Eine hinreichend genaue Vorhersage der Lebensdauer von nicht vorwiegend ruhend beanspruchten Stahlkonstruktionen ist nach wie vor mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. Die Gründe liegen in den unsicheren drei Modellen, die klassisch für die Vorhersage verwendet werden:

- Das Einwirkungsmodell beschreibt im regelfall die tatsächlichen Einwirkungen nur sehr grob oder weit auf sicherer Seite. Beides ist für eine Ermüdungsabschätzung ungünstig.

- Das Systemmodell ist sicherlich das genaueste der drei notwendigen Modelle. Auch hier gibt es Probleme mit der Erfassung von Einspanngraden, Randbedingungen, Detailmodellierung  etc.

- Das Schädigungsmodell ist das ungenaueste. Einordnung der zu beurteilenden Details in eine Kerbfallklasse, Reihenfolgeeinflüsse der Lasten, einzelne Überlastungen etc. führen zu starken Abweichungen der Prognose von der Wirklichkeit. Die Abweichungen können den Faktor 10 oder 1/10 erreichen.

 

Bei der Lebensdauervorhersage via Monitoring und begleitende Prüfung erntfallen die genannten Unsicherheiten:

1. Im ersten Schritt werden kontinuierlich oder nicht kontinuierlich die Beanspruchungen an den kritischen Nachweispunkten gemessen (Monitoring). Die Zeitschriebe werden statisch bewertet. Mit Hilfe der statistischen Kennwerte werden anschließendkünstliche, endliche Ersatzzeitschriebe generiert, die das tatsächliche Verkehrsverhalten - z. B. mit Clusterbildung durch LKW-Gruppen - richtig erfassen. Der Ersatzzeitschrieb hat eine endliche Länge, zur Zeit wird mit ca. einstündigem Dauem gearbeiet.

Durch die kontinuierliche (gelegentlich auch diskontinuierliche) Überwachung der kritischen Nachweispunkte sind die örtlichen Beanspruchungen also genau bekannt, die Modellungsgenauigkeiten der ersten beiden Modell des klassischen Verfahrens (Einwirkung und Systemübertragungsverhalten) sind entfallen.

2. Die Zeitschriebe könnten nun wie üblich - z.B. mit Hilfe des Rainflow-Verfahrens - klassiert werden. Das Ergebnis wären Beanspruchungskollektive, die einer klassischen Lebensdaueruntersuchung zugrundegelegt werden könnten, vgl Bild rechts. Es könnten dann z.B. eine Abschätzung der Lebensdauer mit Hilfe einer linearen oder inkrementellen Schadensakkumulationshypothese oder mit Hilfe von Mehrstufen- Ermüdungsversuchen (Gassner-Kollektiv) durchgeführt werden. Beide Vorgehensweise beinhalten aber relativ große Unsicherheiten der Lebensdauervorhersage, was der hier angestrebten Aussagegenauigkeit zuwiderliefe.

 

 

 

Deshalb wird der zuvor ermittelte synthetische Ersatzzeitschrieb, der alle wesentlichen Ereignisse der Bauwerksbeanspruchung erhält, als Belastungs-Zeitverlauf für parallel durchgeführte Ermüdungsversuche verwendet. Nach Beendigung des synthetischen Beanspruchungsverlaufes wird dieser solange wiederholt, bis ein Anriß auftritt. Mit Hilfe der neuen, digital geregelten dynamischen 1000 kN Prüfmaschine des Instituts für Stahlbau der TU Braunschweig, sind derartige Untersuchungen möglich.

 

 

 

 

 

Vor der statistischen Bewertung wird der der Meßschrieb auf die relevanten Lastwechsel reduziert, d.h. es werden Ruhepausen, oder sehr geringe Spannungsschwankungen eliminiert (Bild rechts). Aus den so verkürzten Zeitschrieben werden Klassenübergangsmatrizen ermittelt, die als Grundlage für die Bestimmung der synthetischen Ersatzzeitschriebe dienen. Die Ersatzzeitschriebe enthalten auch Cluster-effekte, die z.B. durch Gruppen von LKW entstehen.

 

Als Probekörper werden die gleichen Details wie im Originalbauwerk verwendet, so daß auch die Genauigkeit der Einschätzung des Kerbdetails - ein häufig schwieriges Problem in der Bemessungspraxis - entfällt. Bei neuen Bauwerken können diese Detailpunkte darüber hinaus vom demselben Schweißer, der auch die Konstruktion schweißt, mit erstellt werden, so daß die "Handschrift" die gleiche ist.

Die Versuche ergaben bei dem vorliegenden Detail eine Verlängerung der Lebensdauer um den Faktor 10, verglichen mit den ergebnissen einer klassischen Untersuchen unter Zugrundelegung des o.a. Kollektivs und einer inkrementellen Schadensakkumulationshypothese.

Dies Ergebnis darf jedoch nicht verallgemeinert werden. Es sind auch Fälle bekannt, in denen die Lebensdauer dramatisch kleiner war, als nach klassischen Verfahren ermittelt.

 

 

 

 

 

 

 

Weitere Infomationen und Details siehe Lebensdauerermittlung und Forschungsberichte