Deutsches IngenieurBlatt

Deutsches IngenieurBlatt | 03 I 12
Technik
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DEN ZUSTAND solcher Brücken kontinuierlich und aussagefähig zu überwachen...
Messen ist Wissen
Das Bauwerksmonitoring kann dem Ingenieur für
viele seiner Aufgaben effektiv nutzbare Daten und
Erkenntnisse liefern
Wenn Ingenieure und Baulastträger nachhaltige Informationen über
den Zustand von Bauwerken benötigen, gibt es für dieses Problem eine
zweckdienliche Lösung: das Bauwerksmonitoring: 24 Stunden am Tag,
365 Tage im Jahr. Bauwerksmonitoring bietet, wie der folgende Beitrag
zeigt, eine effektive Möglichkeit, die Signatur von Bauwerksstrukturen
unter äußeren Einwirkungen zu entschlüsseln, wenn Kenntnisse über
Bauwerkszustände oder einzelne Tragwerksteile vertieft oder Einwirkungsgrößen für den sicheren Betrieb identifiziert werden müssen oder
wenn Eingangsgrößen für Sanierungsplanungen, für die Abschätzungen
von Restlebenszeiten oder für Ermüdungsberechnungen benötigt werden.
Ulf Kohlbrei
Die Summe der öffentlichen und privaten
Bauwerke in Deutschland bildet ein großes Anlagenvermögen in Deutschland.
Vor allem Infrastrukturbauwerke sind von
besonders hoher volkswirtschaftlicher
Bedeutung. Bei einem teilweisen Ausfall
oder einem gänzlichen Versagen bergen,
wenn tragwerksrelevante Veränderungen nicht frühzeitig erkannt werden, diese Bauwerke jedoch auch ein immenses
Schadenspotential.
Die dauerhafte Überwachung, das Monitoring von Bauwerken oder Bauteilen,
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wird deshalb künftig eine noch wichtigere
Rolle spielen als bisher. Gründe dafür sind
der Wunsch nach einer optimierten Instandhaltungsplanung auf Basis verlässlicher Daten
und die Notwendigkeit einer kontrollierten
Nutzung von Bauwerken.
Die Zahl der Bauwerke, die ihres Alters
wegen entweder geschädigt sind oder Lasten
ertragen müssen, für die sie zum Zeitpunkt ihrer Errichtung nicht ausgelegt worden waren,
wird beständig größer. Um den Vorteil von
Monitoringmaßnahmen zu optimieren, sind
eine gründliche Analyse der Probleme und eine zielgerichtete, maßvolle technische Instrumentierung angezeigt.
... ist heute kein Problem mehr.
Abb. 1: Unterscheidung der Messarten Monitoring und periodische Messung
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Ulf Kohlbrei
Was ist Monitoring?
Die Online-Enzyklopädie Wikipedia [1] definiert Monitoring als einen Überbegriff
für alle Arten der unmittelbaren systematischen Erfassung (Protokollierung, Beobachtung oder Überwachung) eines Vorgangs
oder Prozesses mittels technischer Hilfsmittel oder anderer Beobachtungssysteme. Dabei ist die wiederholte regelmäßige Durchführung ein zentrales Element der jeweiligen
Untersuchungsprogramme, um anhand von
Ergebnisvergleichen Schlussfolgerungen ziehen zu können.
Auf das Ingenieurwesen übertragen bedeutet dies eine permanente Überwachung
sensibler Bauwerksstrukturen 24 Stunden
am Tag, 365 Tage im Jahr verbunden mit der
Notwendigkeit die Daten ingenieurmäßig zu
bewerten und bauwerksspezifische Schlussfolgerungen daraus zu ziehen. Im Bauwesen
wird auch von Bauwerksmonitoring oder
structual health monitoring gesprochen
(Abb. 1) Die großen Vorteile von Monitoring
sind nur dann vollständig zu nutzen, wenn
die Datenanalyse zu eindeutigen Strategien
für die weitere Nutzung des jeweiligen Bauwerks und/oder zu einer Instandhaltungsplanung führt. Das Messen allein stellt für
sich keinen Wert und keine Wertschöpfung
dar.
Monitoring wird den zerstörungsfreien
Prüfungen zugerechnet und ist zweifelsohne eine für das Bauwerk schonende Überwachungs- und Analysemethodik (Abb. 2).
Technik
Dipl.-Ing., Studium des Bauingenieurwesens an der Fachhochschule Köln; seit 2002, nach elf
Jahren Prüf- und Aufstellertätigkeit bei den Kölner Prüfingenieuren Jeromin & Vester, Projektleiter Bauwerksmonitoring
bei der TÜV Rheinland LGA Bautechnik GmbH“
Abb. 2:
Beispiele
für zerstörungsfreie
Prüfungen
Abb. 3: Kenngröße Beanspruchungsüberprüfung
Aufgaben und Ziele
des Monitoring
Eine bislang weitreichende Grundlage für
Anwendungsbereiche, technisches Equipement und Auswertungsverfahren beim Bauwerksmonitoring ist das Merkblatt über die
automatisierte Dauerüberwachung im Ingenieurbau, das die Deutsche Gesellschaft für
zerstörungsfreie Prüfungen (DGZfP) herausgegeben hat [2].
Die Aufgaben für ein Monitoring sind
sehr vielfältig. Konkret ist Monitoring immer dann sinnvoll, wenn die Kenntnis über
den aktuellen Bauwerkszustand insgesamt
Abb. 4: Kenngröße Zustandsüberwachung
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Abb. 5: Kenngröße äußere Einwirkungen
Ermittlung äußerer Einwirkungen (Auswahl)
‡ Ermittlung von Lastkollektiven
‡ Ermittlung von Fahrzeuglasten
‡ Ermittlung von Schwingbeiwerten
‡ Ermittlung von weiteren Einwirkungen wie
Temperatur, Windgeschwindigkeit, Feuchte
‡ Klassierung nach Intensität und Häufigkeit
Foto: Beweissicherung
unzulässige Lasten
Abb. 6: Hauptziele des Monitoring
oder einzelner Tragwerksteile effektiv gesteigert werden muss; ebenfalls dann, wenn
Einwirkungsgrößen für den sicheren Betrieb
identifiziert werden müssen und Eingangsgrößen für weitergehende Planungen und
Berechnungen (Sanierungsplanung, Restlebensdauerabschätzung, Ermüdungsberechnung etc.) benötigt werden.
Monitoring ist bei richtiger Anwendung
ein wichtiger Baustein für das Werterhaltungsmanagement, da nachteiligen Entwicklungen frühzeitig entgegengesteuert werden
kann. Eine Qualitäts- und/oder Beweissicherung im Rahmen von Bautätigkeiten, innovativen Bauverfahren oder besonderen
Beanspruchungszuständen (zum Beispiel
Schwertransporte) rundet die häufigsten Ziele ab.
Die drei Hauptaufgaben lassen sich nach
[2] unterteilen in
ƒ die Zustandserfassung,
ƒ die Beanspruchungsüberprüfung und
ƒ in die Ermittlung äußerer Einwirkungen.
Die Abb. 3, 4 und 5 illustrieren diese signifikante Aufgabenschwerpunkte. Aus die-
Sensor
Abb. 7: Monitoringprinzip
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sen Aufgabenfeldern ergeben sich auch die
Hauptziele des Monitoring, die in Abb. 6
dargestellt werden.
Monitoringprinzip und
Messtechnik
Zu den grundsätzlichen Eigenschaften der
Monitoringtechnik gehört, dass Daten mit
frei wählbaren Abtastraten zuverlässig erfasst, vor Ort am Bauwerk gespeichert und
verwaltet werden. Besondere Ereignisse
werden auf entsprechend vorab festgelegten Alarmwegen per SMS, E-Mail oder vor
Ort befindlichen Signalgebern (Schranken,
Hupen etc.) gemeldet, Daten an autorisierte Nutzer weitergeleitet und dort visualisiert
und archiviert. Abb. 7 veranschaulicht den
prinzipiellen Ablauf des Monitoringprozesses anhand einer Zustandsüberwachung einer Spannbetonbrücke.
An die Monitoring Technik, die nach
Sensorik, Geräten zur Datenerfassung (Monitoring-Station) und Datenmanagement
unterschieden wird, richten sich spezifische
Anforderungen. Wichtig für die Sensorik
sind (Abb. 8):
ƒ Robustheit, um einen mehrjährigen Einsatz unter teils schwierigen äußeren Bedingungen zu garantieren,
ƒ hohe Auflösung im μm-Bereich bei dynamischen Ereignissen,
ƒ eine im Hinblick auf die zu erwartende
Veränderung hinreichende und dauerhafte
Genauigkeit,
ƒ gegebenenfalls Unempfindlichkeit beim
Einsatz in starken elektrischen Feldern,
ƒ Möglichkeit einer Qualitätsprüfung und
Kalibrierung im Betrieb.
Die Monitoring-Station am Bauwerk ist
die zentrale Schnittstelle zwischen dem Bauwerk oder Bauteil und dem Monitoring-Nutzer. Wesentliche Funktionen sind hier:
ƒ ein stabiles Betriebssystem,
ƒ Schnittstellen für Datenkommunikation
und für die Ansteuerung akustischer oder
optischer Signale,
ƒ Darstellung aktueller und historischer Daten,
ƒ mehrere voneinander unabhängige Informations- und Alarmierungshierarchien (Prüfund Eingreifwerte),
ƒ Reduzierung von Daten durch zum Beispiel Filterung, Mittelwertbildung, wobei
besondere Ereignisse durch eine Triggerung
vollständig aufgezeichnet und gespeichert
werden müssen,
ƒ bei hochsensiblen Überwachungen ist ein
Notstromaggregat oder ein leistungsstarkes Batteriesystem unabdingbar. Redundante Monitoring-Systeme erzielen eine höchst
mögliche Sicherheit.
Beim Datenmanagement ergeben sich folgende Anforderungen:
ƒ Automatisierte Funktions- und Plausibilitätskontrolle,
ƒ Datensicherheit gegen Vandalismus oder
Systemausfälle durch automatischen Datenexport auf einen externen Datenbankserver,
ƒ Visualisierung der Daten in verschiedenen
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Abb. 8: Sensoren verschiedener Hersteller – Wegsensoren, Temperatursensor, Beschleunigungssensor, Geophon, Inklinometer (Neigungssensor), Dehnmessstreifen (DMS)
Abb. 9: Ausgewählte Einsatzgebiete von Monitoring in der Bautechnik
Ansichten (zum Beispiel Balkendiagramme,
Weg-Zeitdarstellungen, Histogramme),
ƒ Standard-Auswertefunktionen, zum Beispiel statistische Funktionen, Klassierung,
Fouriertransformation,
ƒ Datenzugang über Internet und langfristige Sicherung auf einem Datenbankserver für
autorisierte Nutzer,
ƒ einfacher Datenexport für weitergehende
Auswertungen.
Die Anwendungsgebiete des
Monitoring in der Bautechnik
Allein mit Rechen- und Modellannahmen
und visuellen Prüfungen ist eine vollständige
Beschreibung eines Bauwerkszustands nur
unzureichend möglich. Wird Wert auf eine
zerstörungsfreie Analyse mit objektiven und
verlässlichen Entscheidungshilfen (Messdaten) gelegt, kann auf ein Monitoring mit
Frühwarnfunktion nicht verzichtet werden.
Generell kommen für das Monitoring alle Bauwerke, Bauwerksteile und Anlagen in
Betracht, bei denen (veränderliche) Einwirkungen und deren Auswirkungen auf das
Tragwerk in ihrer zeitlichen Entwicklung
und Intensität kontinuierlich beobachtet werden müssen (Abb. 9).
Besonders sinnvoll ist Monitoring dort, wo
die Bauwerksnutzung in einen Wertschöpfungsprozess eingebunden ist, wo Risiko- und
Schadenspotentiale besonders ausgebildet
sind oder wo eine effektive und kostenoptimierte Instandhaltungsplanung [3] erforderlich ist. Dies ist vornehmlich der Fall für:
ƒ Infrastrukturbauwerke (zum Beispiel Brücken, Tunnel, Schleusen, Parkhäuser, Schienentrassen),
ƒ Bauwerke für die Energieerzeugung (zum
Beispiel Staudämme, Windenergieanlagen, Lagerstätten),
ƒ Geotechnik allgemein (zum Beispiel Hänge,
Spalten, Gesteinsformationen),
ƒ öffentliche Bauwerke (Versammlungsstätten, Hallen, U-Bahnhöfe, Stadien),
ƒ Bauwerke für die Signalübertragung (zum
Beispiel Fernmeldetürme, Leuchttürme, Funkmasten),
ƒ industrielle Anlagen für die Rohstoffgewinnung (zum Beispiel Förderbauwerke, Schachtanlagen, Gasleitungen),
ƒ historische Bauwerke (Kirchen, Denkmäler,
Burgen).
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Abb. 10: Einsatz des Monitoring bei
Verkehrsbauwerken der Straße
Bauwerksüberwachung und
Tragfähigkeitseinstufung
Je nach Bauwerksart und Nutzung sind unterschiedliche Normen und Vorschriften bei der
Überwachung im life circle der Bauwerke maßgebend. Bei Straßenverkehrsbauwerken ist die DIN
1076 (Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen
und Wegen [4]), das Regelwerk für durchzuführende Inspektionen, während bei der Bahn die
DS 803 [5] die maßgebliche Richtlinie ist (Abb.
10). Das Bundesministerium für Verkehr, Bau
und Stadtentwicklung hat für Nichtverkehrsbauwerke eine Richtlinie für die Überwachung der
Verkehrssicherheit von baulichen Anlagen des
Bundes (RÜV) [7], herausgebracht. Pendant für
private Bauwerke ist die VDI Richtlinie 6200 [8]
mit Empfehlungen für die regelmäßige Überprüfung der Standsicherheit von Gebäuden.
Monitoring kommt zunehmend bei den Verkehrsbauwerken der Straße im Rahmen einer
sogenannten Objektbezogenen Schadensanalyse [9] zum Einsatz. Das ist immer dann der Fall,
wenn bauwerksspezifische Fragestellungen zur
Tragwerkssicherheit oder zu aufgetretenen Schadensbildern im Rahmen der Inspektionen nach
DIN 1076 nicht beantwortet werden können.
Tiefergehende Analysen erfordern unter anderem belastbares Zahlen- und Datenmaterial, das
durch Monitoring-Messungen sicher gewonnen
werden kann.
In der 2011 erschienenen mehrstufigen
Nachrechnungsrichtlinie für die Bewertung der
Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit bestehender Straßenbrücken [10], die nicht nach
den aktuellen Normen konzipiert wurden, wird
die Möglichkeit einer messwertgestützen Berechnung gegeben, um das gewünschte Ziellastniveau zu erreichen. Das ist dann erforderlich,
wenn reine Berechnungsansätze nicht zum Ziel
geführt haben und die tatsächlichen Beanspruchungen am Tragwerk ermittelt werden sollen. Da eine kurzzeitige Messung zum Beispiel
nur bedingt die Einwirkungen aus dem Lastfall
Temperatur (veränderlicher Jahresverlauf) abbilden kann, wird man hier im Regelfall auf ein
längerfristiges Monitoring zurückgreifen.
Auch die Bahnrichtlinie 805 [6] zur Bestimmung der Tragsicherheit bestehe der Brückenbauwerke sieht ein mehrstufiges Nachweisverfahren
vor. Kann die Tragsicherheit auch nicht durch
komplexe Berechnungen nachweisen werden,
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bleibt nur der Weg einer messwertgestützen Berechnung, wobei auch hier ein Monitoring einer Kurzzeitmessung vorzuziehen ist, um die
tatsächlichen Beanspruchungen sicher zu ermitteln.
In der Gebäude-Richtlinie VDI 6200 [8] wird
Bauwerksmonitoring explizit als Teil des Sicherheitsmanagements für die Zustandsprognose
aufgeführt. Zahlreiche Beispiele (zum Beispiel
Hallenmonitoring zur Vermeidung von Überlasten aus Schnee und Eis) belegen die Praxistauglichkeit von Monitoring.
Grundsätzlich gilt, dass Baulastträger und Eigentümer von Bauwerken oder Immobilien gehalten sind, die Standsicherheit regelmäßig
überprüfen zu lassen. Alle am Überwachungsprozess beteiligten Fachplaner und Ingenieure sollten die Möglichkeiten eines Monitorings
nicht zuletzt unter wirtschaftlichen Erwägungen
ergebnisoffen ausloten.
In der nächsten Ausgabe: Bauwerksmonitoring
Teil II: „Sicherheit dauerhaft installieren.
Literatur
[1] http://de.Wikipedia.org/wiki/Monitoring (Abrufdatum 25.10.2011)
[2] DGZfP-Fachausschuss für Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen, Unterausschuss Dynamische
Untersuchungen: Merkblatt B9, Merkblatt über
die automatisierte Dauerüberwachung im Ingenieurbau; 22 Seiten, 20 Abbildungen, Fraunhofer
IRB Verlag 2000; 35 Euro (nur als Download als
druckbare PDF-Datei)
[3] Kohlbrei U., Roloff J.: Monitoring als Grundlage
für effektive Instandhaltung, Neue Wege bei der
Bauwerkserhaltung, VDI Jahrbuch 2006/2007,
Bautechnik, 2006
4] DIN 1076:1999-11: Ingenieurbauwerke im Zuge
von Straßen und Wegen, Deutsches Institut für
Normung e.V., Berlin
[5] Richtlinie DS 803: Vorschrift für die Inspektion von
Kunstbauten, Deutsche Bahn AG, 1999
[6] Richtlinie DS 805, Tragsicherheit bestehender
Brückenbauwerke, Deutsche Bahn AG, 2002
[7] Richtlinie für die Überwachung der Verkehrssicherheit von baulichen Anlagen des Bundes
(RÜV), Bundesministerium für Verkehr, Bau und
Stadtentwicklung, 2008
[8] VDI Richtlinien, Standsicherheit von Bauwerken,
Regelmäßige Überprüfung, VDI 6200, 2010
[9] Richtlinie für die Erhaltung von Ingenieurbauwerken (RI-ERH-ING), Leitfaden objektbezogene
Schadensanalyse, Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung
[10] Richtlinie von Straßenbrücken im Bestand (Nachrechnungsrichtlinie), Bundesministerium für
Verkehr, Bau und Stadtentwicklung. 2011
01.03.12 14:23