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Zum Titelbild: Ein Finite-Elemente-Modell einer historischen Stahlbrücke wird kalibriert, um vorhandene Schäden genau abzubilden. Dieses digitale Modell ermöglicht die Analyse von Ermüdungsbeanspruchungen und Lebensdauer, beeinflusst durch Lastmodelle. Parallel wird eine Visualisierungsplattform zur Zustandsbewertung erstellt. Weitere Informationen im Beitrag von Stefan Lachinger et al. „Digitaler Zwilling zur Ermüdungsbewertung einer historischen Eisenbahnbrücke“ auf S. 150 ff.

Quelle: Stefan Lachinger et al.

Die Nibelungenbrücke in Worms dient als Pilotprojekt für den Einsatz eines Digitalen Zwillings, um u. a. die Restnutzungsdauer des Bauwerks zu verlängern. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr (BMDV) sowie dem Landesbetrieb Mobilität Rheinland-Pfalz (LBM) gefördert. Die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) definiert einen Digitalen Zwilling im „Rahmendokument: Digitaler Zwilling Bundesfernstraßen – Definition und Konzeption“ als „[…] eine virtuelle dynamische Repräsentation des realen Systems und seiner Wirkzusammenhänge. Er unterstützt über einen (teil)automatisierten bidirektionalen Daten- und Informationsaustausch optimierte Entscheidungsgrundlagen für ein nachhaltiges Management im Lebenszyklus der Infrastruktur.“ Um eine Repräsentation des realen Systems zu erzeugen, muss dieses zunächst durch eine intensive Bestandserkundung erfasst und bewertet werden. An der Nibelungenbrücke kommen dafür modernste digitale Methoden zum Einsatz: Laserscanning, Drohnenbefliegungen gekoppelt mit Fotogrammetrie, zerstörungsfreie Prüfverfahren und Bauwerksmonitoring. Unter Nutzung der BIM-Methode werden diese in den Digitalen Zwilling und in ein sehr detailliertes Finite-Elemente-Modell (FE-Modell) zum Modell-Update überführt. Die Nachweisführung der Standsicherheit und die Bewertung der Dauerhaftigkeit erfolgen somit auf Grundlage von tatsächlichen Bauwerkseigenschaften und -reaktionen. Verbleibende Defizite werden in Echtzeit im Digitalen Zwilling auf Basis von Zustandsindikatoren bewertet.

Basierend auf Langzeitmonitoring einer historischen Eisenbahnbrücke aus Stahl wird ein Finite-Elemente-Modell aufwendig kalibriert, um vorhandene Schäden am Tragwerk korrekt abzubilden. Am kalibrierten Modell, welches hier als Digitaler Zwilling betrachtet wird, werden in weiterer Folge intensive Vergleichsrechnungen zur Ermüdungsbeanspruchung durchgeführt und die Auswirkungen verschiedener Lastmodelle auf die prognostizierte Lebensdauer des Tragwerks untersucht, wodurch die Notwendigkeit einer korrekten numerischen Abbildung realer Tragwerke gezeigt wird. Parallel dazu wird ein Demonstrator einer Visualisierungsplattform erstellt. Der Demonstrator ermöglicht die Definition und Verortung einer Vielzahl von Infrastrukturbauwerken (z. B. entlang eines Streckenzugs oder auch netzweit), welche dann grafisch auf einer Karte ausgewählt werden können. Details zur jeweiligen Infrastruktur sowie Ergebnisse einer hinterlegten Zustandsbewertung werden angezeigt. Durch Integration einfacher Bewertungsmodelle in den Demonstrator können mittels Variation von Eingabeparametern auch on the fly die Auswirkungen auf die jeweilige Zustandsbewertung und Prognose berechnet werden. Im vorliegenden Aufsatz werden die Kalibration und Bewertung der historischen Eisenbahnbrücke sowie die Integration des kalibrierten Brückenmodells in den Demonstrator gezeigt. Die Auswirkungen verschiedener Parameter wie Lastmodelle, Zughäufigkeiten oder Schädigungen am Tragwerk auf die Ermüdungsschädigung werden aufgezeigt.

Zur Bewältigung der Herausforderungen der alternden Infrastruktur und des Fachkräftemangels kann die Digitalisierung durch Effizienzsteigerungen einen wesentlichen Beitrag leisten. Die Zielsetzung ist die Realisierung eines Digitalen Zwillings der Infrastruktur, der das Bauwerksmanagement sowohl auf technischer als auch auf administrativer Ebene effizienter gestaltet. Die Bauwerksüberwachung erfolgt über die Erfassung physischer Veränderungen und deren Übertragung auf das digitale Abbild, das eine Analyse der Ursachen ermöglicht. Zur Erreichung dieser Ziele werden digitale Methoden wie Building Information Modelling (BIM) und Ontologien eingesetzt. Ontologien sind maschineninterpretierbare Modelle, die Bauwerksinformationen sowie das zugrunde liegende Expertenwissen vereinen und somit eine effizientere Administration ermöglichen. BIM ermöglicht die Verknüpfung semantischer, alphanumerischer und geometrischer Informationen. Der bidirektionale Informationsaustausch zwischen realen Brückenbauwerken und digitalem Abbild ist der Kern des Digitalen Zwillings. Dieser Ansatz wird bislang nur in einer begrenzten Anzahl von Projekten teilweise umgesetzt, weshalb ein Blick auf die unterschiedlichen Vorgehensweisen mit ihren Vor- und Nachteilen sowie die damit verbundenen Herausforderungen sinnvoll ist. Es wird eine Vorgehensweise für die Erstellung von Teilsystemen Digitaler Zwillinge von Brückenbauwerken auf Basis von Structural Health Monitoring und Ontologien vorgestellt.

Auf dem Weg von der reaktiven Bauwerkserhaltung zum prädiktiven Lebenszyklusmanagement stellt der Digitale Zwilling ein relevantes Werkzeug für Ingenieurbauwerke dar. Der Digitale Zwilling ist eine virtuelle dynamische Repräsentation des realen Systems und seiner Wirkzusammenhänge und ist modular aufgebaut. Die Entwicklung der Module des Digitalen Zwillings von Ingenieurbauwerken ist unterschiedlich weit fortgeschritten. Im Rahmen dieses Beitrags werden die einzelnen Module wie z. B. die Zustandserfassung, das Datenmanagement oder die Visualisierung dargestellt und ihre Ziele beschrieben. Weiterhin werden erste Beispiele für Anwendungsfälle von Digitalen Zwillingen aufgezeigt.