Zuverlässigkeitsbewertung der SHM Systeme im Rahmen der Zustandsbewertung von Infrastrukturbauwerken

Description

Die Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg (HSU) hat am 11. August 2020 gemeinsam mit der Universität der Bundeswehr München das neue "Zentrum für Digitalisierungs- und Technologieforschung der Bundeswehr" (kurz dtec.bw) gegründet. In dem dtec.bw-Projekt UT 7019 „Digitalisierung von Infrastrukturbauwerken zur Bauwerksüberwachung: Structural Health Monitoring“ (SHM) beabsichtigt die HSU gemeinsam mit einem Auftragnehmer Methoden zu entwickeln, die unter der Nutzung von Daten verschiedener Sensoren die zuverlässigkeitsbasierte digitale Zustandsbewertung von bestehenden Infrastrukturbauwerken erlauben. Dabei soll eine Zuverlässigkeitsbewertung der SHM-Systeme erarbeitet werden, um eine Integration der SHM als funktionsfähiges Prüfverfahren in die prädikative Instandhaltung als wesentlichen Bestandteil der risikobasierten Instandhaltung (nach DIN EN 16991) bzw. des schadenstoleranten Designs zu ermöglichen. Lot 1: Das Ziel des Projekts UT 7019 der HSU ist die Erarbeitung und Bereitstellung von Methoden, die unter Nutzung von Daten verschiedener Sensoren die zuverlässigkeitsbasierte digitale Zustandsbewertung von bestehenden Infrastrukturbauwerken erlauben. Unter Structural Health Monitoring (SHM) wird die zerstörungsfreie Dauerüberwachung von Bauwerken durch eingebettete oder applizierte Sensoren unterschiedlicher Art verstanden. Die Sensoren liefern periodisch oder kontinuierlich Daten, die gesammelt, analysiert und archiviert werden. Die Daten erlauben die Bewertung der Zuverlässigkeit mit Fokus auf Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit sowie die Identifikation sich entwickelnder Schäden und Defekte in einem frühen Stadium. Im Rahmen des Projekts erarbeitet der Auftragnehmer eine Zuverlässigkeitsbewertung der SHM-Systeme. Um die Vorteile eines durchgehenden Monitorings einer Struktur sicherzustellen, ist es notwendig, dass die unterschiedlichen Prüfungen optimal aufeinander ausgerichtet sind. Die Erarbeitung einer Zuverlässigkeitsbewertung soll die Qualität der Prüfungen optimieren. Die Zuverlässigkeitsbewertung von SHM-Systemen ist noch im Forschungsstadium. Die geplante physikalisch-statistische Modellentwicklung soll neue Maßstäbe setzen und sich in die internationalen Forschungsarbeiten zum Thema Probability of Detection (POD) und SHM einfügen. Das geplante Schulungstool soll eine deutlich höhere Anzahl von Modellen abbilden, als bei aktuellen Statistiksoftwareprogrammen. Bisherige Verfahren der Zuverlässigkeitsbewertung für SHM-Systeme werden in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Vergleichbare Ansätze im Bauingenieurwesen sind jedoch nicht bekannt. Da sich das Bauingenieurwesen in vielen Punkten von den typischen Abläufen in der Luft- und Raumfahrt unterscheidet, sind die dort zum Einsatz kommenden Bewertungsmodelle nicht auf Stahlbetoninfrastrukturen übertragbar. Gegenstand des Projekts ist die Aufbereitung der Zuverlässigkeitskenngrößen für den Bereich des Bauwesens, die zunächst innerhalb des Projekts entwickelt werden müssen. Der Auftragnehmer soll in Zusammenarbeit mit der HSU folgende Leistungen erbringen: • Entwicklung eines auf mehrparametrischen Einflussräumen basierenden statistisch-physikalischen Modells, das als Bewertungsmodell für weitere Bauwerke in Zukunft eingesetzt werden kann. Sowohl aus physikalischer als auch aus statistischer Sicht ist es notwendig, Modelle zu entwickeln, die auf mehrparametrischen Einflussräumen basieren. Für die Messunsicherheit wird häufig ein Ishikawa-Diagramm eingeführt, im Fall der Zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) liefert das Modulare Modell der Zuverlässigkeit ein wichtiges Indiz zur korrekten Bestimmung der Zuverlässigkeit eines Prüfverfahrens. Für das SHM-System muss ein ähnliches Modell aus physikalischer Sicht erstellt werden, dass im nächsten Schritt statistisch erfasst werden kann. • Entwicklung einer Bewertungsfusion von unterschiedlichen Prüfkonzepten durch die Definition unterschiedlicher Defekttypen und deren Detektionswahrscheinlichkeit sowohl von SHM-Systemen wie auch von den ZfP-Ankerprüfungen. Die Datenfusion soll im Vergleich zu bereits bekannten Ansätzen nicht auf Rohdatenniveau stattfinden, sondern auf der Ebene der Zuverlässigkeitsaussage der Prüfverfahren. Hierfür sind Ansätze zur Bestimmung der Kritikalität, sowie eine statistische Aussage der Fähigkeit für ein Gesamtkonzept zu entwickeln. • Einteilung der Defekte in Kritikalitätsklassen bezogen auf die Zuverlässigkeit des Bauwerks, • Planung und Konzeptentwicklung eines Testing Management Dashboard, das die gemeinsam erarbeiteten Forschungsergebnisse visualisiert und Teil des Qualitätsmanagementprozesses werden soll, • Entwicklung und Programmierung eines Schulungstools (Zuverlässigkeitsbewertungssoftware) für die POD Bewertung. Um das Testing Management Dashboard für den Anwender nutzbar zu machen, soll das Schulungstool einen Überblick über die statistischen Ansätze bieten.