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Der voranschreitende Klimawandel, der insbesondere durch die Freisetzung von Treibhausgasemissionen bedingt ist, sowie die Verknappung von Rohstoffen aus Primärquellen und Energie aus fossilen Energieträgern erzwingen ein Umdenken in jeglichen Wirtschaftssektoren. Der Infrastruktur- und Tiefbau zeichnet sich, im Vergleich zu anderen Industriezweigen, durch einen besonders hohen Verbrauch der global verfügbaren Ressourcen aus. Im gesellschaftlichen Diskurs werden Einsparmaßnahmen zur Reduzierung der Umweltwirkungen aus der Straßeninfrastruktur primär in Bezug auf die verkehrsbedingten Treibhausgasemissionen thematisiert. Umweltwirkungen werden jedoch auch zur Bereitstellung der Infrastrukturen, während Bau- und Erhaltungsmaßnahmen bzw. während des Rückbaus, freigesetzt. Die ausreichend detaillierte Berücksichtigung von Umweltwirkungen ist aktuell mangels geeigneter Datengrundlagen und systematischer Datenhaltung kaum möglich. Folglich gilt es, die aktuelle Situation des mangelhaften Informationsstands zu den Umweltwirkungen entlang des Lebenszyklus eines Straßenoberbaus aufzubauen und zu systematisieren. Dabei sind sowohl jegliche Baumaterialien, als auch vor- und nachgelagerte Bauprozesse zu erfassen und ökologisch zu bilanzieren.
Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Grundlagen zur systematischen Erfassung der ökologischen Umweltwirkungen entlang des Lebenszyklus einer Straße zu entwickeln sowie Potentiale zur Einsparung von Ressourcen und zur Reduzierung von Umweltwirkungen zu qualifizieren und diese im Anschluss zu quantifizieren.
Zur systematischen Analyse ökologischer Potentiale entlang des Lebenszyklus ist eine nachvollziehbare und verlässliche Datenhaltung sowie ein modulares Datenmanagement unerlässlich. Die Qualität einer Ökobilanz hängt sehr stark von zwei Datentypen ab. Zum einen sind die generischen Hintergrunddaten aus Ökoinventaren zu nennen. Zum anderen sind es technische Vordergrunddaten. Ersteres basiert in diesem Forschungsprojekt auf der Ökoinventardatenbank ecoinvent. In diesem Forschungsprojekt erfolgt eine Ökobilanzierung gemäß der Norm DIN EN ISO 14040:2006 bzw. DIN EN ISO 14044:2021. Zur Quantifizierung und transparenten Darstellung sowie Datenhaltung wurde eine excelbasierte Berechnungsgrundlage entwickelt.
Der Untersuchungsgegenstand wurde vorab seitens der BASt auf einen exemplarischen Autobahnabschnitt (5km, Regelquerschnitt 31, Belastungsklasse 100, Oberbaustärke 85 cm) sowie auf die zu untersuchenden Asphalt- und Betonbauweisen eingegrenzt. Das Forschungsvorhaben fokussiert sich auf die Umweltwirkungen Treibhausemissionen, Energiebedarf und Ressourcenschonung. Die Untersuchung der Umweltwirkungen basiert dabei auf der Betrachtung eines vollständigen Lebenszyklus (Cradle-to-Grave) für verschiedene Asphalt- und Betonbauweisen. Der Cradle-to-Grave Ansatz bezieht den zeitlichen Aspekt mit ein, indem ein Betrachtungszeitraum bzw. eine (Referenz)-Nutzungsdauer je Schicht vorgesehen wird. Die Lebenszyklusbetrachtung umfasst einen Zeitraum von 50 Jahren.
Die Quantifizierung von ökologischen Potentialen ist abhängig von Strukturierung und Aufbau der Lebenszyklusbetrachtung. Gemäß der Norm DIN EN 15643 ist unter einem Informationsmodul eine Bündelung von lebenszyklusrelevanten Daten, wie beispielsweise die Angaben zu den Energie- und Stoffströmen sowie zu den Umweltwirkungen zu verstehen. Die spezifische Anpassung und Definition der Informationsmodule an die Rahmenbedingungen einer Straße wurden in diesem Projekt aufgearbeitet.
Zur Quantifizierung der Nachhaltigkeitspotentiale im Straßenbau wurden im Rahmen dieses Forschungsprojekts unterschiedliche Szenarien entwickelt. Jedes Szenario stellt unter der Veränderung eines Eingangsparameters die daraus resultierenden Umweltwirkungen im Vergleich zum Basisszenario dar. Ziel ist es, die Wirksamkeit der Veränderung eines Eingangsparameters auf das Gesamtergebnis der Umweltwirkungen im Allgemeinen und die Auswirkungen auf die konkret betroffenen Lebenszyklusphasen im Speziellen zu ermitteln.
Unter Berücksichtigung der definierten Rahmenbedingungen scheinen die Nachhaltigkeitspotentiale für die Asphaltbauweise primär in den Bereichen der materialspezifischen Anpassung von Rezepturen, der Verlängerung von Nutzungsdauern, der Materialherstellung, der Zusammensetzung des Strommix und der Reduzierung von Transportdistanzen zu liegen. Bezogen auf die drei Umweltwirkungskategorien ist in unterschiedlicher Höhe ein Einsparpotential bezifferbar.
Für die Betonbauweise liegen unter Berücksichtigung der Systemgrenzen die Nachhaltigkeitspotentiale in den Bereichen der materialspezifischen Anpassung von Rezepturen, der Verlängerung von Nutzungsdauern, der Zusammensetzung des Strommix und der Reduzierung von Transportdistanzen. Lediglich die höheren Recyclingquoten wirken sich bei der Betonbauweise kaum auf die Ökobilanzierung aus. Hier gilt es die Quantifizierung auf einer anderen Datenbasis zu überprüfen. In der Substitution von Energieträgern bei der Beschickung der Materialmischanlage wird der Betonbauweise auch kein wesentliches Potential beigemessen. Bezogen auf die drei Umweltkategorien ist in unterschiedlicher Höhe ein Einsparpotential bezifferbar.
Das deutsche Bundesfernstraßennetz umfasst knapp 40.000 Brückenbauwerke und deren regelmäßige Zustandsbewertung erfordert einen hohen Einsatz finanzieller und personeller Ressourcen. In festen Zeitintervallen erfolgt im Zuge der Bauwerksprüfung eine visuelle Inspektion jeder Brücke, die die Grundlage der Bewertung des Brückenzustands darstellt. Sowohl die Zustandserfassung als auch die -bewertung sind dabei jedoch personenabhängig und damit subjektiv. Bei Intelligenten Brücken kann durch die Verwendung von Sensoren und die kontinuierliche Überwachung die Zustandsbewertung verbessert und die Grundlage für ein prädiktives Erhaltungsmanagement gelegt werden. Um die Vorteile der Intelligenten Brücke umfänglich nutzbar zu machen, ist ein leistungsfähiges Datenmanagement erforderlich. Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Konzepte für das Datenmanagement der Intelligenten Brücke“ wurde dazu ein Konzept für die digitale Infrastruktur der Intelligenten Brücke erarbeitet.
Im Forschungsvorhaben wurde zunächst der Status quo analysiert. Dabei wurde das aktuell übliche Vorgehen zur Bestimmung des Bauwerkszustands sowie das mögliche zukünftige Vorgehen bei Intelligenten Brücken thematisiert. Zudem wurden die relevanten beteiligten Akteure (Betreiber, Fachplaner und Bauwerksprüfer) identifiziert und ihre grundlegenden Anforderungen an die zu erfassenden Daten ermittelt. Für die Erarbeitung der Anforderungen der beteiligten Akteure an die digitale Infrastruktur wurden zwölf Interviews mit zentralen Akteuren aus den drei identifizierten Bereichen durchgeführt. Die Interviewpartner wurden zu den Aspekten Datenerfassung, Datenübertragung, Datenhaltung und Datenaufbereitung bis hin zu möglichen Visualisierungen befragt. Die Erkenntnisse der Interviews, die Informationen aus der Erhebung zum Status quo sowie die Erfahrungswerte der Projektbeteiligten dienten anschließend als Grundlage für die Formulierung der Anforderungen an die digitale Infrastruktur der Intelligenten Brücke.
Das erstellte (Mindest-) Anforderungsportfolio bezieht sich auf die ermittelten Ebenen des Datenmanagements (Datenerfassung, Datenübertragung, Datenhaltung, Datenaufbereitung, Datenauswertung und Lebenszyklusmanagement) und bildet den Rahmen für das Konzept zur digitalen Infrastruktur. Der Bereich der Datenerfassung beinhaltet die Erhebung, die Erschließung, die Digitalisierung sowie die Umformatierung unterschiedlichster Daten sowie Datenformate. Im Rahmen des Konzepts wurden die Zielstellung, zu berücksichtigende Datencluster, die Sensorausstattung und Messintervalle sowie die Bauwerke thematisiert. Die Datenübertragung wird definiert als die Übermittlung der erfassten Messwerte vom Sensor zur verarbeitenden Einheit sowie von der verarbeitenden Einheit zum Datenspeicher und kann prinzipiell drahtlos oder drahtgebunden erfolgen. Für die Übertragung der Daten vom Sensor zum Messrechner an der Brücke wird eine überwiegend drahtlose Übertragung vorgesehen, die anschließende Übertragung der Daten vom Messrechner zum Datenspeicher hingegen erfolgt drahtlos über den 5G-Mobilfunkstandard. Die Datenhaltung umfasst die Speicherung der gewonnenen Daten in strukturierter Form in einer Datenbank sowie die mit der Datenspeicherung in direktem Zusammenhang stehenden Prozesse. Das Konzept sieht eine cloudbasierte Lösung vor, die sowohl als Public oder Private Cloud realisiert werden kann. Die Datenaufbereitung und die Datenauswertung behandeln die Weiterverarbeitung sowie die Erhöhung der Qualität der erfassten Daten und sollten grundsätzlich automatisch erfolgen. Die letzte Ebene des Konzepts stellt das Lebenszyklusmanagement dar, wobei die Objektebene und die Netzebene unterschieden werden. Die Betrachtung auf Objektebene erfolgt auf Grundlage der erfassten sowie der aufbereiteten Daten individuell für jede Brücke. Die Betrachtung auf Netzebene hingegen sieht die Betrachtung von großflächigen Brücken-Clustern von einer übergeordneten Perspektive aus vor.
Für das entwickelte Konzept zur digitalen Infrastruktur wurden abschließend verschiedene Aspekte der Umsetzung behandelt. Dazu zählen notwendige Anpassungen der Prozesse im Betrieb, organisatorische Anpassungen, erforderliche personelle Qualifizierung, zu beschaffende Hard - und Softwareausstattung sowie eine exemplarische Abschätzung der Kosten. Die Intelligente Brücke liefert im Zusammenspiel mit einem adäquaten Datenmanagement durch die kontinuierliche Überwachung mit Sensoren umfangreiche Informationen zu den tatsächlich aufgetretenen Einwirkungen sowie den tatsächlich vorhandenen Widerständen einer Brücke. Hierdurch ergeben sich neue Möglichkeiten, wie etwa die Durchführung der Nachrechnung auf Grundlage der tatsächlichen Einwirkungen und Widerstände oder die kontinuierliche rechnerische Zustandsbewertung. Darüber hinaus können weitere zukunftsweisende Technologien, wie z. B. der Einsatz von Drohnen, Virtual Reality oder Augmented Reality, berücksichtigt werden.
