Betriebsmodell Pozzuoli: Dynamische Überwachung von Referenzgebäuden in Pozzuoli (NA) mittels Beschleunigungsmessern

Das Phänomen des Bradisismus in den Campi Flegrei stellt eine komplexe Herausforderung für die Sicherheit bestehender Bauwerke dar. In diesem Kontext hat die Gemeinde Pozzuoli ein innovatives Projekt zur dynamischen Überwachung von Mustergebäuden gestartet, das fortschrittliche Technologien und einen integrierten Ansatz nutzt.

Der Artikel beschreibt die Funktionsweise, die Ziele und die eingesetzten Instrumente des Betriebsmodells Pozzuoli, das entwickelt wurde, um die Aktivitäten zur Prävention, Verwaltung und strukturellen Bewertung der Bauwerke in einem seismisch hochgefährdeten Gebiet zu unterstützen.

Beschreibung und Ziele des Betriebsmodells Pozzuoli

Die Gemeinde Pozzuoli^[1] hat das Laboratorio EDILTEST S.r.l.^[2] mit der Umsetzung eines „Betriebsmodells Pozzuoli“ zur Überwachung von Mustergebäuden beauftragt, um die Aktivitäten zur Kontrolle und Überwachung der Bauwerke in der Gemeinde zu unterstützen, einem Gebiet, das einer langsamen Bodenverformung unterliegt, die als Bradisismus bekannt ist, mit dem Ziel, ein Verfahren zur Kontrolle und Schätzung der Entwicklung der Beschädigungsbedingungen der Bauwerke in Bezug auf die mit dem Bradisismus verbundenen seismischen Phänomene zu implementieren.

Die Entwicklung und Implementierung des Betriebsmodells, durchgeführt mit der wissenschaftlichen Beratung von Prof. Luigi Petti^[3], sieht einen multi-skalaren und multi-level Ansatz vor, der auf dem Dynamischen Monitoring von Mustergebäuden basiert, die durch Digitale Modelle in der Umgebung von usBIM.geotwin beschrieben werden. Die Anfangsphase sieht die Überwachung der ersten drei Gebäude mit auf Dewesoft^[4] basierenden Beschleunigungsnetzen vor. Die Überwachung, auf Anfrage oder durch Trigger (d. h. unter seismischen Bedingungen) aktivierbar, ermöglicht die Kontrolle der Entwicklung der Hauptparameter des dynamischen Verhaltens, darunter die Hauptschwingungsfrequenzen und die Modenformen. Darüber hinaus unterstützt und kalibriert sie die Erstellung Digitaler Modelle für die Entwicklung von Digital Twins.

Die Bedeutung der strukturellen Überwachung

Die Erfassung von Daten über das Verhalten bestehender Bauwerke im Betrieb und unter belastenden Einwirkungen – mit besonderem Augenmerk auf seismische Ereignisse – stellt eine zunehmend aktuelle und strategische Gelegenheit dar. Das tiefgehende Verständnis der strukturellen Reaktion dieser Bauwerke kann effektiv durch Systeme zur strukturellen Überwachung (SHM – Structural Health Monitoring) verfolgt werden, die auf der Integration von verteilten Sensorsystemen, Datenerfassungs- und -speichersystemen, Infrastrukturen zur Übertragung von Informationen – auch zu entfernten Verarbeitungsplattformen – und fortschrittlichen Softwareverfahren zur Analyse, Diagnose und Interpretation der Messungen basieren ^[5,6,7].

Die normative Entwicklung, die grundlegende Konzepte wie die nominale Lebensdauer, Nutzungsarten und spezifische Vorschriften für bestimmte Arten von Bauwerken eingeführt hat, unterstreicht die Bedeutung eines kontinuierlichen und dokumentierten Wissens über die „Lebensdauer“ des Bauwerks. In diesem Sinne stellt die Überwachung ein essentielles Werkzeug dar, um im Laufe der Zeit die statischen, dynamischen und umweltbedingten Bedingungen, denen die Struktur ausgesetzt ist, zu erfassen. Dies ist umso wichtiger in komplexen Kontexten wie dem Flegreischen Gebiet, wo seit geraumer Zeit ein Bradisismus-Phänomen auftritt, das kontinuierliche seismische Empfindungen verursacht.

Wie in den Normen und den branchenspezifischen Richtlinien klar hervorgehoben, können die Hauptziele der Überwachung der Bauwerke Folgendes ermöglichen:

1. Verbesserung des Wissens über das strukturelle Verhalten: Durch die direkte Korrelation zwischen einwirkenden Kräften, Deformationszuständen und Berechnungsmodellen, die in der Planung verwendet werden, ist es möglich, technische Vorhersagen zu verfeinern und die Zuverlässigkeit der strukturellen Analysen zu erhöhen;
2. Frühzeitige Erkennung von Anomalien: Die kontinuierliche Überwachung ermöglicht es, frühe Anzeichen von strukturellem Verfall zu identifizieren, sowohl durch zyklische Phänomene (z.B. Materialermüdung) als auch infolge außergewöhnlicher Ereignisse wie Erdbeben, Umwelteinflüsse oder anthropogene Belastungen;
3. Unterstützung bei der Verwaltung und Wartung der Bauwerke: Die gewonnenen Daten bieten eine solide Grundlage für informierte Entscheidungen im Management der Bauwerke, indem Wartungsmaßnahmen vorausschauend oder außerordentlich effizienter geplant werden.

Dynamische Analyse

Ziel des Betriebsmodells Pozzuoli ist es, eine zügige Schätzung der Entwicklung der Beschädigung infolge der zahlreichen seismischen Phänomene, die mit dem laufenden Bradisismus verbunden sind, zu ermöglichen, indem die Entwicklung der Hauptparameter analysiert wird, die die dynamische Reaktion der Gebäude beschreiben, und die seismische Nachfrage in Bezug auf die Basisbeschleunigung mit der Widerstandsfähigkeit der Gebäude verglichen wird.

Das tiefe Wissen über das strukturelle Verhalten stellt jedoch auch einen entscheidenden Aspekt für eine zuverlässige Bewertung der Sicherheit bestehender Bauwerke dar. Insbesondere kann die Erfassung realer Daten durch Monitoring folgende Vorteile bieten:

• Unsicherheiten in Bezug auf strukturelle Modelle zu reduzieren, die oft auf vereinfachten Annahmen oder unvollständigen Informationen über Materialien, Konstruktionsdetails und Randbedingungen basieren;
• Direkt die einwirkenden Kräfte (statische, dynamische, umweltbedingte Lasten) mit der realen Reaktion der Struktur (Verformungen, Verschiebungen, Beschleunigungen) zu korrelieren, um die Angemessenheit der Planungsannahmen und der verwendeten analytischen Modelle zu überprüfen;
• Mechanische Parameter durch die Verwendung aktualisierter Modelle, die durch vor Ort gemessene Daten unterstützt werden, neu zu kalibrieren, was konsistentere Analysen mit dem tatsächlichen Verhalten des Bauwerks ermöglicht;
• Die verbleibende Tragfähigkeit auf der Grundlage der über die Zeit beobachteten Reaktion zu bewerten, wobei auch mögliche Änderungen, Verfälle oder Eingriffe berücksichtigt werden, die die ursprünglichen strukturellen Eigenschaften verändert haben.

Zusammenfassend ermöglicht ein solcher Ansatz, die rein theoretische und normative Logik zu überwinden und sich einer leistungsbasierten Überprüfung zu nähern, die numerische Modellierung und experimentelle Messungen integriert. In einem Gebiet, in dem die Bauwerke wiederholten zyklischen Belastungen durch den Bradisismus ausgesetzt sind, ist die Fähigkeit, auch minimale Änderungen in der strukturellen Reaktion zu erfassen, entscheidend, um die Auswirkungen der laufenden Ereignisse auf die Sicherheit der Bauwerke zu bewerten.

Im Fall von Pozzuoli werden die gesammelten Daten und die verarbeiteten Informationen der Gemeinde nahezu in Echtzeit über eine Plattform usBIM.geotwin zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise stellt der Wissenszuwachs nicht nur eine Unterstützung für die Gemeinde Pozzuoli in den Phasen der Verwaltung der laufenden Phänomene dar, sondern bildet auch eine kontinuierliche Informationsbasis, die in die Systeme des Asset Managements integriert werden kann, um:

1. Vorausschauende Wartungsmaßnahmen zu planen, um Kosten und Risiken im Vergleich zu einer reaktiven Verwaltung zu reduzieren;
2. Ressourcen zu priorisieren in Abhängigkeit vom tatsächlichen Zustand der Belastung und des Verfalls der Bauwerke;
3. Die Entwicklung des strukturellen Verhaltens im Laufe der Zeit zu dokumentieren, auch in Bezug auf extreme Umweltereignisse;
4. Strategische Entscheidungen der lokalen Behörden in Bezug auf Evakuierungen, Schließungen, Sicherheitsmaßnahmen oder Konsolidierungen zu unterstützen, basierend auf objektiven technischen Nachweisen.

Eingesetzte Technologien: Dewesoft und usBIM.geotwin

Die Überwachungsnetze, die an den Mustergebäuden implementiert wurden, wurden unter Verwendung der Plattform Dewesoft entwickelt, einer integrierten Lösung zur Erfassung, Analyse und Verwaltung von strukturellen und umweltbedingten Daten in Echtzeit. Insbesondere wurden robuste Technologien ausgewählt, die den Einsatz von kalibrierten Sensoren mit sehr geringem Rauschen vorsehen, die normalerweise in komplexen Industrieumgebungen verwendet werden, mit der Fähigkeit zur sofortigen Erweiterung und Neukonfiguration im Falle von Änderungen der tatsächlichen Bedingungen.

Dewesoft-Erfassungskette

Die Dewesoft-Akquisitionskette gewährleistet die Synchronisation der Daten auf Mikrosekundenebene und sichert eine hohe Genauigkeit der von allen Kanälen erzeugten Signale. Jede Einheit ist zudem zertifiziert, um in Umgebungen mit hohem elektromagnetischen Störungsgrad zu arbeiten und in Kontexten, in denen eine hohe Robustheit und Zuverlässigkeit erforderlich ist, was sie ideal für kritische Anwendungen in den Bereichen Eisenbahn, Industrie und Luft- und Raumfahrt macht, wo die Zuverlässigkeit des Signals von entscheidender Bedeutung ist.

Umgebungen mit hohem elektromagnetischen Störungsgrad

Die Plattform usBIM.geotwin wurde konfiguriert, um eine Datenfreigabeumgebung (CDE) für das digitale Management von Daten und Informationen anzubieten, die es ermöglicht, Daten und Dokumente gemäß den Branchenstandards zu veröffentlichen und zu teilen. Auf diese Weise ist das Management von Digital Twins möglich, dank einer Technologie, die auf einer dynamischen und bidirektionalen Integration zwischen dem openBIM^® System und dem GIS basiert. Insbesondere integriert die Plattform dynamisch openBIM^® Modelle und Prozesse mit Karten, Szenen und GIS-Funktionen (ArcGIS^® von Esri), um geospatialen Digital Twins ohne dimensionale Einschränkungen zu erstellen und zu verwalten. Darüber hinaus bietet das System eine einheitliche Umgebung, in der die einzelnen Analyseobjekte in einem detaillierten geospatialen Kontext betrachtet werden können, indem die openBIM Managementplattform nahtlos in das GIS integriert wird, ohne Datenimport. Es ist möglich, IFC/openBIM^®, BIM/3D, Punktwolken, texturierte Meshes usw. geolokalisiert und mit dem GIS integriert zu verwalten.

Integration von openBIM-Modellen, Karten, Szenen und GIS-Funktionen

Das Operative Modell Pozzuoli wurde entwickelt, um das GIS mit geometrischen Informationen und Daten (BIM, IoT, FM usw.) von Gebäuden und Infrastrukturen anzureichern und so eine vollständige digitale Darstellung der gebauten Umwelt zu ermöglichen.

Sehen Sie sich das Interview mit Prof. Luigi Petti an, um mehr über die Entwicklung und Implementierung des Operativen Modells Pozzuoli sowie seinen multiskalaren und mehrschichtigen Ansatz auf Basis digitaler Modelle usBIM.geotwin zu erfahren.

Referenzen

[1] Die Gemeinde Pozzuoli hat unter der Leitung des Bürgermeisters, Ing. Luigi Manzoni, das Operative Modell Pozzuoli formell initiiert und gefördert. Die primäre Verantwortung für das strategische Management und die operative Koordination dieser bürgerlichen Initiative wurde den Büros unter der Leitung von Architekt Agostino di Lorenzo übertragen, der auf die professionelle Unterstützung eines qualifizierten internen Teams zurückgreift, das aus Dr. Maria Cristina Gioia, Dr. Vittoria Scotto Rosato und Architekt Nicola Manzo besteht.

[2] Das Labor EDIL-TEST S.r.l., www.ediltest.it, ist eines der ersten vom Ministerium für öffentliche Arbeiten gemäß Art. 20 des Gesetzes 1086/71 autorisierten Labore, wurde 1977 gegründet und verfügt derzeit über eine ministerielle Genehmigung gemäß Artikel 59 des DPR 380/2001 und eine Genehmigung gemäß dem Rundschreiben 633/STC vom 03.12.2019. Im Laufe der Jahre hat das Labor bereits seine Dienstleistungen für nationale öffentliche Bauprojekte erbracht, darunter das Kolosseum, die Certosa di Padula, die Basilika von S. Francesco D’Assisi, die Kirche von S. Anna in Pietrelcina, die Certosa di San Giacomo in Capri, die Morandi-Türme in Messina, das Gericht von L’Aquila, die Viadukte Rio Faldo und Rio Gamberi (Autostrade per l’Italia).

[3] Prof. Luigi Petti, Dozent an der Universität Salerno https://docenti.unisa.it/004657/home, lehrt unter anderem ÜBERWACHUNG UND INSPEKTION VON STRASSENBAUWERKEN. Er ist verantwortlich für zahlreiche Forschungsaktivitäten und/oder Dienstleistungen zur Überwachung, Kontrolle, AUDIT und Risikoanalyse von komplexen Strukturen und Systemen, wie SS691, Raccordo Autostradale RA02, Autobahn A3, Tangenziale di Napoli, Archäologische Parks von Paestum und Velia, Archäologischer Park von Pompeji, Historisches Zentrum von Palermo, Bereich Porta Ovest Salerno, sowie für die Analyse komplexer Strukturen wie beispielsweise die DIVERTORE-Komponenten des DEMO-Projekts (EUROFUSION). Er nimmt an den Arbeiten der Arbeitsgruppe UNI/CT 021/GL08 „Überwachung von Strukturen“ teil. www.lacelab.net

[4] Dewesoft ist ein Unternehmen, das Mess- und Testinstrumente bereitstellt, dessen Hauptsitz in Slowenien liegt, https://dewesoft.com/it. Die Planung, Umsetzung und das Testing erfolgen direkt im Hauptsitz; die Kalibrierung der Systeme wird von den internen Laboren durchgeführt, die nach den Standards ISO 9001 und ISO 17025 zertifiziert sind. Die Hauptanwendungsbereiche sind Industrie, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Akustik, Bauwesen und Elektrotechnik. Die Plug-and-Play-Ausrüstung ermöglicht die Erstellung komplexer Analysesysteme, die gleichzeitig einfach zu konfigurieren sind, mit hoher Genauigkeit und Präzision, und die Erfassungssoftware kann zur Datenanalyse in „Echtzeit“ oder nach der Erfassung verwendet werden.

[5] Petti, L.; Lupo, C.; De Gaetano, C.M. Ein „Methodologischer Rahmen für die Überwachung von Brücken“. Appl. Sci. 2023, 13, 4975. https://doi.org/10.3390/app13084975

[6] Zuchtriegel, G.; Petti, L.; Calvanese, V.; De Gaetano C.M.; Lupo, C.; Spinosa A.; Zambrano, A., „Das nachhaltige Managementmodell von Pompeji“, e-Journal Pompei, 2024, https://pompeiisites.org/wp-content/uploads/28_E-Journal-The-Pompeii-sustainable-management-model-2.pdf

[7] Petti, L.; Lupo, C.; D’Angelo, T.; Dallocchio, P.; Guizzetti, D., „Eine innovative Überwachungsstrategie für antike Tempel aus starren Blockstrukturen“, Sciencedirect Procedia Structural Integrity 64 (2024) 637–644, 2452-3216 © 2024, ELSEVIER