Modellbasierte Zustandsüberwachung: Wie der digitale Zwilling vom Leuchtturm in den Bestand kommt

Im Netz der Bundesautobahnen gibt es rund 28.000 Brücken-Teilbauwerke. Etwa 8.000 davon müssen langfristig instandgesetzt oder modernisiert werden, 4.000 davon vorrangig, wie das Bundesministerium für Digitales und Verkehr in einer Erhebung aus dem Jahr 2023 (öffnet in neuem Fenster) darlegte. Nach Feststellung des Bundesrechnungshofs (öffnet in neuem Fenster) wurden in den vergangenen drei Jahren allerdings nur rund 40 Prozent der vorgesehenen Menge modernisiert.

Wenn Geld und Kapazitäten knapp sind, wird die Reihenfolge zur eigentlichen Ingenieuraufgabe. Welche Brücke muss zuerst saniert werden, welche hat noch Reserven? Grundlage dafür sind heute vor allem die handnahe Prüfung und Rechenmodelle, die auf Planungsannahmen beruhen. Wie sich ein Bauwerk tatsächlich verhält, ist für die meisten Brücken nie gemessen worden.

Das Prinzip: Messung und Modell gehören zusammen

Messdaten allein beantworten die Frage nach dem Zustand nicht. Eine Dehnung oder Durchbiegung sagt wenig, solange unklar ist, welcher Anteil aus Temperatur, Verkehr oder einer echten Veränderung im Tragwerk stammt. Umgekehrt ist ein Rechenmodell nur so gut wie seine Annahmen zu Steifigkeit, Vorspannung und Lagerung.

Modellbasierte Zustandsüberwachung verbindet beides. Ein physikalisches Finite-Elemente-Modell (FE-Modell) wird mit Messdaten abgeglichen. Das Verfahren heißt inverse Analyse: Gesucht werden jene Modellparameter, mit denen die Rechnung die Messung am besten erklärt. Das kalibrierte Modell liefert dann Größen, mit denen Ingenieurinnen und Ingenieure arbeiten können: Spannungsreserven, Ausnutzungsgrade, Prognosen.

Genau das meint auch das damalige Bundesministerium für Digitales und Verkehr, wenn es den digitalen Zwilling in ihrem  Rahmendokument Digitaler Zwilling Bundesfernstraßen (öffnet in neuem Fenster) als dynamische Abbildung mit (teil-)automatisiertem , bidirektionalem Datenaustausch zur Entscheidungsunterstützung definiert: Das reale Bauwerk und sein digitales Modell bleiben miteinander verbunden. Mess- und Zustandsdaten fließen vom Bauwerk in das digitale Modell. Dort werden sie ausgewertet; die Ergebnisse können wiederum in Entscheidungen über Prüfung, Wartung oder Instandsetzung einfließen. Dieser Informationsfluss in beide Richtungen wird als bidirektionaler Datenaustausch bezeichnet. Ein statisches BIM-Modell mit Dashboard erfüllt diese Definition deshalb noch nicht.

Proof of Concept: die Terfener Innbrücke

Dass die Methodik der modellbasierten Zustandsüberwachung im Betrieb funktioniert, zeigt die Terfener Innbrücke an der A12 in Tirol, eine dreifeldrige Spannbeton-Hohlkastenbrücke des österreichischen Straßenbetreibers ASFINAG. Beim Bau wurden rund sieben Kilometer Glasfaserkabel einbetoniert, die Dehnung und Temperatur im Abstand von zehn Zentimeter messen. Die Cloud-Plattform WeStatiX SHM rechnet das FE-Modell täglich neu und kalibriert es automatisch nach.

Die Validierung nach mehr als vier Jahren Betrieb wurde auf dem 2. lateinamerikanische Symposium für Bauwerksüberwachung und Zustandsüberwachung von Strukturen im Januar 2026 in Santiago de Chile veröffentlicht (Weissenbach & Penasa, 2026 (öffnet in neuem Fenster)). Die wichtigsten Ergebnisse:

• Das Modell ist quantitativ belastbar. Bei der Probebelastung wich die berechnete Durchbiegung in Feldmitte um weniger als 1 Prozent von der Messung ab. Im Betrieb liegen gemessene und berechnete Dehnungen innerhalb von ±5 Prozent.
• Das reale Bauwerk verhält sich anders als in der ursprünglichen Berechnung angenommen.  Für Fahrbahn- und Bodenplatte waren Druckspannungen von -4,9 beziehungsweise -4,2 MPa prognostiziert worden; gemessen wurden etwa -3,0 beziehungsweise -2,3 MPa. Vereinfacht gesagt reagiert die Brücke unter Belastung steifer als erwartet und verformt sich weniger stark. Das kalibrierte Modell kann die Differenz unter anderem dadurch erklären, dass die effektive Steifigkeit, also der Widerstand des gesamten Tragwerks gegen Verformung, um 31 bis 36 Prozent höher liegt als ursprünglich angenommen.
• Das Modell trennt Temperatur von Tragverhalten. Das Modell kann außerdem unterscheiden, welche Veränderungen tatsächlich aus dem Tragwerk kommen und welche lediglich durch die Temperatur verursacht werden. Zwischen 7 und 32 °C verändern sich die Spannungen allein durch den Temperatureinfluss um etwa ±2 MPa. Solche täglichen und jahreszeitlichen Schwankungen können langsamere Veränderungen des Bauwerks überdecken. Das Modell rechnet den Temperatureffekt heraus und macht dadurch den langfristigen Trend im Tragverhalten sichtbar.

Der Flaschenhals ist die Sensorik

Der Aufwand eines solchen Zwillings liegt nicht mehr in der laufenden Auswertung. Datenprüfung, FE-Berechnung, Kalibrierung und Bericht laufen an der Terfener Innbrücke täglich automatisch. Diese Art von Zwilling lässt sich von Fachingenieuren weitgehend standardisiert aufsetzen, nahezu im Plug-and-play-Verfahren: Modell erstellen, Messdaten anbinden, Kalibrierung starten. WeStatiX SHM ist ein Beispiel für eine solche Plattform. Die Ingenieurarbeit verschiebt sich von der Datenaufbereitung zur Interpretation.

Was bleibt, ist die Hardware. Die Terfener Innbrücke war ein Neubau, die Glasfasern wurden beim Betonieren eingelegt. Bei Bestandsbrücken müsste Sensorik nachträglich installiert werden: Kontaktsensoren beschaffen, montieren, verkabeln, warten, oft mit Hubsteiger und Sperrung. Dieser Aufwand fällt für jedes Bauwerk neu an. Für eine Leuchtturmbrücke ist er vertretbar, für einen Bestand von Tausenden Bauwerken nicht.

Kontaktlos messen

Hier setzt eine andere Messtechnik an. Tragbare Radarinterferometer erfassen Bauwerksbewegungen aus der Distanz: Das Gerät sendet Radarwellen aus und misst die Phasenverschiebung des Echos von Bauteilen wie Trägerkanten, Fugen oder Geländern. Daraus ergibt sich die Verschiebung eines Punktes in Blickrichtung, im Submillimeterbereich. Photogrammetrie ordnet die Messpunkte räumlich zu.

Ein Beispiel ist MyMo von IDS GeoRadar, einem Unternehmen von Hexagon. Das System erfasst bis zu 50 Punkte gleichzeitig mit bis zu 400 Messungen pro Sekunde, ohne Sensoren oder Reflektoren am Bauwerk. Eine Person stellt es unter der Brücke auf, statische Verformung und Schwingungsverhalten werden in einem Einsatz erfasst. Das Gerät zieht von Bauwerk zu Bauwerk weiter, statt an einem zu bleiben.

An der Olona-Brücke, einer Stahlverbundbrücke der Autostrada36 Pedemontana bei Cassano Magnago, ließ sich die kontaktlose Messung mit einer etablierten Methode vergleichen. An der Brücke sind Beschleunigungssensoren fest installiert, mit denen sich ihre charakteristischen Schwingungsfrequenzen, die sogenannten Eigenfrequenzen, bestimmen lassen. Gemeinsam mit dem Politecnico di Milano erfasste MyMo dieselben Größen aus der Distanz per Radar. Die Ergebnisse lagen sehr nah beieinander. Damit zeigt das Projekt, dass die kontaktlose Messung die konventionell ermittelten Beschleunigungsmessungen und Eigenfrequenzen mit hoher Genauigkeit reproduzieren kann. Einen zusätzlichen Nachweise liefern Messungen am Dach Torino Esposizioni, eine der revolutionärsten Dachkonstruktionen des 20. Jahrhunderts  im Zentrum von Turin, Bei der dem soeben aufwändig sanierten Bauwerk, lag die mittlere Abweichung der Beschleunigungsmessungen bei 0,8 Prozent im Vergleich zu den fest installierten Beschleunigungssensoren.

Weissenbach & Penasa 2026

Der Workflow: vom Bestand zur Entscheidung

Beide Bausteine zusammen – die mobile kontaktlose Messung und das Modell - ergeben einen Ablauf, der auf Bestandsebene funktionieren kann. Die einzelnen Schritte sind erprobt, in der folgenden Kombination ist der Ablauf aber noch nicht durchgängig an einem Bauwerk umgesetzt.

• Bestand digitalisieren. Aus Bestandsunterlagen entsteht je Bauwerk ein FE-Modell, für wiederkehrende Bauwerkstypen aus parametrischen Vorlagen.
• Eintägige Messkampagne. Probebelastung mit Fahrzeugen bekannten Gewichts und Schwingungsmessung unter Verkehr, kontaktlos. Erfasst werden Durchbiegungen und Eigenfrequenzen.
• Modell kalibrieren. Die Messdaten fließen in das Rechenmodell ein. Dort werden bestimmte Modellparameter, etwa die wirksame Steifigkeit oder die Lagerbedingungen der Brücke, so lange angepasst, bis das berechnete Verhalten möglichst gut mit dem tatsächlich gemessenen Verhalten übereinstimmt. Dieser Rückschluss von Messwerten auf die passenden Modellparameter wird inverse Analyse genannt. Eine Plattform wie WeStatiX SHM kann diesen Prozess automatisiert durchführen.
• Erstbewertung und Baseline. Das kalibrierte Modell liefert eine realitätsnahe Bewertung und einen dokumentierten Referenzzustand.
• Entscheiden. Zeigt das Bauwerk Reserven, genügen Wiederholungsmessungen im Prüfzyklus. Zeigen sich Auffälligkeiten, ist dauerhaftes Monitoring dort gerechtfertigt, und das kalibrierte Modell ist bereits vorhanden.

Zusammenspiel zwischen Messung und Sensorik

Dauerhafte Sensorik wird so nicht nach Sichtbarkeit eines Bauwerks vergeben, sondern auf Grundlage einer Messung.

Was eine Tagesmessung nicht leistet

Eine Messung an einem Tag ist eine Momentaufnahme des globalen Tragverhaltens: Steifigkeit, Lagerung, Schwingungen. Spannstahlkorrosion, innere Spannungen oder lokale Risse zeigt sie nicht. Vor allem erfasst sie keine zeitabhängigen Effekte: Der Vorspannungsbefund an der Terfener Innbrücke wurde erst über Jahre kontinuierlicher Daten sichtbar. Auch Eigenfrequenzen hängen von der Temperatur ab, Wiederholungsmessungen sind nur mit dokumentierten Randbedingungen vergleichbar. Der Ansatz ersetzt Dauermonitoring nicht. Er hilft, es gezielt einzusetzen.

Was es braucht

• Modellvorlagen statt Einzelmodelle, damit die Modellierung nicht zum neuen Flaschenhals wird.
• Offene Datenformate, damit Messdaten herstellerunabhängig in Auswertung und Bauwerksmanagement fließen.
• Ausschreibbare Leistungen: Messkampagne, Kalibrierung und Bewertung als definierte Leistung, nicht als Forschungsprojekt.

Fazit

Die Methodik der modellbasierten Zustandsüberwachung ist in der Praxis erprobt und validiert. Die Auswertung lässt sich automatisieren. Der verbleibende Engpass ist die Datenerfassung am einzelnen Bauwerk. Wird sie mobil und kontaktlos, kann der digitale Zwilling vom Einzelprojekt in den Bestand wachsen: erst messen, dann kalibrieren, dann entscheiden.