Az akár százévesnél is öregebb hídjainkat még kézzel számították az akkori szabályozások alapján, kézzel készítették a tervrajzokat hozzá, és a hídmesterek megadott rendszerességgel szemrevételezéssel ellenőrizték (és ellenőrzik ma is) a hidak állapotát. A mérnöki tudományok fejlődésével a hídtervezés is számítógépes alapokra helyeződött, új szabványok támogatják a végeselemes modelleken (FEM) alapuló igénybevétel meghatározást és tervezést, valamint a gyártási és kivitelezési terveket is sokszor már 3D-s modellekkel készítik a tervezők. Ezeket a 3D-s konstrukciós modelleket hívjuk BIM-modelleknek, ami azt fejezi ki, hogy a térbeli geometriához egy adatbázis is kapcsolódik, ahol például a szerkezetek anyagjellemzőit tároljuk.

A digitális ikrek ezen digitalizációs szinten továbblépve valós idejű és teljes integrációt valósítanak meg a tényleges szerkezet és annak digitális mása között. A következő fejezetben ezen integráció lépéseit mutatjuk be, a részletek megtalálhatók a MAGÉSZ 2022-es különszámában [2].

Digitális ikrek fejlesztése

A hidak digitális ikrei a hidakon alkalmazott numerikus modellek (FEM és BIM) összekapcsolását jelentik a valós hídszerkezetből származó információkkal. A cél, hogy a digitális iker a híd minden térbeli pontjára vonatkozóan, az élettartam minden időpillanatához tartozóan rendelkezzen a valósághoz legközelebb álló információval a híd állapotjellemzőiről (mindezt valós időben). Ahhoz, hogy ezt az integrációt a valós és a virtuális szerkezet között meg tudjuk valósítani, a feladatot több részfeladat megoldására kell bontani.

Első lépésként ismernünk kell a szerkezetet érő hatásokat. Ha a híd teljes életciklusát nézzük, akkor ebbe beleértendő a szerkezet kialakítása során keletkező hatások, például a gyártási és építési hegesztések közben keletkező hőbevitel és annak hatására keletkező maradófeszültségek és alakváltozások is. Ha a hosszabb távú hatásokat nézzük, akkor az a legfontosabb, hogy a híd üzemelése közben áthaladó vasúti járművek terhelését megismerjük, így abból is meg tudjuk határozni a híd állapotjellemzőit. Amennyiben a hídszerkezetet érő egyéb hatásokból (pl. földrengés) származó állapotjellemzőket is meg szeretnénk ismerni, akkor ezeket is meg kell határozni.

A hatásokat legfőképpen különféle szenzorokkal tudjuk mérni. A hőbevitelt hőmérsékleti szenzorokkal, a járműterhelést nyúlásmérő bélyegekkel, a szélterhelést szélsebesség- és széliránymérőkkel, a földrengést és egyéb sepciális hatásokat pedig gyorsulásmérőkkel. A hatás összetettségétől függően a szenzoradatokból vagy közvetlenül meghatározható a hatás nagysága (pl. a szélsebesség közvetlenül adódik a mérőeszközből), vagy további adatfeldolgozás szükséges (pl. nyúlásmérő bélyegekből visszaszámított tengelysúlyterhelés) A 2. ábrán látható egy tipikus feszültséglengés, amiből fejlett analitikai módszerekkel, például mesterséges intelligencia alkalmazásával lehet visszaszámolni a tényleges tengelyterhelést [3].

A következő megoldandó feladat, hogy ezeket a hatásadatokat és az előállításukhoz szükséges analíziseket egy egységes rendszerben végezzük el. Ennek legjobb módja a már rendelkezésre álló BIM-modell, amely tartalmazza a szerkezet valós geometriáját (tehát minden térbeli pont rendelkezésre áll), és e mellé kell rendelni egy olyan adatbázist, ami képes a híd teljes életciklusa alatt letárolni a hidat ért hatásokat. A jelenlegi BIM-alkalmazások erre általában nem képesek, ezért ezt saját fejlesztéssel lehet megoldani [2].

A következő részfeladat, hogy a valós idejű hatások ismeretében valós idejű analízist tudjunk futtatni a hídszerkezeten, amelynek segítségével a híd minden pontjában ismertté válnak az állapotjellemzők. Erre a legalkalmasabb és automatizálható módszer az explicit dinamikus analízis (FEM-modell), amely képes a hidat egy dinamikai rendszerként kezelni és időfüggően figyelembe venni a szerkezet viselkedését. Ez az analízis meglehetősen erőforrás-igényes, azonban ez adja meg az alapját a valós idejű digitális ikernek [2].

A végső feladat, hogy a FEM- és BIM-mondellek integrációjaként megvalósuljon a valós idejű információáramlás, azaz a szenzoradatok átadódjanak a BIM-modellbe, ott elvégezzük a szükséges kiegészítő számításokat, a hatások átkerüljenek a FEM-modellbe, majd az explicit dinamikus analízis eredményei visszaadódjanak a BIM-modellbe, illetve annak újonnan létrehozott kiegészítő adatbázisába, végül ott valós időben elérhetővé váljanak a híd állapotjellemzői. Erre mutat példát a 3. ábra, ahol egy tesztmodell és egy szenzorlista/állapotjellemző lista látható, amit egy idősávos megjelenítő egészít ki, így biztosítva, hogy a szerkezet minden térbeli pontjához és az élettartamának minden időpillanatához hozzáférjünk, azaz megvalósuljon a valós idejű digitális iker, ami a valós szerkezettel egyező hatásokat és állapotjellemzőket mutatja.

Ez a digitális ikermodell tesz lehetővé további döntéstámogatást, például az üzemeltetés gazdaságosabbá tételét, a híd élettartamának kitolását vagy az extrém hatások meghatározását.

Köszönetnyilvánítás

A digitális ikrekhez kötődő kutatást a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal által, az NKFI Alapból megvalósuló, 2017-1.3.1-VKE-2017-00040 számú, „Hálózatosodott technológiák alkalmazása acélszerkezetek tervezése, gyártása, szerelése, fenntartása és kapcsolódó szolgáltatások területén” című projekt támogatta. Külön köszönet illeti a komáromi Monostori híd megvalósításában részt vevő szervezeteket, akik támogatták a mintaprojekt feladatainak elvégzését a híd építésével párhuzamosan.