zurück

Alte Brücken besser überwachen

Kaputte Überwege sorgen unter anderem für Staus mit Folgen für Umwelt und Wirtschaft - Forscherinnen und Forscher entwickeln jetzt neue Konzepte zur Zustandsbestimmung von Brücken, um kleinste Veränderungen im Brückenbauwerk frühzeitig aufzuspüren

Schäden an der Bausubstanz sind oft kaum zu erkennen

Im Bundesfernstraßennetz nehmen knapp 40.000 Brücken eine Gesamtlänge von etwa 2100 Kilometern ein. Sie überqueren Straßen, Bahntrassen, Gewässer oder Täler und sind ein unersetzbarer Teil der kritischen Verkehrsinfrastruktur. Werden sie beschädigt, so sind Staus, Umwege und damit Belastungen für Umwelt und Wirtschaft die unmittelbare Folge. Eine einfache Methode, ihre Verfassung zu ermitteln, könnte somit viel Geld sparen.

Um die Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit der Bauwerke sicherzustellen, müssen sie in bestimmten Intervallen untersucht werden. Viele der Brücken haben ihre Alters- und, aufgrund des stark angestiegenen Verkehrsaufkommens auch ihre Belastungsgrenze erreicht. Angesichts der vielen Einschränkungen bei der Befahrbarkeit von Überführungen und des kritischen Zustands der Fernverkehrsbrücken in Deutschland, werden der Zustand und die verbleibende Lebensdauer von Brücken immer wieder öffentlich diskutiert.

Da Schäden an der Bausubstanz im frühen Stadium auch mit sehr großem Aufwand kaum zu erkennen sind, bleibt der tatsächliche innere Zustand einer Brücke oftmals lange unbestimmt. Sanierungsmaßnahmen werden häufig erst verspätet und unter Zeitdruck ergriffen. Um dem Problem abzuhelfen, entwickeln Forscherinnen und Forscher jetzt neue Konzepte zur Zustandsbestimmung von Brücken, um kleinste Veränderungen im Brückenbauwerk frühzeitig aufzuspüren.

Bisher werden Brücken taktil überprüft

Aktuell werden taktile Prüfsysteme für die messtechnische Überwachung von Brücken eingesetzt. Das bedeutet, am zu kontrollierenden Brückenbauwerk müssen Sensoren fest installiert werden. Diese können auf die auf die Bausubstanz wirken. Die Anbringung der Prüfsysteme führt oftmals zu Verkehrsbehinderungen; Straßen werden gesperrt und Bahnlinien angehalten. Die lastbedingten Veränderungen im Brückenbauwerk werden darüber hinaus nur punktuell an den mit Sensoren versehenen Stellen erfasst, das heißt unzugängliche Stellen von Bauwerken können bisher nicht kontrolliert werden. Viele Forscher sind sich einig: Um die große Menge an Kontrollaufgaben auch in Zukunft effektiv bewältigen zu können, ist ein modernes und praktikables Überwachungsverfahren notwendig.

In Zukunft soll der Brückenzustand mit Radar und Laser kontrolliert werden

1. Radarsensorik in Kombination mit intelligenten Algorithmen

Dr. Sina Keller vom Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) will das Problem im Projekt ZEBBRA mit Radarsensorik in Kombination mit intelligenten Algorithmen angehen. „Wenn Fahrzeuge auf eine Brücke fahren, versetzen sie diese in Schwingung. Diese Bewegungen zeichnen wir mit hochpräzisen Radargeräten auf“, erklärt die Mathematikerin. Speziell entwickelte Computer-Algorithmen analysieren die Radarsignale, die das Schwingungsverhalten der Brücke wiedergeben. Diese werden unter anderem in Kooperation mit Forscherinnen und Forschern des Instituts für Automation und angewandte Informatik des KIT erarbeitet. „Gibt es dabei Abweichungen von der Norm der Schwingungen der jeweiligen Brücke, ist das ein Hinweis auf Schäden an der Bausubstanz“, sagt Keller. Mit der Methode lassen sich Veränderungen sehr genau lokalisieren, sodass sich auch Schäden in einzelnen Brückensegmenten wie Pfeilern oder Fahrbahnabschnitten aufspüren lassen.

Neben der neuen Methode wollen die Forscherinnen und Forscher auch leicht zu transportierendes Instrumentarium einsetzen. So können alle Messungen mobil vor Ort im laufenden Betrieb und ohne Verkehrsbehinderungen ablaufen. Es müssen auch keine Sensoren fest installiert werden. Das Prüfverfahren, so die Forscher, werde sich durch geringe Kosten und eine leichte Bedienbarkeit auszeichnen sowie Verkehrs- und Baubehörden die Möglichkeit geben, Sanierungsmaßnahmen längerfristiger und gezielter zu planen. Das Projekt ZEBBRA läuft bis 2021 und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit insgesamt 1,5 Millionen Euro gefördert. Weitere Partner des Projekts sind die ci-Tec GmbH, Karlsruhe, und das Büro für Strukturmechanik, Coburg.

2. Monitoring-Verfahren mit Profil-Laserscannern

Ein Forscherteam der Technischen Universität (TU) Darmstadt, Fachgebiet Geodätische Messsysteme und Sensorik (GMSS), hat einen anderen Ansatz gefunden, Veränderungen im Brückenbauwerk aufzuspüren: Ein Monitoring-Verfahren, mit dem ganze Brückenprofile berührungslos mit Profil-Laserscannern erfasst und überwacht werden können.

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vom Fachgebiet GMSS haben Brückenmessungen mit einem Profil-Laserscanner durchgeführt. Damit ist es möglich, statische und dynamische Deformationen (zum Beispiel Durchbiegungen) einer Brücke in Zehntel-Millimeter-Genauigkeit nicht nur für einzelne Punkte, sondern für komplette Profile zu ermitteln. Die Messung erfolgt ebenfalls berührungslos, somit können auch bisher unzugängliche Stellen von Bauwerken erfasst werden. Als Ergebnis liegen für die gesamte Länge eines Brückenprofils Messwerte vor, die zeigen, wie sich das Tragwerk im Ruhezustand verhält, wie stark es sich bei Belastung verformt und ob diese Deformationen noch innerhalb tolerierbarer Grenzen liegen. Messung und Auswertung erfolgen dabei weitgehend automatisiert. Die so gewonnenen Messwerte besitzen eine leicht höhere Messunsicherheit als jene mit konventionellen Verfahren ermittelten Daten. Trotzdem ist diese Methode ausreichend, um typische Tragwerksdeformationen zuverlässig zu erfassen und den Zustand der Brücken zu bewerten.

Das notwendige Mess- und Auswertekonzept hat Dr.-Ing. Florian Schill im Rahmen seiner Promotion am GMSS erarbeitet. Das Messsystem basiert auf einem „Z+F Profiler Laserscanner“. Dabei handelt es sich um einen nach dem Phasenmessprinzip arbeitenden Profilscanner, dessen Haupteinsatzgebiet im Bereich der mobilen Straßenraumerfassung liegt. Die Anwendung zur Überwachung von Tragwerken stellt eine Umkehrung dieses Einsatzzweckes dar, da hier von einer statischen Plattform aus ein sich bewegendes Messobjekt abgetastet wird. Dazu wird der Laserstrahl in einer Richtung über das Messobjekt geführt, und zwar mit einer Wiederholrate von bis zu 200 Hertz. Die maximale Messentfernung beträgt dabei rund 120 Meter, bei einer maximalen Datenaufnahmerate von einer Million Punkte pro Sekunde.

Es wird weiter geforscht

Wie „artfremde“ Technik zur Brückenüberwachung ebenfalls eingesetzt werden kann, wurde in einem weiteren Projekt an der TU erforscht. Hierzu stellte ein Team um Professor Matthias Becker vom Fachgebiet Physikalische Geodäsie und Satellitengeodäsie fest, dass Lageabweichungen von Bauwerken auch mit Mikrowellen erfasst werden können – mit einer Methode, die sonst für die Überwachung von instabilen Hängen eingesetzt wird.

Weitere Informationen zu den neuen Methoden zur Zustandsbestimmung von Brücken finden Sie auf der Internetseite des KIT und der TU Darmstadt .