Lösungen zur Überwachung von Brücken schaffen Sicherheit

Winterthur, Februar 2019 – Während Infrastrukturen altern, nimmt das Verkehrsaufkommen weiter zu: Eine gefährliche Situation, die mit den richtigen Technologien zumindest entschärft werden kann. Auf der einen Seite liefern Vibrationsmessungen wertvolle Daten über den genauen Zustand einer Brücke; auf der anderen Seite bieten Weigh In Motion (WIM)-Systeme die Möglichkeit, umfassende Nutzungsdaten zu sammeln und die Zufahrt gegebenenfalls zu beschränken.

Im Sommer 2018 kollabierte in der Nähe von Genua, mitten in Europa, die Morandi-Brücke, ein vierspuriges Viadukt der vielbefahrenen italienischen Autobahn A10. Das Unglück riss 43 Menschen in den Tod, und bis heute sind die Ursachen nicht zweifelsfrei geklärt. War es ein Konstruktionsfehler? Lag es an mangelhafter Instandhaltung? Und vor allem: Hätte man das Unglück verhindern können – und wenn ja, wie? Man wird erst den offiziellen Untersuchungsbericht der italienischen Behörden abwarten müssen, um belastbare Antworten auf diese Fragen zu bekommen.

Tatsache ist, dass es sich bei Straßenbrücken um ein massives infrastrukturelles Problemfeld handelt. Genua ist dabei nur die Spitze des Eisbergs, denn in vielen Fällen stürzen Brücken ein, ohne dass es Opfer gibt oder die Öffentlichkeit davon Notiz nimmt. Allein in den USA gibt es beispielsweise 578.000 Autobahnbrücken, die meist kurz nach den 2. Weltkrieg errichten wurden und deren Lebensdauer im Durchschnitt etwa 70 Jahre beträgt. Ähnlich ist die Lage in Deutschland, wo Experten seit Jahrzehnten davor warnen, dass mehr und mehr Brücken ein kritisches Alter erreichen bzw. in restaurierungsbedürftigem Zustand sind. Wie lassen sich solche Bauwerke effizient überwachen, gezielt instandhalten und für ihre Nutzer möglichst sicher gestalten?

In welchem Zustand ist die Brücke wirklich?

Zunächst lassen sich drei Herangehensweisen unterscheiden: Auf der einen Seite geht es darum, die Brücke zu schonen, indem schwere Fahrzeuge daran gehindert werden, diese zu passieren. Das Fahrzeuggewicht wirkt in der vierten Potenz auf die Straßeninfrastruktur ein und hat daher einen immensen Einfluss auf die Lebensdauer einer Brücke. Eine weitere Methode ist das Messen der Achslast der Fahrzeuge pro Zeiteinheit, da diese Aufschluss über die Belastung des Straßenbelags und des Bauwerks insgesamt gibt.

Drittens lassen sich die Veränderungen an der Brücke selbst überwachen: Messtechnische Systeme auf Basis von Beschleunigungssensoren sammeln Daten über kritische Veränderungen der Struktur und den „Gesundheitszustand“ der Brücke – sogenanntes structure health monitoring (SHM) oder Zustandsüberwachung. Sie zeichnen Bewegungen und Vibrationen auf und erlauben dadurch Rückschlüsse auf Belastung und mögliche Korrosion des Bauwerks. Die Kistler Gruppe bietet für sämtliche Arten der Zustandsüberwachung erprobte und geeignete Produkte und unterstützt damit die Erhaltung und Sicherung wertvoller Infrastruktur – im Folgenden ein Überblick über technische Grundlagen und exemplarische Anwendungen.

Speziell auf bridge health monitoring zugeschnittene Beschleunigungssensoren von Kister sind weltweit an Brücken im Einsatz, um Einflüsse zu messen, die durch den Verkehr, den Wind oder Temperaturschwankungen entstehen. Solche messtechnischen Systeme sind zum Beispiel in der Ostseebrücke Storebaelt in Dänemark verbaut, in China über dem Jangtsekiang oder in den USA über dem Mississippi. Die neue Interstate 35W in Minneapolis (Minnesota), die 2009 anstelle der eingestürzten Brücke über dem Fluss errichtet wurde, ist zum Beispiel mit 26 Beschleunigungssensoren von Kistler ausgestattet. Zwölf von ihnen messen die Vibrationen in der Mitte der Betonpfeiler. Weitere 14 sind über das Bauwerk verteilt, um längerfristige Modalanalysen durchführen zu können, insbesondere die Überwachung der Eigenfrequenz des Bauwerks – signifikante Veränderungen der Eigenfrequenz weisen auf mögliche Beschädigungen hin.

Entscheidend für den Erfolg solcher Messungen sind Eigenschaften wie Messempfindlichkeit, Frequenzbereich, Temperaturstabilität und Linearität. Mit kapazitiven MEMS- und piezoelektrischen IEPE-Sensoren bietet Kistler ausgereifte Technologien für unterschiedliche Applikationsbedingungen: Während IEPE für kleinere Strukturen und höhere Frequenzen bestens geeignet ist, kommt MEMS bei größeren Bauwerken und DC- oder niedrigfrequenten Signalen zum Einsatz. Weitere Parameter, die spezifiziert werden müssen, sind Kabellängen, EMV-Schutz sowie Temperaturbereich bzw. -stabilität. Beispielsweise verfügt der MEMS-Beschleunigungssensor 8316A von Kistler über einen Frequenzbereich von 0…1500 Hz, einen Betriebstemperaturbereich von –55 bis +125°C sowie mögliche Kabellängen bis 400 Meter – das Ganze bei sehr niedrigen Rauschwerten.

Schäden durch Überlastung effizient vorbeugen

Setzt man geeignete Beschleunigungssensoren als Teil ganzheitlicher Messsysteme ein, zu denen zum Beispiel Anemometer (Windmesser), Dehnungssensoren, Linearpotentiometer und GPS gehören, lassen sich Unglücke wie in Genua und Minneapolis wohl künftig verhindern. Ein zentraler Baustein solcher Messreinrichtungen an Brücken sind nicht zuletzt Weigh In Motion (WIM)-Systeme, die im Detail Aufschluss geben über die Belastung durch Nutzfahrzeuge und deren Zuladung.

WIM-Systeme von Kistler messen das Gewicht der Fahrzeuge auf der Straße während der Fahrt. Sie basieren auf Sensoren, die für eine unbegrenzte Anzahl von Spuren pro Fahrtrichtung direkt in den Fahrbahnbelag eingebracht und umgehend ausgewertet werden. Die bewährten und weltweit bereits mehr als 50.000 Mal eingesetzten Quarzsensoren der Marke Lineas funktionieren nach dem piezoelektrischen Prinzip und sind damit enorm präzise, wartungsfrei und langzeitstabil. Sie sind in unterschiedlichen Längen verfügbar (1,50 m, 1,75 m, 2,00 m) und können in unterschiedliche Straßenbeläge integriert werden. Einmal installiert, messen sie zuverlässig Achslasten und Gesamtgewicht von Fahrzeugen bei hohen wie niedrigen Geschwindigkeiten. Die genaue (bis zu 2,5%) und temperaturunabhängige Messung erlaubt es, umfassende Daten zur Nutzung und Belastung zu sammeln oder überladene Fahrzeuge direkt am Befahren von Brücken zu hindern. Außerdem liefern WIM-Systeme im Vorfeld von Brückenumbaumaßnahmen wichtige Informationen, um etwa zu ermitteln, ob der Verkehr über eine Hälfte der Straße sicher umgeleitet werden kann.

Ergänzend zu den WIM-Sensoren sowie den zugehörigen Auswerte- und Analysesystemen bietet Kistler die entsprechenden Services, um die Funktionalität und Lebensdauer der Systeme zu optimieren. Dazu gehört neben Remote- und Onsite-Support für die Kalibrierung auch die Ermittlung der optimalen Position für die Sensorintegration, da von dieser bzw. der konkreten Straßenbeschaffenheit die späteren Leistungsdaten nicht unwesentlich abhängen.