Structural-Health-Monitoring-Messsystem Digitalisierung verlängert Lebenszeit von Brücken

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Wenn Brücken in die Jahre kommen und weiterhin vom Schwerlastverkehr genutzt werden, besteht ein erhöhtes Einsturzrisiko. Mit einem Structural-Health-Monito- ring(SHM)-Messsystem können Brückenbetreiber das Leben von Brücken verlängern. Wie das geht, erzählt David Cornu, Head of Traffic Solutions bei Kistler, im Interview.

Am verschneiten 28. Januar 2022, nach fast 50 Jahren Dienstzeit, ist es so weit: Die Fern Hollow Bridge in Pittsburgh, Pennsylvania, fällt in sich zusammen. Obwohl ihr Zustand seit 2011 als reparaturbedürftig eingestuft wurde, nutzten mehr als 14 000 Fahrzeuge täglich die vierspurige Brücke, um eine Schlucht zu überqueren. Den eigentlichen Kollaps hatte keiner der Verantwortlichen vorhergesehen. Es grenzt an ein Wunder, dass niemand schwer verletzt wurde, obwohl mehrere Fahrzeuge, darunter ein Bus, zum Zeitpunkt des Unglücks auf der schneebedeckten Brücke unterwegs waren und bis zu 20 Meter tief stürzten.

Das Beispiel der Fern Hollow Bridge zeigt, was passieren kann, wenn Brücken in die Jahre kommen und weiter von viel und schwer beladenem Verkehr genutzt werden. Doch wie lassen sich Unglücke wie diese verhindern? Wie stellen Betreiber sicher, dass notwendige Schutzmassnahmen und Reparaturen rechtzeitig vorgenommen werden? Im Interview erklärt David Cornu, Head of Traffic Solutions bei Kistler, wie ein durch­dachtes Structural-Health-Monitoring(SHM)-​Messsystem Brückenbetreibern zur Seite steht und das Leben von Brücken verlängern kann.

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at – Aktuelle Technik: Vor welchen Herausforderungen stehen Brückenbetreiber aktuell, Herr Cornu?

David Cornu: Weltweit sehen wir ein Phänomen: Brücken sind in die Jahre gekommen. Äussere Einflüsse wie Wind, Meer- und Salzwasser und durch Verkehr oder Erdbeben erzeugte Vibrationen haben Materialien wie Stahl und Spannbeton ermüdet. Einige Schäden und Ermüdungserscheinungen lassen sich durch regelmässige Inspektionen von aussen gut abschätzen – andere betreffen das Material im Inneren der Brücke und bleiben somit unsichtbar. Gleichzeitig hat sich das Verkehrsaufkommen auf den Brücken und die damit verbundene Belastung seit ihrer Errichtung häufig vervielfacht und LKWs transportieren immer schwerere Lasten.

Viele Brücken sind in deutlich schlechterem Zustand, als ihre Betreiber vermuten. Dieses Unwissen kann zu plötzlichen Brückensperrungen führen, wenn die Mängel so schlimm sind, dass das Bauwerk gar nicht mehr genutzt werden kann. Viel schlimmer ist jedoch, dass die Sicherheit von Fahrzeugen und Passagieren auf dem Spiel steht. Um den genauen Zustand einer Brücke zu ermitteln und kontinuierlich zu beobachten, bieten ausgeklügelte und gleichzeitig leicht zu bedienende Structural-Health-Monitoring-Messsysteme enorme Vorteile.

Wie können Betreiber einen Einblick in den tatsächlichen Zustand der Brücke bekommen?

D. Cornu: SHM-Systeme fühlen Brücken und anderen Bauwerken quasi auf den Zahn. Dafür werden spezifische Sensoren wie Beschleunigungs- und Dehnungssensoren an Schlüsselstellen der Brücke verbaut. Das kann bereits beim Bau der Brücke geschehen, es ist aber auch üblich, ältere Brücken nachzurüsten. Nach dem Einbau messen die Sensoren Schwingungen und Veränderungen im strukturellen Verhalten der Brücke. Dehnungen, Risse oder eine Verschiebung der Struktur werden so frühzeitig entdeckt. Die Messdaten gelangen über Datenakquisitionssysteme in die cloudbasierte Datenbank und stehen den Kunden überall und jederzeit zur Verfügung.

Über das System kann dann bei Abweichungen und damit potentiellen Schwachstellen ein Alarm ausgelöst werden. Zudem ermöglichen es die Messdaten, notwendige Reparaturen vorherzusehen, die so rechtzeitig geplant und zu einer verkehrs­armen Zeit durchgeführt werden können.

Was müssen Betreiber, die sich für so ein System interessieren, wissen?

Entscheidend ist die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der Messdaten: Nur wenn diese hundertprozentig präzise sind, können sich Brückenbetreiber auf sie verlassen und auf Basis der Daten Massnahmen ergreifen. Die Bedingungen für die Messung sind allerdings nicht einfach: Störgeräusche durch Wind, Witterung und Verkehr können Messdaten verfälschen. Bei SHM-Lösungen von Kistler setzen wir deshalb auf spezielle Sensortypen, die extrem genau und zuverlässig sind, dazu geräuscharm (keine Störsignale) und temperaturunempfindlich. Da die Distanz zwischen Sensor und Kontrollzentrum auf der Brücke häufig mehrere hundert Meter beträgt, setzen wir zudem auf spezielle, geräuscharme Kabel und modernste Elektronik. Das Ergebnis ist eine in der Branche einzigartige Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messdaten.

Wie verlängert die Zustandsüberwachung dann das «Leben» der Brücke?

D. Cornu: Die Zustandsüberwachung ermöglicht es Brückenbetreibern, gut informiert Schutzmassnahmen zu ergreifen. Neben Reparaturen bietet sich dabei die Regulierung des Verkehrs an, da dieser die Brücke ebenfalls stark beansprucht. Geschwindigkeits- und Gewichtsbeschränkungen sind effektive Mittel zum Schutz der Brücke.

Zu diesem Zweck haben sich Weigh-in-Mo­tion(WIM)-Systeme bewährt, die einzeln oder zusammen mit SHM-Technologie zum Einsatz kommen. Sie messen über in der Fahrbahn verbaute Sensoren das Gewicht und die Geschwindigkeit der ankommenden Fahrzeuge. Die schwer überladenen Fahrzeuge können dann je nach Möglichkeit auf eine Alternativroute geschickt werden oder vor der Brücke gestoppt und entladen werden. Dieses System kommt beispielsweise in der grössten philippinischen Brücke zum Einsatz, bei deren Konstruktion wir 2022 unterstützen konnten. Ist ein Umleiten der Fahrzeuge nicht möglich, besteht die Option, den überladenen Fahrzeugen über die sogenannte automatische Gewichtskontrolle ein Strafgeld aufzuerlegen. Auf dem Brooklyn-​Queens-Expressway in New York kommt eine solche Anlage beispielsweise bereits erfolgreich zum Einsatz.

Welche Rolle spielt Digitalisierung bei der Überwachung von Brücken – und was hat sich hier in den letzten Jahren getan?

D. Cornu: Die fortschreitende Digitalisierung ermöglicht es Unternehmen, die gesammelten Daten zur Brückengesundheit umfassend zu nutzen. Das ist ein grosser Fortschritt im Vergleich zu früher, als Daten aus unterschiedlichen Quellen sich nur schwer in einen gemeinsamen Kontext setzen liessen. Heute gelangen alle Messdaten automatisch in die Kistler-SHM-Cloud-Software und werden über Cockpits und Dashboards anschaulich für den Kunden visualisiert und ausgewertet. Unsere Erfahrung zeigt: Die besten Analysemöglichkeiten helfen nicht, wenn sie nicht zu den Anforderungen unserer Nutzer passen. Deshalb arbeiten wir bei jedem SHM-​Projekt eng mit unseren Kunden zusammen. Die richtige Systemarchitektur für die Bereitstellung der relevanten Daten ist heute genauso wichtig wie die korrekte Installation der Sensoren selbst.

Wenn Sie in die Zukunft blicken: Was glauben Sie wird sich in den nächsten Jahren im Bereich Structural Health Monitoring tun?

D. Cornu: Wir sind überzeugt, dass Structural Health Monitoring in Zukunft immer wichtiger werden wird. Bereits heute ist die Technologie in Brücken auf dem ganzen Globus im Einsatz. Insbesondere die Kombination aus Structural Health Monitoring und Weigh-​in-Motion-Technologie birgt dabei ein grosses Potenzial, da sie nicht nur mögliche Schwachstellen in der Konstruktion der Brücke erkennt, sondern die Brücke effektiv schützt – durch eine kontinuierliche Überwachung des Schwerverkehrs und eine darauf basierte, nachhaltige Reduzierung der überladenen Fahrzeuge.

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