Samstag, 8. April 2023 · 0 min read
Können Brückeneinstürze durch eine permanente Strukturüberwachung verhindert werden?
Die Wikipedia-Liste von Brückeneinstürzen umfasst 48 Einträge ab dem Jahr 2000, darunter mehrere aufsehenerregende Fälle wie die Brücken-Katastrophe von Genua. Das Unglück warf erneut die Frage auf: Wie konnte so etwas im 21. Jahrhundert mit den Möglichkeiten, die der Industrie zur Überwachung von Brückenstrukturen zur Verfügung stehen, geschehen?
Der Brückenbau blickt auf eine mehrtausendjährige Entwicklung zurück, wobei die ältesten bisher entdeckten Brückenteile von etwa 1500 v. Chr. stammen. Selbst die erste Eisenbrücke wurde bereits vor Jahrhunderten, nämlich im Jahr 1779, errichtet. Daher werden die meisten Brücken nach Vorschrift und zuverlässigen, bewährten Methoden gebaut, und wir sprechen hier gerne von einer ausgereiften Technologie.
Die Überwachung von Brückenbauwerken ist in der heutigen datenorientierten Welt weit davon entfernt, datengesteuert zu sein.
Dennoch versagen Brücken. In gewisser Weise kann ein solches Versagen mit einem Flugzeugabsturz verglichen werden: Brücken gelten im Allgemeinen als sicher, und nur ein sehr kleiner Anteil stürzt tatsächlich ein; wenn sich allerdings ein Unglück ereignet, hat dies katastrophale unmittelbare Folgen und sorgt für Schlagzeilen.
Der Unterschied besteht jedoch darin, dass jedes Flugzeug mit Hunderten von Sensoren ausgestattet ist, die seinen Zustand ständig überwachen, während die gängigste Methode zur Bewertung des Zustands einer Brücke die Sichtprüfung ist. Die Überwachung von Brückenbauwerken ist in der heutigen datenorientierten Welt weit davon entfernt, datengesteuert zu sein, und das Gleiche gilt für ihre Instandhaltung insgesamt.
Eine eindrucksvolle Simulation des Einsturzes der Morandi-Brücke in Genua. Das Video zeigt, wie eines der im Beton eingebetteten Seile reißt und den Einsturz auslöst. Die Inspektion der Stahlseile im Beton war aufgrund der mangelnden Sichtbarkeit naturgemäß schwierig. Dennoch waren die Behörden in den Inspektionsberichten gewarnt und einige andere Kabel zuvor bereits ersetzt worden.
So ausgereift die Technologie auch zu sein scheint, die Errichtung eines Bauwerks, das 100 Jahre halten soll, ist eine enorme technische Herausforderung. Die meisten Brückeneinstürze ereignen sich nach längerer Nutzung, und in den Inspektionsberichten aus den Jahren vor dem Einsturz finden sich in der Regel Warnungen zu Mängeln hinsichtlich des strukturellen Zustands.
Dies war auch bei der Morandi-Brücke in Genua und bei der 2007 eingestürzten Interstate-35W-Mississippi-River-Brücke in Minneapolis der Fall. Das Problem ist, dass bei weitem nicht genügend (finanzielle, operationelle und infrastrukturelle) Ressourcen zur Verfügung stehen, um alle Brücken zu ersetzen oder zu reparieren, die in solchen Berichten als strukturell mangelhaft erachtet werden. Daher müssen die Brückeneigentümer (also in der Regel letztlich die Staaten) Prioritätsentscheidungen treffen. Und da es nicht genügend reale Daten zum strukturellen Verhalten von Brücken über ihre Lebensdauer hinweg gibt, steht auch keine Datenbasis als Entscheidungsgrundlage zur Verfügung..
Die Errichtung eines Bauwerks, das 100 Jahre halten soll, ist eine enorme technische Herausforderung.
Als Begründung dafür, dass nicht jede Brücke mit einem hoch entwickelten Datenerfassungssystem auf der Grundlage von Schwingungs- und Dehnungssensoren überwacht wird, wurde lange Zeit der Preis solcher Anlagen angefûhrt. Durch aktuelle Entwicklungen bei der Messhardware, der Datenanalysesoftware und den Methoden des konstruktiven Ingenieurbaus konnten diese Kosten jedoch drastisch reduziert werden. Es ist jetzt möglich, die Struktur mit relativ erschwinglichen triaxialen Beschleunigungssensoren zu überwachen. Diese werden mit einem einzigen Netzwerkkabel verbunden, das über große Entfernungen von Sensor zu Sensor geführt werden kann.
Das mit einem rauscharmen MEMS-Beschleunigungssensor ausgestattete Datenerfassungsmodul IOLITEi 3xMEMS-ACC ist eine revolutionäre Technologie. Es senkt die Kosten für die Strukturüberwachung drastisch und hilft den mit der Brückensicherheit betrauten Institutionen, Schwingungsdaten kontinuierlich und in Echtzeit aus der Ferne zu erfassen.
Das Sensornetzwerk überwacht die Schwingungen im gesamten Bauwerk und ermöglicht es den Technikern, eine Betriebsmodalanalyse (OMA) durchzuführen. Gemessene Beschleunigungsdaten werden zu Geschwindigkeiten und Wegen integriert und im Frequenzbereich analysiert. Das Ergebnis sind die Schwingungsformen (Moden) der Struktur.
Dabei ist zu beachten, dass eine Brücke bei Anregung wie eine Gitarrensaite schwingt, wenn auch mit einer im Vergleich zu ihrer Größe eher geringen Amplitude. Sehr empfindliche Beschleunigungssensoren sind in der Lage, diese zu erfassen, und ein DAQ-Softwarepaket wie DewesoftX kann die aufgezeichneten Daten dann in aussagekräftige Parameter umsetzen.
Der Preis für die permanente Überwachung von Brücken sinkt und entwickelt sich bezogen auf die Gesamtbetriebskosten solcher Bauwerke zu einem vernachlässigbaren Faktor.
Auf diese Weise wird das Schwingungsverhalten der Brücke kontinuierlich überwacht. Eine Abnahme der Steifigkeit aufgrund von Stahlkorrosion etwa wirkt sich erkennbar auf die Frequenz und Amplitude der Schwingungen aus. Gleiches gilt für eine übermäßige Belastung der Brücke durch eine Zunahme des Verkehrs oder starke Winde. Dies bedeutet nicht, dass sich auf einfache Weise feststellen ließe, wann sich die Brücke in einem kritischen Zustand befindet und für den Verkehr gesperrt werden muss. Aber wir sollten zumindest beginnen, Langzeitdaten von möglichst vielen Anlagen zu sammeln, um Datenbanken aufzubauen, die von essentieller Bedeutung für Entscheidungen über Instandhaltungsprioritäten sind.
Permanent synchronisierte landesweite Schwingungsmessungen und Betriebsmodalanalysen in Verbindung mit Wetterbeobachtung und Verkehrsüberwachung werden es uns ermöglichen, die Kriterien für die Beurteilung von Brückenzuständen mit der Zeit zu verbessern. Die gesammelten Daten werden uns nie da gewesene Einblicke bieten, die es ermöglichen, sinnvoll Prioritäten bei der Reparatur von Brücken zu setzen, staatliche Ausgaben zu sparen und vor allem Menschenleben zu retten.
Das Brückenüberwachungssystem IOLITEi 3xMEMS-ACC ermöglicht die technische Überwachung zu einem im Vergleich zu den Kosten struktureller Reparaturen oder gar eines Brückeneinsturzes vernachlässigbaren Preis.
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Dieser Artikel wurde ursprünglich am 1. Dezember 2018 auf monodaq.com veröffentlicht.