Dynamische Strukturüberwachung einer Straßenbrücke

Unter der Straßenbrücke in Tomačevo befindet sich eine kleine Welt, die nur gelegentlich von Spaziergängern, die ihre Hunde ausführen, und von Joggern frequentiert wird. Die Brückenpfeiler sind mit zahlreichen Graffitis bedeckt. Hier haben die Cestel-Leute einen Job zu erledigen.

Cestel ist ein slowenisches Unternehmen, das zu den weltweiten Branchenführern im Bereich dynamische Hochgeschwindigkeits-Achslastwägung (High-Speed Weigh-in-Motion, HSWIM), Verkehrsanalysen und Brückenbewertungen zählt. 2022 startete das Unternehmen ein Forschungsprojekt zur strukturellen Zustandsüberwachung (structural health monitoring, SHM) mit einem neuartigen Ansatz, der es ermöglichen soll, die Entwicklung der Leistungsfähigkeit von Brücken über die Zeit zu verstehen. Cestel identifiziert den Brückenzustand dynamisch auf Grundlage der Korrelation zwischen der strukturellen Antwort – Eigenfrequenzen, Eigenformen und Dämpfungsverhältnisse - und der erfassten Verkehrsbelastung.

Matija Mavrič, Vertriebs- und Marketingleiter bei Cestel, sagt: „Wir streben unablässig nach Verbesserungen und entwickeln neue Anwendungen, um die bestehende Technologie und ihre Nützlichkeit zu optimieren. Unsere WIM-Diagnostiklösung für Brücken wird einzigartig sein. Sie liefert nicht nur Informationen zu Schwingungen, Brückenbewegungen, Rissen und Witterungseinflüssen, sondern auch zum Gewicht der Lastwagen auf der Brücke.“

Brücken in aller Welt werden immer älter, und ihre Betreiber fragen sich, ob sie noch sicher sind. Zur Klärung dieser Zweifel brauchen wir eine permanente strukturelle Zustandsüberwachung. Die dazu erforderlichen Systeme basieren in der Regel auf verschiedenen Sensoren und Geräten, nämlich

• Datenerfassungssystemen,

• Sensoren (Beschleunigungsmesser, Temperatursensoren, Dehnungsmessstreifen, Windsensoren usw.) und

• Software für die Berechnung und Darstellung der erfassten Daten. 

Nach einigen tragischen Brückeneinstürzen in den letzten Jahren erhält das Thema weltweit eine hohe Priorität. Die Europäische Union hat das Projekt BIM4CE (Brückenüberwachung mit Echtzeitdaten und digitalen Zwillingen für Mitteleuropa) ins Leben gerufen. Dieses Projekt ist Teil von Interreg, einer europäischen grenzüberschreitenden Initiative zur regionalen Entwicklung in neun EU-Mitgliedstaaten: Österreich, Kroatien, Tschechische Republik, Deutschland, Ungarn, Italien, Polen, Slowakei und Slowenien.

Die Problematik

Eine regelmäßige Instandhaltung ist von entscheidender Bedeutung für die Sicherheit und Langlebigkeit von Brücken. Ihre Vernachlässigung kann zu strukturellen Mängeln und anderen Problemen führen, die die Integrität der Brücke beeinträchtigen und das Einsturzrisiko erhöhen können. Regelmäßige Inspektionen oder Überwachungen sind erforderlich, damit Probleme angegangen werden können, bevor sie kritisch und potenziell katastrophal werden. 

Der Einsturz von Brücken ist in der Regel auf das Zusammenwirken mehrerer Probleme zurückzuführen, die mit einer unzureichenden Instandhaltung, Alterung, Konstruktions- oder Planungsfehlern, Herstellungsfehlern oder unerwarteten strukturellen oder designbezogenen Problemen zusammenhängen können. In anderen Fällen werden Einstürze durch Unfälle, Brände oder Naturereignisse wie Überschwemmungen oder Erdbeben verursacht.

Einige Brückeneinstürze aus jüngerer Zeit

Brückeneinstürze sind gefährlich und können zu Verletzungen, dem Verlust von Menschenleben und der Beschädigung von Eigentum und Infrastrukturen führen. Brücken müssen fachgerecht entworfen, gebaut und instand gehalten werden, um ihre Sicherheit zu gewährleisten und Einstürze zu vermeiden.

Zu den jüngsten Beispielen für bemerkenswerte Brückeneinstürze gehören:

• Morbi, Indien (2022) – Im Oktober stürzte eine jahrhundertealte, als Fußgängerbrücke genutzte Hängeseilbrücke über den Fluss Machchhu ein. Dabei starben 135 Menschen und viele weitere wurden verletzt. 

• Øyer, Norwegen (2022) – Im August stürzte die Tretten-Brücke, die die Kreisstraße 254 über den Fluss Gudbrandsdalslågen führte, nach einer Betriebszeit von nur zehn Jahren und zwei Monaten ein. 

• Weymouth, Vereinigtes Königreich (2020) – Im Juni stürzte eine 90 Jahre alte Fußgängerbrücke ein, wodurch mehrere Personen ins Wasser fielen. Glücklicherweise wurde niemand schwer verletzt.

• Mirepoix-sur-Tarn, Frankreich (2019) – Im November stürzte eine Hängebrücke über den Fluss Tarn ein. Dabei verloren zwei Menschen ihr Leben. Der Einsturz wurde durch einen Lkw verursacht, dessen Gewicht die Nutzlast der Brücke bei Weitem überschritt.

• Nanfang‘ao, Taiwan (2019) – Im Oktober stürzte die Nanfang‘ao-Brücke ein, wobei sechs Menschen ums Leben kamen und mehrere andere verletzt wurden. Der Einsturz verursachte erhebliche Störungen der lokalen Fischereiindustrie.

• Mumbai, Indien (2018) – Im Juli stürzte die Gokhale-Brücke während starker Regenfälle teilweise ein, wobei zwei Menschen getötet und mehrere andere verletzt wurden. Der Einsturz verursachte erhebliche Verkehrsbehinderungen.

• Venedig, Italien (2018) – Im Oktober stürzte ein Teil einer historischen Brücke ein, aber glücklicherweise wurde niemand verletzt.

• Genua, Italien (2018) – Im August stürzte die Morandi-Brücke ein, wodurch 43 Menschen starben. Der Einsturz führte zu erheblichen Verkehrsbehinderungen und Transportproblemen.

• Miami, USA (2018) – Im März stürzte eine noch im Bau befindliche Fußgängerbrücke zum Campus der Florida International University in Miami ein, wobei sechs Menschen ums Leben kamen und mehrere andere verletzt wurden.

Diese Vorfälle zeigen die potenziellen Gefahren von Brückeneinstürzen und die Notwendigkeit regelmäßiger Inspektionen, Instandhaltungsmaßnahmen und Infrastrukturinvestitionen zur Gewährleistung der Sicherheit dieser Bauwerke.

Die Tomačevo-Brücke

Die Tomačevo-Brücke ist eine vierspurige Brücke, die den Fluss Sava überspannt. Sie ist Teil der Hauptstraße Nr. 104, die zu den meistbefahrenen Straßen zwischen Ljubljana und seinen nördlichen Vororten zählt. Die Brücke besteht aus zwei getrennten Parallelbauwerken und weist in jede Richtung zwei Fahrspuren auf. Sie wird täglich von Tausenden von Pendlern und Schwerfahrzeugen überquert, die Güter und Waren aus den Industriegebieten in die Hauptstadt transportieren.

Die Stahlbetonbrücke wurde 1982 errichtet. Sie hat sieben Spannweiten und ist insgesamt 204 m lang. Jedes der beiden Parallelbauwerke ist 11 m breit und verfügt über zwei Fahrspuren für den Autoverkehr, einen Gehweg und einen Fahrradweg. Strukturell besteht jedes der Bauwerke aus:

• acht Paaren von Betonpfeilern

• einem Betondeck

• zwei Betonträgern

• einem Gehweg

• einer Brüstung

Brückeninstrumentierung

Das Brückenmonitoring kann in mehrfacher Weise dazu beitragen, die Sicherheit und Langlebigkeit von Brücken zu gewährleisten. Hier sind einige der wichtigsten Vorteile:

• Frühzeitige Erkennung struktureller Probleme: Die rechtzeitige Erkennung struktureller Probleme ermöglicht es Ingenieuren, Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, bevor das Problem schwerwiegend wird.

• Verbesserte Wartungsplanung: Die Daten erlauben es, Prioritäten bei den Instandhaltungsmaßnahmen setzen und eine effektive Nutzung der Ressourcen zu gewährleisten.

• Erhöhte Sicherheit: Die Überwachung kann helfen, potenzielle Sicherheitsrisiken zu erkennen, bevor sie kritisch werden. 

• Kosteneinsparungen: Durch das frühzeitige Erkennen von Problemen können Ingenieure diese beheben, bevor die Instandsetzung teurer wird, und so kostspielige Reparaturen oder Ersatzbeschaffungen vermeiden. 

• Verbesserte Datenerfassung und -analyse: Daten zu Performance und Verhalten einer Brücke helfen bei der Verfeinerung von Entwurfs- und Bautechniken für künftige Projekte.

Insgesamt ist das Brückenmonitoring ein wichtiges Instrument für die Gewährleistung der Sicherheit und Langlebigkeit von Brücken. Es liefert wertvolle Erkenntnisse, die zu Verbesserungen bei Planung und Bau künftiger Infrastrukturprojekte beitragen können.

Die strukturelle WIM-Brückendiagnose ist ein neues Konzept, das WIM-Sensoren und rauscharme triaxiale MEMS-Beschleunigungssensoren kombiniert. 

Instrumenteller Kern dieses neuen Brückenmonitoringkonzepts ist das Weight-in-Motion-Brückenwägesystem SiWIM von Cestel in Kombination mit triaxialen Beschleunigungssensoren von Dewesoft. Die Idee ist die dynamische Ermittlung des Brückenzustands auf Grundlage der Korrelation zwischen der strukturellen Antwort und der erfassten Verkehrsbelastung. Neben den Fahrzeuglasten werden mehrere andere Parameter überwacht, nämlich:

• Temperaturen 

• Dehnungen 

• Windgeschwindigkeit

• Vertikalverschiebungen

Wir installierten das System zur Überwachung der Strukturdynamik und der Gewichtsbelastung unter den Fahrbahnen des in Richtung Ljubljana führenden Brückenbauwerks.

Die Sensoren

SiWIM ist ein vollständig tragbares Weigh-in-Motion-System (WIM). Die WIM-Technologie ermöglicht das Wiegen von sich bewegenden Fahrzeugen im fließenden Verkehr. Sie bietet eine nicht-intrusive und effiziente Methode zur Erfassung von Daten zu Fahrzeuggewichten und Verkehrsmustern und wird zur Unterstützung verschiedener Verkehrs- und Infrastrukturmanagementanwendungen eingesetzt. 

Bei dieser Technologie werden Sensoren an der Unterseite der Brücke installiert. Diese können die dynamischen Radlasten der passierenden Fahrzeuge messen, und die Messungen wiederum ermöglichen die Berechnung der Fahrzeuggewichte.

Weight-in-Motion-Brückenwägesysteme (B-WIM-Systeme) werden für verschiedene Zwecke eingesetzt, darunter die Kontrolle von Nutzfahrzeugen, die Erhebung von Verkehrsdaten und das Fahrbahn- und Brückenmanagement. Bei der Kontrolle von Nutzfahrzeugen können B-WIM-Systeme übergewichtige Fahrzeuge identifizieren, die Schäden an Fahrbahnen und Brücken verursachen und ein Sicherheitsrisiko für andere Brückennutzer darstellen können. In Kombination mit einer Kamera liefert das System Übersichtsbilder von Schwerfahrzeugen, einschließlich der Erkennung und Erfassung von Kennzeichen. 

Von WIM-Systemen erfasste Verkehrsdaten können wertvolle Informationen zu Verkehrsmustern für die Verkehrsplanung und -verwaltung liefern. Schließlich ermöglichen WIM-Daten die Bewertung des strukturellen Zustands von Infrastrukturen und die Identifikation von Bereichen, die gewartet oder repariert werden müssen.

SiWIM misst im Allgemeinen die Dehnungen an den wichtigsten Längsteilen der Brücke, um Daten zu erhalten, die das Verhalten der Struktur bei Belastung durch fahrende Fahrzeuge beschreiben. Die Messungen werden mithilfe von an der Unterseite der Fahrbahndecks installierten  Dehnungsmessstreifen des Typs SiWIM ST-504 durchgeführt. Auf der Fahrbahnoberfläche sind keine Komponenten des Systems sichtbar. 

IOLITEiw-3xMEMS-ACC – ein triaxialer, rauscharmer (spektrale Rauschdichte 25 μg√Hz) Beschleunigungssensor mit integrierter Datenerfassung und EtherCAT-Schnittstelle. Das Gerät ist vollständig wasserdicht (Schutzart IP67) und kann strukturelle Beschleunigungen in der X-, Y- und Z-Achse sowie statische Neigungen und Auslenkungen messen.

Cestel verwendet ein Deflection Multi Meter (DMM) zur Echtzeitmessung der vertikalen Durchbiegung von Brücken (Abtastrate: 10 Hz) auf Grundlage eines optischen Referenzniveaus zwischen einem Laser und einem Zielpunkt. Der Laser ist auf einer stabilen (unbewegten) Oberfläche angebracht, während sich der Zielpunkt an der Stelle befindet, an der die Durchbiegung gemessen werden soll. Das Gerät hat einen Messbereich von 160 mm und eine Auflösung von 0,5 mm und ist in der Lage, Messungen über Entfernungen von bis zu 350 Metern durchzuführen.

Das Deflection Multi Meter (DMM) ist ein neues Niveaumessgerät für die Zustandsüberwachung von großen Tragwerken wie z. B. Brücken.

Das Messgerät basiert auf einem Rotationslaser – in unserem Fall vom Typ Leica Rugby 830 – und misst in Kombination mit DMM-Einheiten von mehreren Punkten aus die Durchbiegung einer Struktur. Die Echtzeitmessung macht das Gerät einzigartig im Vergleich zu anderen Messmethoden. Das DMM eignet sich zur Messung der Durchbiegung einer Brücke bei Belastungstests oder zur Langzeitüberwachung des Bauwerks.

Die Sensoren werden in Reihe geschaltet und über ein RS-485-Kabel, das auch die Betriebsspannung für das Systems liefert, von einem Computer ausgelesen. Das MODBUS-Protokoll erleichtert die Datenübertragung, so dass die DMM-Einheiten mit anderen Messsystemen verbunden werden können. Die Ergebnisse können mit jedem Messprogramm angezeigt werden, das mit dem MODBUS-Protokoll kompatibel ist.

Bei vielen Anwendungen können die DMM-Einheiten mit Klemmen oder Magneten an der Struktur befestigt werden, was die sehr schnelle und flexible Installation des Systems erlaubt.

Zur Überwachung der Umgebungs- und Asphalttemperaturen werden PT100-Temperatursensoren im Asphalt und unter der Brücke installiert.

Monitoring-Software

Die verwendete Lösung kombinierte mehrere Softwareprodukte:

• SiWIM ist ein System zur Erfassung von Verkehrsdaten. Es identifiziert das Verhalten einer Brücke anhand ihrer tatsächlichen Schnittreaktion und Lastverteilungen, die für die Umrechnung von Verkehrsbelastungen in Lastwirkungen und Achslasten in Momente und Scherkräfte maßgeblich sind.

• DewesoftX ist eine Software zur Erfassung von Test- und Messdaten für die Signalverarbeitung und die Aufzeichnung, Analyse und Visualisierung von Daten.

• Dewesoft Historian ist eine Datenbanksoftware für langfristige und permanente Überwachungsanwendungen mit Speicherung der erfassten Daten in einer InfluxDB-Zeitreihendatenbank.

• Dewesoft Artemis OMA ist eine Software-Suite für die strukturdynamische Analyse von Ingenieurbauwerken, Maschinen und anderen nur schwer in kontrollierbarer Weise anregbaren Strukturen aller Art. An den Strukturen lässt sich unter operationellen Bedingungen ein Satz von Modalparametern (wie Eigenformen, Eigenfrequenzen und Dämpfungsverhältnisse) bestimmen, wobei nur die Ausgangsantwortdaten erfasst werden.

Konfiguration des Messsystems

Die PT100-Temperatursensoren werden an das IOLITEi-1xSTG, ein Mehrzweck-Signalkonditionierungssystem auf EtherCAT-Basis, angeschlossen. Dieses System kann Signale von Spannungs- und Stromsensoren sowie von Sensoren in Voll-, Halb- und Viertelbrückenausgang erfassen. Sowohl die Erregerspannung als auch der Erregerstrom sind einstellbar. 

Auch die Vollbrücken-Dehnungsmessstreifen vom Typ SiWIM ST-504 werden mit IOLITEi-1xSTG-Verstärkern verbunden. 

Zur Messung von Beschleunigungen verwendet das System kapazitive triaxiale MEMS-Sensoren mit geringer Rauschdichte, die in die IOLITEiw-3xMEMS-ACC mit EtherCAT-Schnittstelle integriert sind. 

Die Messwerte werden von einem Mikroprozessor im IOLITE-Gerät an die auf einem Windows-PC laufende DewesoftX-Software oder an einen als EtherCAT-Master fungierenden Controller auf einer beliebigen Plattform übertragen – in diesem Fall an das SiWIM-System.

Der über ein Dewesoft-Modbus-Client-Plugin direkt mit der DewesoftX-Software verbundene DMM-Sensor gibt ein MODBUS-Signal aus.

Die von DewesoftX und dem SiWIM-System verarbeiteten Daten werden in der Dewesoft-Historian-Datenbank gespeichert. Dann werden die Überwachungsdaten mithilfe eines Monitoring-Clients (Grafana) auf High-Level-Dashboards angezeigt: 

• Temperaturen 

• Verkehrsbelastungen

• Beschleunigungen 

• Vertikalverschiebungen 

Diese Software ist webbasiert und plattformübergreifend und kann von jedem System aus aufgerufen werden.

Die Beschleunigungsrohdaten von DewesoftX werden für die Echtzeit-OMA und Schadenserkennung an per FTP Dewesoft Artemis gesendet.

Für die Stromversorgung ist das System mit zwei 300-Ah-LiFe-Akkus und vier 150-W-Solarzellen ausgestattet. 

Sensorpositionen

Bei großen Bauwerken wie Brücken stellen die Auswahl, Positionierung und Installation der Sensoren in mehrerer Hinsicht eine Herausforderung dar:

• Die Sensortypen und -positionen werden auf Grundlage des Designs und des aktuellen Zustands der Brücke ausgewählt.

• Die Platzierung der Sensoren ist durchaus komplex. Normalerweise werden sie unter dem Brückendeck installiert, manchmal aber auch in das Deck, die Brückenpfeiler oder andere Elemente eingebettet.

• Die Kabelverlegung ist aufgrund der Höhe und der großen Entfernungen kompliziert.

• Die Umgebungsbedingungen sind rau.

Die italienische Firma ESSEBI ist seit 30 Jahren in der Bauwerksdiagnostik und Zustandsüberwachung tätig. Das Kerngeschäft, dem sich das Unternehmen von Anfang an gewidmet hat, ist die Durchführung von Betriebsmodalanalysen, d. h. Output-only-Analysen. Essebi leistet Dewesoft nun als Projektintegrator bei zahlreichen SHM-Projekten in ganz Italien wichtige Unterstützung vor Ort. 

In diesem konkreten Fall leistete Essebi Beratung bei der Auswahl der Messwandler und der Konfiguration der Messpunkte (siehe Abb. 10). Vor allem konzentrierte sich das Unternehmen aber auf die Integration von SHM und WIM. 

Dazu entwickelte Essebi Korrelationsalgorithmen für beide Arten von Messungen. Unter Verwendung der beiden gängigsten Programme zur Ermittlung von Eigenformen – Simcenter Test Lab und Artemis – führte das Unternehmen in verschiedenen Zeiträumen drei doppelblinde Modalanalysen der Brücke durch. Diese Analysen lassen eine niedrigfrequente temperaturabhängige Variabilität erkennen, die zur Bewertung der Instandhaltung über die Zeit zu verfolgen ist.

Bei den von Cestel installierten Sensoren handelt es sich im Einzelnen um:

• SiWIM ST-504-Sensoren

• ein Durchbiegungs-Multimeter (Deflection Multi-Meter, DMM)

• 14x Beschleunigungssensor IOLITEiw-3xMEMS-ACC

• 5x IOLITEi-1xSTG (3x für die DMS, 2x für die Temperatursensoren) 

Die IOLITE-Geräte werden mit Hilfe eines Standard-Ethernet-Netzwerkkabels verkettet. Dank des EtherCAT-Protokolls können die-Geräte problemlos über große Entfernungen verteilt werden. Möglich sind Knoten-zu-Knoten-Abstände von bis zu 50 m mit nur einem einzigen Kabel für Signalübertragung, Stromversorgung und Synchronisation. 

Die EtherCAT-Kommunikation zwischen den Geräten gewährleistet eine Synchronisation mit einer Genauigkeit von 1 µs zwischen den von verschiedenen Geräten in der Kette stammenden Samples. Der Abstand zwischen den Geräten hat keinen Einfluss auf die Genauigkeit der Synchronisation.

Die Installation der Sensoren und die Verlegung der Kabel wurde von erfahrenen CESTEL-Mitarbeitern durchgeführt. Zum Erreichen der am, schwierigsten zugänglichen Stellen wurde eine Hebebühne eingesetzt.

Überwachung und Messungen

Die Überwachungsergebnisse, einschließlich der Lasten, Beschleunigungen, Durchbiegungen und Temperaturen, werden über die Webschnittstelle von Dewesoft Grafana dargestellt. 

Am 9. März 2023 um 20:02 Uhr überquerte ein 13-achsiger Lkw mit einem Gesamtgewicht von über 200 Tonnen die Brücke. Er verursachte eine Durchbiegung um 3,6 mm.

Das System führt automatisch eine OMA (Betriebsmodalanalyse) durch. Auf die Daten kann über speziell für diesen Zweck entwickelte Webbrowser-Schnittstellen aus der Ferne zugegriffen werden. Es werden Informationen über Eigenformen, Eigenfrequenzen und Dämpfungsverhältnisse sowie Abweichungen von normalisierten Werten angezeigt.

Fazit

CESTEL hat ein innovatives Forschungsprojekt zur dynamischen Ermittlung von Brückenzuständen initiiert, bei dem die strukturelle Antwort mit der Verkehrsbelastung korreliert wird. An der getesteten Brücke wurden mehrere Sensoren, darunter SiWIM, Beschleunigungssensoren, Dehnungsmessstreifen und Temperatursensoren, installiert.

Die Sensoren ließen sich dank der Verkettung mit nur einem Kabel problemlos entlang der Brücke anbringen. Das System speichert die erfassten Daten in Dewesoft Historian und stellt sie dann in der webbasierten Visualisierungsanwendung Dewesoft Grafana zur Verfügung. Zur Auswertung führt es eine Online-OMA durch.