Fallstudie
Von Thomas Sturm Moreira, CEO, HochBau Engineering, Chile

Die Carretera Austral (offiziell Ruta CH-7) ist die Lebensader der südchilenischen Region Aysén. Das chilenische Ministerium für öffentliche Arbeiten beauftragt private Unternehmen mit der Inspektion, Prüfung und Verifizierung seiner Ingenieurbauwerke.

HochBau wurde beauftragt, bei Belastungstests an zwei Hängebrücken der Landstraße dynamische Messungen durchzuführen. Die Umgebungsbedingungen, die strukturellen Designs und der Zeitdruck stellten eine ziemliche Herausforderung dar, für die IOLITE 3xMEMS-ACC aber eine praktische und kostengünstige Lösung bot. Mit einer Reihe dieser rauscharmen triaxialen MEMS-Beschleunigungssensoren, bei denen für die Datenübertragung und die Stromversorgung dasselbe Ethernet-Kabel verwendet wird, konnte die Aufgabe erfolgreich bewältigt werden.

Hängebrücke: Finis Terrae

Finis Terrae – eine Straße zum Ende der Welt

Die Carretera Austral, was frei übersetzt so viel wie „Südliche Landstraße“ bedeutet, ist das infrastrukturelle Rückgrat der südchilenischen Region Aysén. Sie ist für spektakuläre Landschaften und ein besonders raues Klima bekannt und stellt eine wichtige Touristenattraktion für internationale und einheimische Abenteurer dar.

Die Straße verläuft von Puerto Montt nach Villa O'Higgins über 1240 Kilometer in Richtung Süden und führt dabei durch das ländliche Patagonien. Dieses Gebiet ist nur dünn besiedelt, doch ohne die Carretera Austral hätten die Bewohner keine Landverbindung zum Norden Chiles.

Die wechselvolle, schroffe Geografie und die großen Flüsse – die im Gegensatz zu den „Flüssen“ im Norden des Landes tatsächlich ganzjährig Wasser führen – machten es zwingend erforderlich, die Straße mit großen Hängebrücken und Fährverbindungen über die breiteren Fjorde auszustatten.

Lage der Carretera Austral (Google Maps)Abb. 1: Lage der Carretera Austral (Google Maps)

Der größte Teil der Infrastruktur der Carretera Austral wurde in den 1990er-Jahren gebaut oder ausgebaut. Daher war nun eine gründliche Inspektion und Analyse fällig. Um den aktuellen Zustand der wichtigsten Hängebrücken in der Region Aysén zu beurteilen, beauftragt das Ministerium für öffentliche Arbeiten (MOP) im Rahmen öffentlicher Ausschreibungen private Unternehmen mit der Inspektion, Prüfung und Verifizierung der Bauwerke.

Im Rahmen dieser Maßnahme erhielt das große Straßenbauunternehmen R&Q vom MOP den Auftrag zur Bewertung der Brücken über die Flüsse Río Palena und Río Rosselot in der Nähe der Stadt La Junta. R&Q wiederum beauftragte COWI mit der Bewertung der Baukonstruktion, MRH mit der Inspektion und HochBau mit der Durchführung dynamischer Messungen im Rahmen von Belastungstests.

Die Hängebrücken

Die Palena- und die Rosselot-Brücke sind Hängebrücken mit Spannweiten von 150 m bzw. 130 m und verfügen jeweils über zwei metallene Pylone, über die die Tragseile geführt werden. Die Brückenfahrbahnen aus Stahlbeton werden von vertikalen Stäben getragen, die an den Haupttragseilen hängen. Die Fahrbahnen sind seitlich mit 2,10 m hohem Stahlträger-Fachwerk versteift.

Bei den Inspektionsarbeiten wurden mehrere Brüche in der Nähe der Verbindungen der Versteifungsfachwerke und diverse andere Mängel festgestellt. Außerdem verfügen die Fahrbahnen im Gegensatz zu den meisten anderen Hängebrücken über mehrere über ihre Spannweite verteilte Dehnungsfugen, die uneben sind und verschlissene Kanten aufweisen.

Die Palena-BrückeAbb. 2: Die Palena-Brücke

Die Rosselot-BrückeAbb. 3: Die Rosselot-Brücke

HochBau hatte den Auftrag, im Rahmen der Belastungstests, denen die Brücken unterzogen wurden, ihr dynamisches Verhalten zu messen. Für die Belastungstests wurde ein dreiachsiger 23-Tonnen-Lkw verwendet.

Ein dreiachsiger Lkw auf der Rosselot-BrückeAbb. 4: Ein dreiachsiger Lkw auf der Rosselot-Brücke

Es wurden drei verschiedene Tests durchgeführt:

  1. Statischer Belastungstest: Der Lastwagen wurde bei einem Viertel, der Hälfte und drei Vierteln der Brückenspannweite abgestellt und die Durchbiegung der Brücken mit einem Baunivellier gemessen.
  2. Dynamischer Belastungstest: Der Lkw passierte die Brücken in beiden Richtungen mit 5 km/h, 15 km/h und 25 km/h, während dynamische Messungen durchgeführt wurden. Während der Tests wurde das dynamische Verhalten der Brücken aufgezeichnet.
  3. Umgebungsschwingungsmessungen: Die Reaktionen der Brücken auf ambiente Schwingungsanregungen (Wind, Fluss, geringer Verkehr usw.) wurden aufgezeichnet und die Ergebnisse zur Bestimmung der Eigenfrequenzen und Eigenformen (Betriebsmodalanalyse, OMA) verwendet.

Die Hürden – Arbeit im Regen

Die Messungen während der dynamischen Belastungstests und der Umgebungsschwingungsmessungen wurden von HochBau durchgeführt. Mit dem Auftraggeber wurde vereinbart, dass insgesamt sechs Beschleunigungsmesspunkte einzurichten wären, nämlich jeweils einer auf beiden Seiten bei einem Viertel, der Hälfte und drei Vierteln der Brückenspannweite. An allen Punkten sollten zumindest die Vertikal- und die Querrichtung sowie darüber hinaus an mindestens zwei weiteren Punkten die Längsrichtung gemessen werden, womit es also schon mindestens 14 Kanäle gab.

Um dieses Vorhaben erfolgreich zu gestalten, waren mehrere Hürden zu bewältigen, darunter:

  1. Die geografische Lage: La Junta liegt 1415 km von der chilenischen Hauptstadt Santiago entfernt. Alle Messsysteme, Werkzeuge und Vorräte mussten mit dem Auto dorthin gebracht werden. Es war eine sorgfältige Planung erforderlich, denn wurde etwas vergessen, dann war es in Aysén nicht mehr zu bekommen.
  2. Geringe Vorlaufzeit: Die Lieferung von Hardware braucht ihre Zeit. Die Lieferung inmitten einer Pandemie sowie eines Mangels an Chips und an Aluminium braucht sogar noch länger. Da uns von der Ankündigung bis zur Ausführung der Arbeiten vor Ort nur zwei Monate zur Verfügung standen, war die Zeit knapp.
  3. Flexible Struktur: In technologischer Hinsicht musste eine Entscheidung über die zu verwendende Sensortechnologie getroffen werden: Piezoelektrik, MEMS oder Kraftausgleich? Die niedrigsten Eigenfrequenzen der Brücken nicht bekannt, aber es wurde intuitiv davon ausgegangen, dass sie deutlich unter 1 Hz liegen.
  4. Brückenlängen: Die Brücken besitzen keine Berme, daher gibt es an ihnen keine Stelle, von der aus eine Person die Messungen aufzeichnen und überwachen könnte. Die Brückenlängen erforderten lange Kabel. Bei Verwendung analoger Kabel wäre es nötig gewesen, die Messgeräte in die Nähe der Sensoren zu bringen, da selbst die kürzeste Kabellänge wohl schon über 40 m betragen hätte.
  5. Installationszeit: Das Messsystem musste in kurzer Zeit installiert werden und messbereit sein, und zwar am selben Tag, an dem die Belastungstests durchgeführt werden sollten. Eine Vorinstallation des Systems kam nicht in Frage, da (zumindest hier in Lateinamerika) die reale Gefahr eines Diebstahl der Ausrüstung oder der Kabel bestanden hätte.
  6. Die Wetterbedingungen: Chile ist als ein weitgehend trockenes Land bekannt, das sogar die trockenste Wüste der Welt beherbergt. Trotzdem zählt die Region Aysén zu den regenreichsten der Welt. Obwohl es dort das ganze Jahr über regnet, wurden die Tests im Juli, also mitten im südamerikanischen Winter, durchgeführt. Heftigste Niederschläge und Temperaturen nahe dem Gefrierpunkt waren somit garantiert.

Für raue Bedingungen geeignet

Unter Berücksichtigung aller oben genannten Aspekte mussten einige praktische wie auch technische Entscheidungen getroffen werden. Die Beschleunigungssensoren mussten aufgrund der niedrigen zu messenden Frequenzen eine Gleichstromkomponente (0 Hz) aufweisen, weshalb piezoelektrische Sensoren als Option ausfielen.

Was MEMS- und Kraftausgleich-Sensoren betrifft, bieten letztere einen wesentlich höheren Dynamikbereich und wären unsere erste Wahl gewesen, wenn wir ein sehr hohes oder seismisch isoliertes Gebäude hätten messen wollen. Für die dynamischen Tests sind jedoch beide geeignet. Aber würde das Signal-Rausch-Verhältnis für die Messung der Umgebungsschwingungen ausreichen?

Wir wussten, dass die ambiente Schwingungsanregung bei dieser Kampagne selbst für den 90-dB-Dynamikbereich von MEMS groß genug sein würde. Aber dann war da noch das Problem der Verkabelung. Bei Verwendung analoger Sensoren mussten die Datenerfassungsgeräte in ihrer Nähe platziert werden. Vierzehn Kabel mit einer Länge zwischen 45 m und 105 m waren jedoch keine Option, nicht nur wegen der Kosten, sondern auch wegen des zusätzlichen Rauschens, das sie in die gemessenen Signale einbringen würden.

  Piezoelektrisch (IEPE) Kraftausgleich MEMS
Niederfrequenzgang Akzeptabel Ausgezeichnet Ausgezeichnet
Hochfrequenzgang Hoch Niedrig Akzeptabel
Sensorkosten Akzeptabel Hoch Niedrig
Dynamikbereich Gut Ausgezeichnet Akzeptabel
Verkabelungskosten Akzeptabel Akzeptabel Ausgezeichnet

Die typischen Dynamikbereiche verschiedener BeschleunigungssensortechnologienAbb. 5: Die typischen Dynamikbereiche verschiedener Beschleunigungssensortechnologien

Glücklicherweise stand eine praktische und kostengünstige Messlösung zur Verfügung. Der IOLITE 3xMEMS-ACC vereint einen rauscharmen triaxialen MEMS-Beschleunigungssensor und ein Analog-Digital-Wandler-Modul (d. h. eine lokale Datenerfassung) in einem einzigen, relativ kleinen Gerät. Da die Messgrößen im Sensor digitalisiert werden, erfolgt die Abfrage der Ergebnisse digital über das EtherCAT-Protokoll via Ethernet-Kabel (CAT5e oder CAT6).

Das EtherCAT-Protokoll bietet den Vorteil der Zeitsynchronisation zwischen allen Sensoren und erlaubt zudem, die Sensoren in Serie oder – mit einem Beckhoff EtherCAT-Switch – in Abzweigungen zu verbinden. Zusätzlich unterstützen die Sensoren Power-over-Ethernet (PoE), was es ermöglicht, den Sensor über das gleiche Kabel zu versorgen, über das auch die abgefragten Daten transportiert werden, so dass die Stromversorgung nicht über lange Kabel zu jedem einzelnen Sensor erfolgen muss.

Abgerundet wird das Ganze dadurch, dass die Sensoren in einem IP67-Aluminiumgehäuse erhältlich sind, was die Entscheidung zu ihren Gunsten sehr vereinfachte. Zur Gewährleistung der Wasserdichtigkeit muss das Netzwerkkabel vor dem Crimpen des RJ45-Steckers durch die wasserdichten Kabelverschraubungen geführt werden, dann kann der Deckel des Aluminiumgehäuses geschlossen werden.

Nun freuen Sie sich aber noch nicht zu sehr. Erinnern Sie sich an das Problem mit der Lieferung bzw. Lieferkette? Die Fertigungs- und Lieferzeiten von Dewesoft erlaubten so kurzfristig nur die Lieferung von drei wasserdichten MEMS. Glücklicherweise konnten wir aber bei unserem lokalen Anbieter Varitec noch weitere drei Indoor-MEMS leasen.

Damit waren jetzt nur noch zwei Probleme zu lösen:

  • Wie konnten wir die Indoor-MEMS wasserdicht machen?
  • Wie konnten wir das Öffnen der wasserdichten MEMS vor Ort zum Crimpen der Ethernet-Kabel vermeiden?

Letzteres hätte zudem vor Ort auch noch ziemlich viel Zeit in Anspruch genommen. Letztlich mussten wir auf Methoden der alten Schule zurückgreifen, indem wir die Indoor-MEMS in Plastikfolie einwickelten und an den wasserdichten MEMS 30 cm lange Ethernet-Kabel vorinstallierten.

Diese Kabel wurden dann über RJ45-Koppler mit den längeren Kabeln verbunden. Wegen der Rauheit der Betonfahrbahn montierten wir die MEMS auf dicken Stahlplatten, die mit der Brückenfahrbahn verschraubt wurden.

Die installierten MEMS-Beschleunigungssensoren: links die Indoor-, rechts die wasserdichte VersionAbb. 6: Die installierten MEMS-Beschleunigungssensoren: links die Indoor-, rechts die wasserdichte Version

Nun fehlte nur noch das Systemlayout. In Absprache mit dem Technischen Support von Varitec wurde einer Kettenarchitektur mit einer 250 m langen CAT6-Leitung der Vorzug vor einer Verzweigungsarchitektur gegeben, da so nur ein einziger PoE- und kein EtherCAT-Switch erforderlich war.
Abb. 7 zeigt am Beispiel der Palena-Brücke, wo die Sensoren platziert und wie die Kabel verlegt wurden. Vom dritten zum vierten MEMS wurde das Kabel durch die Dehnungsfugen der Brücke geführt. Da die Messsoftware auf einem Notebook installiert und an einem trockenen und sicheren Ort untergebracht werden musste, wurde jeweils ein Auto (SUV) in der Nähe der Brückeneinfahrt geparkt (Kontrollstation), von dem aus das System zudem mittels eines mobilen Benzingenerators mit Strom versorgt wurde.

Systemlayout Palena-BrückeAbb. 7: Systemlayout Palena-Brücke

Aber es gab noch ein letztes Problem. Vom Auto aus hatte der Messtechniker keine Sicht auf die Brückendecke und den vorbeifahrenden Lkw und hätte daher blind arbeiten und sich ausschließlich auf den Funkverkehr verlassen müssen. Deshalb wurde an den Brückeneinfahrten jeweils eine USB-Webcam platziert und in die DewesoftX-Umgebung integriert. Die Entfernung von 15 m zu den Brücken wurde mit einem USB-over-Ethernet-Extender überwunden.

Die Probleme und die Messergebnisse

Wie bereits erwähnt, wurden Messungen mit dem mit verschiedenen Geschwindigkeiten fahrenden Lkw sowie Umgebungsschwingungsmessungen durchgeführt.

Die Messungen im Rahmen der dynamischen Belastungstests ergaben, dass die RMS-Werte der Reaktion der Brücken linear mit der Geschwindigkeit zunahmen und in vertikaler Richtung am größten waren (etwa 0,01 g bei 25 km/h). Es ist jedoch auch zu beobachten, dass es während der Vorbeifahrt des Lkw unabhängig von der Geschwindigkeit jeweils mehrere Stöße mit Scheitelfaktoren bis zu 14 gab, die in vertikaler Richtung bis zu 0,15 g und in seitlicher Richtung 0,06 g erreichten.

Die Beobachtung der synchronisierten Webcam-Aufnahmen ließ den Schluss zu, dass diese Stöße durch die unebenen und verschlissenen Dehnungsfugen verursacht oder zumindest verstärkt wurden.

Überwachung der dynamischen Belastungstests (links) und das bei den Messungen verwendete Dashboard (rechts)Abb. 8: Überwachung der dynamischen Belastungstests (links) und das bei den Messungen verwendete Dashboard (rechts)

Anhand der aufgezeichneten Umgebungsschwingungen wurden die Eigenfrequenzen und Eigenformen der Brücken bestimmt. Die Abb. 9 bis 11 zeigen dies am Beispiel der Palena-Brücke. Die erste horizontale Mode war deutlich kleiner als anhand des Finite-Elemente-Modells vorhergesagt, was in Anbetracht der bei der visuellen Inspektion festgestellten strukturellen Defizite jedoch auch so erwartet worden war.

Außerdem wurden die ersten drei vertikalen Schwingungsformen eindeutig identifiziert. Diese Ergebnisse waren für die Bauingenieure ein wertvoller Input für die Kalibrierung ihrer Finite-Elemente-Modelle für weitere Analysen und die Bewertung möglicher Nachrüstungsoptionen.

 

Horizontale (links) und Torsionsmoden (rechts) der Palena-BrückeAbb. 9: Horizontale (links) und Torsionsmoden (rechts) der Palena-Brücke

Erste (links) und zweite (rechts) vertikale Mode der Palena-BrückeAbb. 10: Erste (links) und zweite (rechts) vertikale Mode der Palena-Brücke

Dritte vertikale Mode der Palena-Brücke
Abb. 11: Dritte vertikale Mode der Palena-Brücke

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Messkampagnen je nach Standort auf sehr unterschiedliche Bedingungen treffen können. Wenn starker Regen an abgelegenen Standorten hinzukommt, müssen alle Details der Systemarchitektur und der Logistik mit noch größerer Sorgfalt behandelt werden als ohnehin schon.

Die dynamischen Messungen im Rahmen der Belastungstests mit dem Lkw haben sich als wertvoller Input für die Bauingenieure zur Beurteilung des aktuellen Zustands der Hängebrücken erwiesen. Die möglichen Nachrüstungsvorschläge und die Verlängerung ihrer Lebensdauer können dank der erfassten Daten nun mit einem kalibrierten Finite-Elemente-Modell statt nur mit einem theoretischen Modell bewertet werden.

Diese Feldstudie belegt, wie wichtig die Überwachung von Brücken und anderen kritischen Infrastrukturen ist. Angesichts der sinkenden Technologiekosten und der zunehmend besseren Konnektivität selbst an abgelegenen Orten (denken Sie etwa an 5G-Mobilfunknetze oder Starlink) streben wir die Entwicklung von Systemen für die kontinuierliche und permanente strukturelle Zustandsüberwachung (Structural Health Monitoring, SHM) für die Brücken von heute und morgen an.

PS: Bei Messungen an zwei weiteren, noch weiter südlich in Patagonien gelegenen Hängebrücken wurde kürzlich ein erweitertes System mit Dehnungsmessstreifen und Widerstandsthermometern verwendet.