Die Weltbevölkerung wächst. Nach Schätzungen der Vereinten Nationen werden im Jahr 2030 8,5 Milliarden Menschen auf der Erde leben. Damit steigt der Bedarf an zuverlässiger Infrastruktur für die Unterbringung und den Transport der Menschen weltweit.¹

Ein Teil dieser unverzichtbaren Infrastruktur sind Brücken aller Art, die den Transport von Gütern und Menschen über bisher unzugängliche Strecken ermöglichen. Die Wartung und Reparatur von Brücken zur Überwachung von Problemen und deren Behebung, bevor schwere Schäden auftreten, sind komplexe Prozesse, die durch verschiedene elektronische Sensoren erleichtert werden.

Brücken und strukturelle Zustandsüberwachung

Das Prinzip der kontinuierlichen Überwachung des baulichen Zustands (Structural Health Monitoring, SHM) besteht darin, dass es zu dem Zeitpunkt, an dem regelmäßige Sichtprüfungen Probleme aufdecken, bereits zu spät sein kann, um größere Schäden zu verhindern. Mit dem SHM lassen sich Veränderungen des Zustands überwachen, die mit dem bloßen Auge nicht ohne weiteres erkennbar sind. Mit Hilfe von SHM können Probleme frühzeitig erkannt und teure Reparaturen, Straßensperrungen und vieles mehr vermieden werden. Zwar sind die Kosten für das SHM nicht unerheblich, aber es ist ein Ansatz, der den Betrieb aufrecht erhält und potenziell Leben rettet.

Ingenieure nutzen Daten in zwei Bereichen, um Brücken instand zu halten: Reparaturen und laufende Instandhaltung. Sensoren spielen in jeder dieser Kategorien eine wichtige Rolle. Um die Sicherheit von Brücken zu gewährleisten, ist eine systematische, fortlaufende Analyse in Kombination mit der Erkennung von Fehlern erforderlich. Im Wesentlichen besteht das Ziel der Brückenanalyse darin, Probleme zu vermeiden und Fehler zu beheben, falls es doch zu Ausfällen kommt. Moderne Rechenkapazitäten und künstliche Intelligenz, die auf Daten von Sensoren zurückgreift, haben die Entwicklung hin zu einer kontinuierlichen Überwachung ebenfalls beschleunigt.

Messparameter

Um sich ein klares Bild vom Zustand einer Brücke zu machen, müssen Fachleute verschiedene Parameter messen. Dazu zählen:

• Externe Belastungen, z. B. durch Wind und Verkehr
• Strukturelle Veränderungen im Laufe der Zeit wie Dehnung, Verschiebung von Bauteilen
• Umwelteinflüsse wie Temperatur, Wind, Feuchtigkeit, Regen und andere Niederschläge, da sie den Zustand der Brücke kurz- und langfristig beeinflussen
• Umweltbedingungen wie Korrosion, die ebenfalls zum Versagen von Brückenteilen führt

Risse, Neigung von Fahrbahnen und Platten, Wasserstände in der Umgebung von Brücken, die die Festigkeit des Fundaments, auf dem die Brücken ruhen, beeinträchtigen könnten, Setzungen, Vibrationen und Ermüdung sind wichtige Faktoren. Die konkrete Kombination der von Ingenieuren zu messenden Parameter hängt von den spezifischen geografischen Gegebenheiten des Gebiets ab, in dem sich die Brücke befindet. In regenreichen Regionen muss beispielsweise die durch Regen verursachte Korrosion häufiger überwacht werden, während bei Brücken über Flüssen die mit der Erosion einhergehende Auswaschung des Flussbetts beachtet werden muss.

Verwendbare Sensoren

Die lange Liste möglicher Sensoren, die zur Messung dieser verschiedenen Parameter eingesetzt werden können, umfasst unter anderem:

• Schwingungsbasierte Überwachungsgeräte wie Beschleunigungsmesser
• Dehnungsmessstreifen für dehnungsbasierte Überwachung
• Glasfasersensoren zur Messung einer ganzen Reihe von Parametern wie Temperatur, Druck und Feuchtigkeit.
• Lastsensoren zur Überprüfung des Gewichts von Brücken
• Rissmessgeräte und Fugenmessgeräte zur Messung von Riss- und Fugenbewegungen

Trend zu IoT und Cloud-basierten Lösungen

Im Brückenbau werden routinemäßige Wartungsarbeiten zunehmend von technologiebasierten Lösungen unterstützt. Die zunehmende Verbreitung von künstlicher Intelligenz führt zu einem neuen Ansatz bei der Erfassung und Verarbeitung von Sensordaten, denn die Daten können uns über einen bestimmten Zeitraum hinweg über potenzielle Pannen informieren oder Muster für abnormales Verhalten aufzeigen.

Moderne Brückenüberwachungslösungen nutzen das Internet der Dinge (IoT), um regelmäßig Daten zu sammeln und sie an ein Datenverarbeitungsmodell in der Cloud weiterzuleiten. Im Brückenbau wird ein digitaler Zwilling aus allen eingegebenen Daten erstellt, um zu verstehen, wie sich die verschiedenen Parameter gegenseitig beeinflussen und wie sich die Änderung eines Parameters auf die anderen auswirken könnte.

Die Sensoren werden häufig mit Solarenergie betrieben oder arbeiten mit Batterien, die nur in bestimmten Zeitabständen aktiviert werden, um Energie zu sparen.

Fazit

Die Instandhaltung der Infrastruktur ist für viele staatliche und kommunale Behörden eine Aufgabe mit hoher Priorität. Deshalb arbeiten sie daran, möglichst effiziente Lösungen einzusetzen, um die richtigen Maßnahmen zu ergreifen. Moderne Sensoren, die verschiedene wichtige Parameter messen, werden auch in Zukunft ein wesentlicher Bestandteil einer technologiebasierten Lösung sein, sowohl für die laufende Überwachung als auch für notwendige Reparaturen.

Auch in Zukunft wird der Brückenbau moderne Technologien wie Machine Learning und künstliche Intelligenz einbeziehen, da er zunehmend Cloud-basierte IoT-Lösungen für die Überwachung einsetzt.

Ausführliche Informationen zu Lösungen für die Brückenüberwachung finden Sie im Begleitartikel Sensoren für die Brückenüberwachung.