eJournals Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur 1/1

Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur
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Intelligentes Monitoring von Brückenbauwerken mit innovativen Sensoren

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Till Büttner
Christian Helm
Die Nutzung von Straßenbrücken wird sowohl durch Undichtigkeiten in der Abdichtung und daraus folgende chloridinduzierte Korrosionsschäden als auch durch Tragfähigkeitsdefizite bei Bestandsbauwerken maßgeblich begrenzt. Oft sind aufwendige Instandsetzungsarbeiten erforderlich, die zu starken Verkehrsbehinderungen führen. Mittels innovativer Sensoren sowie Datenverarbeitungskonzepten kann der Zustand von Brückenbauwerken vollflächig und in Echtzeit überwacht werden, so dass seitens der Betreiber der Bauwerke der Zustand des Bauwerks zu jedem Zeitpunkt bekannt ist und Instandsetzungsmaßnahmen in Abhängigkeit des Zustands sowie der Verkehrssituation geplant und ausgeführt werden können. So können auch Kosten der Instandsetzung reduziert werden, da Instandsetzungsmaßnahmen bedarfsorientiert ausgeführt werden können. Im Bereich der diskreten Sensoren zur Erfassung dauerhaftigkeitsrelevanter Parameter konzentrieren sich aktuelle Entwicklungen vor allem auf die Netzwerktechnologie zum kabellosen Datentransfer in cloudbasierte Speicher sowie die speziellen Erfordernisse beim Einbau in Bestandsbauwerke. Dazu wurde kürzlich am Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University das Projekt „Asset Management 2.0“ (gefördert durch EFRE, NRW, Provincie Limburg, Provincie Gelderland) abgeschlossen. Einen weiteren Sensor stellt SMART-DECK dar, welches aus einer dünnen, 35 mm starken, multifunktionalen Zwischenschicht aus Textilbeton besteht und den Zustand der Abdichtung während des Betriebs des Bauwerks vollflächig überwachen kann. Bei eventuell auftretenden Undichtigkeiten wird ein präventiver Schutz der Bewehrung ohne Beeinträchtigung des laufenden Verkehrs mittels eines präventiven kathodischen Korrosionsschutzes vorgenommen. Gleichzeitig bietet das System die Möglichkeit, die Biege- und Querkrafttragfähigkeit der Fahrbahnplatte in Querrichtung zu erhöhen. SMART-DECK wurde im Rahmen eines Verbundforschungsvorhabens (gefördert vom BMBF) erarbeitet. Die Umsetzbarkeit beider Systeme unter realen Baustellenbedingungen konnte im Zuge einer realen Baumaßnahme realisiert und so die Anwendbarkeit der entwickelten Systeme unter Praxisbedingungen gezeigt werden. Nach der erfolgreichen Realisierung werden seit Mitte 2019 die Messdaten aufgezeichnet und im Rahmen weiterer Untersuchungen analysiert.
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1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 147 Intelligentes Monitoring von Brückenbauwerken mit innovativen Sensoren Dr.-Ing. Till Büttner Massenberg GmbH, Essen Dr.-Ing. Christian Helm Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University, Aachen Zusammenfassung Die Nutzung von Straßenbrücken wird sowohl durch Undichtigkeiten in der Abdichtung und daraus folgende chloridinduzierte Korrosionsschäden als auch durch Tragfähigkeitsdefizite bei Bestandsbauwerken maßgeblich begrenzt. Oft sind aufwendige Instandsetzungsarbeiten erforderlich, die zu starken Verkehrsbehinderungen führen. Mittels innovativer Sensoren sowie Datenverarbeitungskonzepten kann der Zustand von Brückenbauwerken vollflächig und in Echtzeit überwacht werden, so dass seitens der Betreiber der Bauwerke der Zustand des Bauwerks zu jedem Zeitpunkt bekannt ist und Instandsetzungsmaßnahmen in Abhängigkeit des Zustands sowie der Verkehrssituation geplant und ausgeführt werden können. So können auch Kosten der Instandsetzung reduziert werden, da Instandsetzungsmaßnahmen bedarfsorientiert ausgeführt werden können. Im Bereich der diskreten Sensoren zur Erfassung dauerhaftigkeitsrelevanter Parameter konzentrieren sich aktuelle Entwicklungen vor allem auf die Netzwerktechnologie zum kabellosen Datentransfer in cloudbasierte Speicher sowie die speziellen Erfordernisse beim Einbau in Bestandsbauwerke. Dazu wurde kürzlich am Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen University das Projekt „Asset Management 2.0“ (gefördert durch EFRE, NRW, Provincie Limburg, Provincie Gelderland) abgeschlossen. Einen weiteren Sensor stellt SMART-DECK dar, welches aus einer dünnen, 35 mm starken, multifunktionalen Zwischenschicht aus Textilbeton besteht und den Zustand der Abdichtung während des Betriebs des Bauwerks vollflächig überwachen kann. Bei eventuell auftretenden Undichtigkeiten wird ein präventiver Schutz der Bewehrung ohne Beeinträchtigung des laufenden Verkehrs mittels eines präventiven kathodischen Korrosionsschutzes vorgenommen. Gleichzeitig bietet das System die Möglichkeit, die Biege- und Querkrafttragfähigkeit der Fahrbahnplatte in Querrichtung zu erhöhen. SMART-DECK wurde im Rahmen eines Verbundforschungsvorhabens (gefördert vom BMBF) erarbeitet. Die Umsetzbarkeit beider Systeme unter realen Baustellenbedingungen konnte im Zuge einer realen Baumaßnahme realisiert und so die Anwendbarkeit der entwickelten Systeme unter Praxisbedingungen gezeigt werden. Nach der erfolgreichen Realisierung werden seit Mitte 2019 die Messdaten aufgezeichnet und im Rahmen weiterer Untersuchungen analysiert 1. Einleitung Die Dauerhaftigkeit von Infrastrukturbauwerken wird heute im Wesentlichen über ein deskriptives Bemessungskonzept sichergestellt, bei dem die jeweiligen Bauteile einer Expositionsklasse zugeordnet und die betontechnischen Parameter sowie die Betondeckung entsprechend gewählt werden. Dieses Verfahren hat sich bewährt, jedoch wird die reale Exposition der Konstruktion nicht berücksichtigt. Diese kann durch Zuhilfenahme von diskreten Sensoren gemessen werden und durch Verwendung entsprechender Schädigungsmodelle Dauerhaftigkeitsreserven oder -defizite aufzeigen, deren Kenntnis für das Erhaltungsmanagement wertvoll sein kann. Allerdings wird die Dauerhaftigkeit von Infrastrukturbauwerken häufig maßgeblich von unterläufigen Abdichtungen sowie schadhaften Fugen- oder Übergangsprofilen und dem damit verbundenen Eintrag von Chloriden in die Konstruktion negativ beeinflusst [1]. Trotz der regelmäßig alle drei bzw. sechs Jahre stattfindenden Bauwerksprüfungen kann die Korrosion der Bewehrung oft erst erkannt werden, wenn bereits ein erhebliches Schädigungsausmaß vorliegt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei den Bauwerksprüfungen nur die sichtbaren Flächen, d. h. die Unterseite der Fahrbahntafel, die Innenseite und Außenseiten eines Hohlkastens oder des Kragarms, untersucht werden können. Die Folge von Chlorideintrag von der Oberseite (d. h. durch die Fahrbahndecke und undichte Abdichtungen) in die Bauwerkskonstruktion 148 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Intelligentes Monitoring von Brückenbauwerken mit innovativen Sensoren sind umfangreiche Instandsetzungmaßnahmen, die zu erheblichen Verkehrsbehinderungen und signifikanten volkswirtschaftlichen Verlusten führen können [2]. Ein vollflächiges Monitoring hinsichtlich der Dichtigkeit der Abdichtung von Infrastrukturbauwerken ist aktuell nicht üblich und am Markt nicht verfügbar. Sofern ein Monitoring ausgeführt wird, sind es lokal messende Sensoren, die einen begrenzten Messradius aufweisen. Tritt außerhalb dieses Radius eine Undichtigkeit auf, kann diese nicht detektiert werden [3]. 2. Sensor- und Datenverarbeitungskonzepte für Brückenbauwerke Der Zustand sowie die Funktionsfähigkeit und Sicherheit von Ingenieurbauwerken sind nur durch eine regelmäßige Inspektion zu gewährleisten. Die Inspektionen erfolgen in der Regel durch aufwändige Vor-Ort-Begehungen und manuell durchgeführte Prüfmessungen. Dabei werden verschiedenste Messsensoren, die unterschiedliche Größen, wie beispielsweise die chemische und mechanische Belastung oder korrosionsrelevante Messgrößen erfassen, genutzt. Die Messdaten werden zumeist händisch in Listen und Tabellen gesammelt und ggf. einer rechnergestützten Analyse, wiederum durch händische Dateneingabe, zugeführt. Dadurch können Rückschlüsse auf die Ursache eines Schadens gezogen oder mit geeigneten Schadensmodellen gefährdete Stellen frühzeitig identifiziert werden. Das erfordert einen hohen Personalaufwand und ist fehleranfällig. Vielfach könnten die Analysen zu deutlich besseren Ergebnissen führen, wenn Messwerte z.B. in höherer zeitlicher und/ oder räumlicher Auflösung vorlägen und zur Analyse stärker fusioniert würden. Diese Möglichkeiten können bisher aus den folgenden Gründen meist jedoch nicht genutzt werden: • Die Sensoren besitzen keine autarke Stromversorgung. Die Verlegung von Stromversorgungs- und Datenkabeln zu den Sensoren ist aufwändig und teuer. • Durch den hohen Individualisierungsgrad der Sensoren sind diese häufig kostspielig. • Aufgrund der hohen Kosten werden die Bauwerke nicht ausreichend dicht mit Sensoren bestückt. • Die Daten der Sensoren besitzen kein einheitliches Format. • Es fehlen Schnittstellen, um die Messdaten medienbruchfrei übertragen zu können. • Es gibt keine zentrale Sammelstelle (z.B. Cloud-Lösung) für die Daten der Sensoren. • Aufgrund der fehlenden Sammelstelle kann keine Korrelation der Bauwerksdaten vorgenommen werden. Insgesamt zeigt sich, dass die gesamte Prozesskette von der Datenerfassung vor Ort über die Datenverwaltung bis hin zur Analyse und Auswertung der Daten im Post- Prozess lückenhaft, von Medienbrüchen und händischen Arbeiten durchzogen und damit nicht optimiert ist. Nachfolgend werden zwei neuartige Monitoring Konzepte vorgestellt, die jedes für sich einen geschlossenen Ansatz für die dauerhafte Zustandserfassung von Ingenieurbauwerken, insbesondere Stahlbetonbrücken, darstellen. Der Hauptunterschied der Systeme liegt in der räumlichen Ausdehnung der Messfelder. Je nach Anforderung an die Überwachung eines Bauwerks können die beiden Systeme parallel oder einzeln an einem Bauwerk angewendet werden. Im Rahmen des Demonstrators für die Anwendung der Sensoren wurden beide Systeme an einem Bauwerk angewendet. 3. Diskrete Sensoren für Brückenbauwerke Es existiert eine Vielzahl von diskreten Sensortypen, welche für Messungen im Rahmen von Dauerhaftigkeitsbetrachtungen von Stahlbetonbauwerken in Frage kommen. Relevante Messgrößen könnten z.B. sein: • Potential • Elektrolytwiderstand • Polarisationswiderstand • Makroelementstrom • Chloridkonzentration • pH-Wert • Feuchte • Temperatur Im Rahmen des Projektes Asset Management 2.0 sollte ein Monitoring System für Ingenieurbauwerke entwickelt werden, welches Rückschlüsse auf Frostschäden, Carbonatisierung und Chlorideindringen liefert. Aus diesem Grund wurde der spezifische Elektrolytwiderstand als Messgröße gewählt, da dieser Rückschlüsse auf die wesentlichen Einflussgrößen der genannten Prozesse zulässt, vgl. Tabelle 1. Einflussfaktoren auf den spez. Elektrolytwiderstand Spez. Elektrolytwiderstand Feuchtegehalt + -- Carbonatisierung + + Chloridgehalt + -- Temperatur + -- Tabelle 1: Qualitativer Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen und dem spezifischen Elektrolytwiderstand. Für den Sensor wurde ein Aufbau gewählt, der auf einem zylindrischen Körper aus beabstandeten Metallringen mit nichtleitenden Kunststoffabstandhaltern beruht, der von der klassischen Multiringelektrode her bekannt und für die tiefengestaffelte Messung von Elektrolytwider- 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 149 Intelligentes Monitoring von Brückenbauwerken mit innovativen Sensoren ständen etabliert ist. Allerdings wurde der Sensor deutlich größer gewählt, um die Messelektronik sowie Batterien integrieren und so auf eine Verkabelung am Bauwerk verzichten zu können. Abbildung 1: Aufbau Widerstandssensor Für Die kabellose Datenübertragung wurde eine Übertragung per LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) gewählt, da sich dieser Standard für IoT-Anwendungen (Internet of Things) etabliert hat und die geringen Datenmengen besonders energieeffizient zum Gateway übertragen kann. Abbildung 2: Aufbau Datenerfassung Die Vorteile von LoRa sind dabei: • Offener Funkstandard der in vielen IoT-Anwendungen verwendet wird • Lizenzfreie Radiofrequenzen im Sub-Gigahertz Frequenzband (Europa: 868 MHz) • Lange Distanzen: 500 m bis 1 km • Geringer Stromverbrauch, geringe Übertragungsrate (bis 50 kBit/ s) Das Gateway Empfängt und sammelt die Messdaten der Sensoren. Die Stromversorgung erfolgt über ein Solarpanel. Die gesammelten Daten werden über das LTE-Netz an einen Server gesendet. Dort stehen sie dann dem Betreiber für die Verwendung innerhalb der unterstellten Schädigungsmodelle zur Verfügung. 4. Das System SMART-DECK Das System SMART-DECK bietet erstmals am Markt eine vollflächige Monitoringlösung, die um zwei weitere Funktionalitäten erweitert wird, so dass das Gesamtsystem die folgenden Funktionalitäten aufweist: • vollflächiges Echtzeit-Feuchtemonitoring, • abschnittsweise steuerbaren, präventiven kathodischen Korrosionsschutz (pKKS), der mittels Fremdstrom die Depassivierung der Bewehrung verzögert [4] sowie • Erhöhung der Tragfähigkeit in Querrichtung (bei Bestandsbrücken). Das vollflächige Monitoring ermöglicht ein frühzeitiges Erkennen von Undichtigkeiten und damit einem möglichen Eindringen von Chloriden in die Konstruktion. Mittels des pKKS, der im Falle von Undichtigkeiten lokal aktiviert werden kann, ist es möglich die Stahlbewehrung des Überbaus aktiv vor Korrosion zu schützen und damit erforderliche Instandsetzungsmaßnahmen nicht unmittelbar ausführen zu müssen, sondern es besteht die Möglichkeit diese in verkehrsgünstige Perioden zu verschieben. Ferner wird mittels SMART-DECK der Überbau in Querrichtung verstärkt. Üblicherweise erfolgt die Verstärkung von Brückenbauwerken in Querrichtung momentan z.B. mit in Schlitzen eingebettetem Bewehrungsstahl. Textilbewehrte KKS-Systeme sind aktuell am Markt verfügbar - siehe u.a. [5] - allerdings handelt es sich um KKS-Systeme, bei denen die textile Bewehrung nicht als Sensor und Verstärkung verwendet wird. Alle drei Funktionalitäten werden mit Hilfe einer textilen Carbonbewehrung in Kombination mit einem Spezialmörtel realisiert, die das Eigengewicht der Konstruktion nicht signifikant erhöht. Die textilbewehrte Schicht wird auf der Oberseite der Brückenfahrbahnplatte zwischen Bestandsüberbau sowie Brückenbelag und damit unterhalb der Abdichtung appliziert. Die Bewehrung wird so angeordnet, dass der Brückenüberbau in einzelne Felder unterteilt wird und damit zum einen abschnittsweise der Zustand der Abdichtung überwacht und zum anderen der pKKS, sofern erforderlich, ebenfalls abschnittsweise aktiviert werden kann (Bild 3). Abbildung 3: Übersicht der Funktionalität von SMART- DECK und den Zustand der Abdichtung; grün: intakte 150 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Intelligentes Monitoring von Brückenbauwerken mit innovativen Sensoren Abdichtung, gelb: signifikanter Widerstandsabfall; rot: Grenzwert Widerstand unterschritten, Undichtigkeiten vorhanden und pKKS erforderlich In Abhängigkeit der bei einem individuellen Bauwerk erforderlichen Maßnahmen, ist SMART-DECK modular aufgebaut, wie in dem nachfolgenden Bild dargestellt. Die maximale Ausbaustufe des Systems ist die Kombination aller drei Funktionalitäten, die anderen Möglichkeiten stellen sinnvolle Kombinationen oder Einzelanwendungen einer der möglichen Funktionalitäten dar. Liegt z.B. keine Notwendigkeit eines Monitorings vor, kann das System als ausschließliches Verstärkungssystem konzipiert werden. Die Anwendung als ausschließliches KKS-System ist keine planmäßige Anwendung von SMART-DECK, sondern das KKS soll immer als präventives KKS in Kombination mit einem Monitoring- System verwendet werden. Die Modularität hat auch zur Folge, dass der Einsatz des Systems grundsätzlich bei Neubauten oder bei Bestandsbauwerken möglich ist. Abbildung 4: Übersicht über die modularen Funktionalitäten von SMART-DECK Der grundsätzliche Aufbau des Systems SMART-DECK ist für alle Anwendungsfälle - Instandsetzung oder Neubau - identisch (vgl. Detail A; Bild 3): • 35 mm Hochleistungsmörtel mit • 2 Lagen Carbonbewehrung mit elektrischen Anschlüssen für Monitoring und pKKS, die nach außen geführt werden. Das System SMART-DECK wurde im Rahmen eines Verbundforschungsprogramms innerhalb der Förderlinie HighTechMatBau des BMBF erarbeitet. Innerhalb des Forschungsverbundes waren sowohl Partner aus der Forschung - das Institut für Baustoffforschung - Bauwerkserhaltung und Polymerkomposite (ibac) sowie dem Institut für Massivbau (IMB) der RWTH Aachen - als auch Partner aus der Wirtschaft vertreten. Die beteiligten Unternehmen waren die Eurovia Beton GmbH NL Bauwerksinstandsetzung (Projektkoordinator des Verbundprojektes/ Hofheim-Wallau), Solidian GmbH (Albstadt-Lautlingen), Massenberg GmbH (Essen), instakorr GmbH (Darmstadt) sowie die StoCretec GmbH, Tochtergesellschaft der Sto SE & Co. KGaA (Kriftel). Ferner war die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), die das System aus Sicht des späteren Nutzers beurteilt, an dem Forschungsvorhaben beteiligt. 5. Die Komponenten von SMART-DECK Das System SMART-DECK wird planmäßig mit einer konstanten Schichtdicke über die gesamte Fläche eines Brückenüberbaus ausgeführt, d. h. ein bei Brückenbauwerken eventuell erforderlicher Gradientenausgleich muss vor der Applikation von SMART-DECK erfolgen. Die planmäßige Mehrbelastung infolge des Systems beträgt mit dem planmäßigen Aufbau mit einer Schichtdicke von 35 mm rd. 80 kg/ m² (0,8 kN/ m²). Sofern die Mehrbelastung bei Bestandsbauwerken kompensiert werden muss, besteht z.B. die Möglichkeit einen sog. HANV-Belag [6] anstatt eines herkömmlichen Belagsaufbaus gemäß ZTV-ING [7] mit zwei Lagen Gussasphalt à 35 mm einzubauen. Die Einbettung der textilen Bewehrung erfolgt mittels eines speziell an die Anforderungen des Forschungsprojektes angepassten RM (bisher: PCC (Polymermodified Cement Concrete)) des Forschungspartners StoCretec. Der Mörtel mit einem Größtkorn von 4 mm wurde iterativ entwickelt, so dass er den verschiedenen, konkurrierenden Anforderungen bezüglich Verstärkung, Monitoring, pKKS und Einbaupraxis entspricht. Neben den Anforderungen an die Mörtelzusammensetzung, waren die Anforderungen an die Einbaupraxis ebenfalls eine besondere Herausforderung. Der Mörtel muss zum einen eine ausreichende Fließfähigkeit aufweisen, um einen Einbau des Systems in einer Lage zu ermöglichen, als auch eine ausreichend hohe Förderleistung während des Einbaus realisieren zu können. Ferner muss der Mörtel eine ausreichende Standfestigkeit aufweisen, um bei Querneigungen von mindestens 2,5 % einbaubar zu sein und bei dem Einbringen der Verdichtungsenergie nicht zu verlaufen. Das nachfolgende Bild zeigt den Mörtel in Kombination mit dem verwendeten RM. Abbildung 5: Mörtel der für SMART-DECK verwendet wird in Kombination mit der textilen Bewehrung (Foto: Till Büttner) 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 151 Intelligentes Monitoring von Brückenbauwerken mit innovativen Sensoren Die Ermittlung der in der folgenden Tabelle dargestellten Festigkeiten erfolgte sowohl im Rahmen von umfangreichen Laborversuchen als auch bei der Herstellung des ersten Demonstrators im Rahmen des Forschungsprojektes. Bauabschnitt 1 Bauabschnitt 2 Prüfalter Druckfestigkeit in N/ mm² Biegezugfestigkeit in N/ mm² Druckfestigkeit in N/ mm² Biegezugfestigkeit in N/ mm² 1 d 25,5 5,2 27,9 5,9 7 d - - 51,3 5,9 14 d - - 61,7 8,7 28 d 66,8 10,5 60,6 10,4 Tabelle 2: Mörtelfestigkeiten der beim Kleindemonstrator hergestellten Mörtelproben - Lagerung am Bauwerk [8] - nach [9] Die textile Bewehrung übernimmt bei allen drei möglichen Funktionalitäten von SMART-DECK eine wesentliche Aufgabe. Bei dem Monitoring ist die textile Bewehrung der Sensor, der den Widerstand des Mörtels zwischen den beiden Bewehrungslagen und damit den Feuchtegehalt des Mörtels misst. Steigt der Feuchtegehalt des Mörtels muss davon ausgegangen werden, dass Undichtigkeiten in der Abdichtungsebene der Brücke vorliegen und damit auch Chloride in das Bauwerk eindringen können. Bei dem pKKS wiederum stellt die textile Bewehrung die Anode dar. Sofern mit SMART-DECK der Brückenüberbau verstärkt wird, wird die Verstärkung durch die auf der Oberseite des Brückenüberbaus applizierte textile Bewehrung realisiert. In Abhängigkeit der Anforderung an die möglichen Module (siehe Bild 4) kann der Bewehrungsgrad von SMART- DECK variiert werden. Bei dem im Rahmen des Verbundforschungsvorhaben erarbeiteten Systems sind zwei Lagen textile Bewehrung erforderlich. Dabei kann allerdings der Rovingquerschnitt als auch der Rovingabstand variiert und an die Anforderungen des jeweiligen Projektes angepasst werden. Um eine Unterteilung der gesamten Einbaufläche in einzelne Messfelder sowie pKKS-Felder zu ermöglichen, muss die Bewehrung in Längsrichtung ohne Übergreifung (und damit ohne direkten elektrischen Kontakt) ausgeführt werden, in Brückenquerrichtung (Verstärkungsrichtung des Überbaus sowie des Kragarms) muss ein statisch wirksamer Übergreifungsstoß ausgeführt werden. Sofern keine Verstärkung erforderlich ist, kann in Querrichtung auf einen Übergreifungsstoß verzichtet werden. Dabei ist allerdings zu beachten, dass dann alle Bewehrungsfelder mit Kabeln an das Monitoring und pKKS-System angeschlossen werden müssen und sich somit unter Umständen der Verkabelungsaufwand deutlich erhöht. Die genannten Anforderungen werden bei SMART- DECK mit sogenannten biaxialen Carbontextilien realisiert, die eine lichte Maschenweite von 38 mm aufweisen und mit Epoxidharz im Herstellprozess getränkt werden. Die Maschenweite wurde im Rahmen des Forschungsprojektes unter Berücksichtigung des bei dem Projekt vorliegenden Mörtelgrößtkorns von 4 mm sowie der Herstellung - Einbau des Mörtels durch zwei Lagen Textilien und anschließendes Verdichten von der Oberseite - iterativ ermittelt. Die Herstellung des zweilagigen, sog. 3D-Textils, erfolgt bei der Textilherstellung, sodass die textile Bewehrung einbaufertig auf die Baustelle geliefert wird. Bei der Herstellung des 3D-Textils kommen spezielle nichtleitende Abstandshalter zum Einsatz. Ferner sind die Abstandshalter für die Unterseite an der Bewehrung werksmäßig eingebaut. Abbildung 6: Fertig verlegte 3D-Bewehrung vor dem Mörteleinbau - lichte Maschenweite: 38 mm (Foto: Till Büttner) Die textile Bewehrung wird für die vorliegende Anwendung mit einer Breite von 1,20 m hergestellt, dies entspricht der Breite der Messfelder in Brückenlängsrichtung. Die Länge der Bewehrung beträgt i.d.R. 5,00 m, um eine ausreichende Verarbeitbarkeit auf der Baustelle zu ermöglichen, wobei auch längere Lieferlängen grundsätzlich möglich sind. Das Verlegen der Bewehrung erfolgt nach der Herstellung der elektrischen Anschlüsse händisch gemäß einer vorher erstellten Verlegeplanung. Um ein Aufschwimmen der Textilien beim Verdichten zu verhindern, werden in regelmäßigen Abständen ebenfalls nicht-leitende Verankerungselemente angeordnet. Die Verwendung von nicht-leitenden Abstandshaltern und Verankerungselementen ist zwingend erforderlich, um Kurzschlüsse zwischen den Bewehrungslagen bzw. mit der Bestandsbewehrung zu vermeiden. Kurzschlüsse zwischen den Bewehrungslagen würden ein Messen der Feuchtigkeit innerhalb des Mörtels (und damit die Detektion von Undichtigkeiten) unmöglich machen, Kurzschlüsse zwischen textiler Bewehrung und Bestandsbewehrung würden zu einem nichtfunktionierenden pKKS führen. 152 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Intelligentes Monitoring von Brückenbauwerken mit innovativen Sensoren 6. Erprobung der erarbeiteten Sensoren Das System SMART-DECK wurde im Rahmen des Verbundforschungsprojektes an zwei unterschiedlich großen Demonstratoren erprobt und ausgeführt. Nach 18 Monaten Projektlaufzeit wurde ein sog. Kleindemonstrator hergestellt, der die erste Übertragung aus dem Labormaßstab in den realen Maßstab des Systems darstellt. Zu Projektabschluss wurde ein Großdemonstrator hergestellt, der die Integration des Systems in ein reales Bauprojekt validiert. Die Erprobung der zuvor dargestellten diskreten Widerstandssensoren erfolgte ebenfalls innerhalb dieser Baumaßnahme. Die nachfolgenden Abschnitte stellen die Arbeiten am Großdemonstrator vor, die Arbeiten am Kleindemonstrator sind u.a. in [10], [11] und [12] dargestellt. Die Herstellung des Großdemonstrators erfolgte im Rahmen des Brückenneubaus „Ritterstraße“ der Stadt Mönchengladbach. Bei der Brücke handelt es sich um ein einfeldriges Rahmenbauwerk über den Fluss Niers, welches in zwei Bauabschnitten seitens einer ARGE, die nicht an dem Forschungsprojekt beteiligt ist, errichtet wurde. Das nachfolgende Bild 7 zeigt eine Ansicht der Brücke vor der Herstellung des Überbaus. Abbildung 7: Ansicht der Brücke Ritterstraße vor Herstellung des Überbaus (Foto: Till Büttner) Das neue Brückenbauwerk wurde sowohl als Ortbetonbauwerk (Widerlager) als auch in Halbfertigteilbauwerk (Überbau) ausgeführt. Zur Errichtung des Überbaus wurden zunächst Fertigteile auf die Lagerkonstruktion gelegt und anschließend mit einer bewehrten Ortbetonschicht zu einer Scheibe verbunden. Bei der Ortbetonschicht wurde die Rohbetonoberkante seitens der bauausführenden ARGE 35 mm niedriger fertiggestellt als ursprünglich geplant, um den Einbau von SMART-DECK ohne Anpassung der Gradiente vornehmen zu können. Die verbleibenden 35 mm wurden dann durch den Forschungsverbund mittels SMART-DECK hergestellt. Dabei wurde auf eine Anpassung der Bewehrungsführung in der Aufbetonschicht verzichtet, da SMART-DECK auf die Betondeckung angerechnet werden kann. Die Ausführung erfolgte aufgrund der Verkehrsführung vor Ort in zwei voneinander getrennten Bauabschnitten. Die Herstellschritte bei SMART-DECK sind wie folgt: • Untergrundvorbereitung mittels Kugelstrahlen (2-maliges Überfahren im Kreuzgang) gemäß ZTV- ING zum kuppenartigen Freilegen des Größtkorns, • Einbau einer Randschalung entlang des Kragarmrandes sowie zwischen den Arbeitsabschnitten, • Einbau der textilen Bewehrung sowie Verankerung der Bewehrung am Untergrund und Einbau von Multiringelektroden für vergleichende Messungen, • Applikation des Mörtels mittels Schlauchförderung und Verdichtung mit einer Rüttelbohle sowie anschließendes Nachbehandeln unter Berücksichtigung der Vorgaben der ZTV-ING für den Einbau von PCCs bzw. Aufbetonen (siehe u.a. Teil 3 Abschnitte 4 und 7). • Die nachfolgenden Bilder zeigen die Herstellung der beiden Bauabschnitte des Großdemonstrators. Die Arbeiten zur Herstellung von SMART-DECK wurden jeweils ca. 14 Tage nach der Betonage der Ortbetonscheibe begonnen. Abbildung 8: Vollständig verlegte textile Bewehrung des 2. Bauabschnitts (Foto: Till Büttner) Abbildung 9: Mörteleinbau des zweiten Bauabschnitts (Foto: Till Büttner) 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 153 Intelligentes Monitoring von Brückenbauwerken mit innovativen Sensoren Abbildung 10: fertiggestellter erster Bauabschnitt (Foto: Till Büttner) Abbildung 11: fertiggestellter zweiter Bauabschnitt (Foto: Till Büttner) Im Zuge der Realisierung des Großdemonstrators konnte gezeigt werden, dass SMART-DECK auch unter realen Baustellenbedingungen herstellbar ist. Beide Bauabschnitte haben weiterhin ergeben, dass der Mörteleinbau bei SMART-DECK im Vergleich zu vorliegenden Leistungswerten für den Einbau von PCCs wirtschaftlich ausgeführt werden kann. Auch hat die einbaubegleitende Qualitätskontrolle beim Großdemonstrator gezeigt, dass im Rahmen der Herstellung von SMART-DECK die textile Bewehrung nicht beschädigt wurde. Der Einbau der diskreten Sensoren erfolgte an ausgewählten Stellen der Widerlager sowie in den Brückenkappen. Einen Überblick über die Sensorpositionen gibt Bild 12. Abbildung 12: Positionen der diskreten Sensoren im ersten Bauabschnitt Die Montage der Sensoren erfolgte dabei direkt an der Schalung unter Verwendung eines verlorenen Deckels, welcher direkt an die Schalung genagelt wurde. Nach dem Ausschalen wurde dieser durch einen Ersatzdeckel ersetzt. Abbildung 13: Einbau der diskreten Sensoren. Schalung der Widerlager, links. Befestigung der Sensoren, rechts Abbildung 14: Sensor nach dem ausschalen, links. Sensor nach anbringen des Ersatzdeckels, rechts Die Funktionalität der Messwerterfassung wurde für beide Systeme nach der Inbetriebnahme erfolgreich getestet und soll über die kommenden Jahre das vom Institut für Baustoffforschung der RWTH Aachen - Bauwerkserhaltung und Polymerkomposite (ibac) betrieben werden, um eine breite Datenbasis für weitere Anwendungen vorliegen zu haben. 154 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Intelligentes Monitoring von Brückenbauwerken mit innovativen Sensoren 7. Zusammenfassung und Ausblick Die Instandhaltung von Brückenbauwerken erfolgt heute i.d.R. noch auf Basis von Inaugenscheinnahme und der Anwendung handnaher Verfahren. Obwohl zahlreiche Sensortypen zur Erfassung dauerhaftigkeitsrelevanter Parameter existieren, findet deren Anwendung nur in Einzelfällen statt. Es wurden zwei neuartige Monitoring Konzepte auf Basis von Messungen des Elektrolytwiderstandes, eines mit diskreten Sensoren, eines zur flächigen Überwachung der Brückenabdichtung, vorgestellt. Die bauseitige Umsetzbarkeit wurde durch die Installation der Systeme in einem realen Brückenbauwerk nachgewiesen. Die Messungen werden dauerhaft fortgeführt, um in den kommenden Jahren die zugrunde liegenden Schädigungsmodelle fortlaufend zu validieren oder zu verbessern und den praktischen Nutzen der Systeme für ein proaktives Erhaltungsmanagement für Ingenieurbauwerke zu demonstrieren. Literatur [1] Naumann, J.: Brücken und Schwerverkehr - Eine Bestandsaufnahme. In: Bauingenieur 85 (2010), Heft 1, S. 1-9 [2] Freundt, U.; Böning, S.; Kaschner, R.: Straßenbrücken zwischem aktuellem und zukünftigen Verkehr-Straßenverkehrslasten nach DIN EN 1991-2/ NA. In: Beton- und Stahlbetonbau 106 (2011), Heft 11, S. 736-746 [3] Raupach, M.; Gulikers, J.; Reichling, K.: Condition Survey with Embedded Sensors Regarding Reinforcement Corrosion: Bauwerksüberwachung mit eingebetteten Sensoren hinsichtlich der Korrosion von Stahl in Beton. In: Materials an Corrosion 64 (2013), Nr. 2, S. 141-146 ISSN 1521-4176 [4] Nürnberger, U.: Korrosion und Korrosionsschutz im Bauwesen. Band 1: Grundlagen, Betonbau. Band 2: Metallbau, Korrosionsprüfung. Wiesbaden; Berlin: Bauverlag, 1995 [5] Vennesland, O.; Haug. R.; Mork, J.H.: Cathodic protection of reinforced concrete - a system with woven carbon mesh. In: Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting - Alexander (eds), Taylor & Francis Group London 2006, ISBN: 0 415 39654 9 [6] Hinweise für die Herstellung von Abdichtungssystemen aus Hohlraumreichen Asphalttraggerüsten mit Nachträglicher Verfüllung für Ingenieurbauten aus Beton; Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV), Ausgabe 2015 [7] Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING), Bundesanstalt für Straßenwesen (bast), Ausgabe 10/ 2018 [8] Adam, V., Driessen, C., Will, N., Raupach, M.: SMART-DECK: Multifunktionale Textilbetonschicht für Brückenfahrbahnplatten, 2. Brückenkolloquium - Beurteilung, Ertüchtigung und Instandsetzung von Brücken, Technische Akademie Esslingen, Tagungshandbuch 2016, pp. 413-421 [9] DIN EN 196-1: Prüfverfahren für Zement - Teil 1: Bestimmung der Festigkeit; Deutsche Fassung, Ausgabe November 2006 [10] Adam, V.; Will, N.; Hegger, J.: Verstärkung für Fahrbahnplatten von Massivbrücken aus Textilbeton: Versuche im Rahmen einer Demonstratorrealisierung, In: Bauingenieur 96 (2020) [11] Driessen-Ohlenforst, C.; Faulhaber, A.; Raupach, M.: SMART-DECK: Monitoring und kathodischer Korrosionsschutz. In: Bauingenieur 96 (2020), 3 [12] Büttner, T.: SMART-DECK: Vom Konzept zum Demonstrator, In. Bautechnik 97 (2020) Danksagung Die Autoren bedanken sich beim Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für die Förderung des Projekts SMART-Deck und beim VDI Technologiezentrum GmbH, die seitens des BMBF mit der Beratung und der Umsetzung der Förderrichtlinien betraut wurden. Außerdem gilt der Dank allen Projektpartnern: der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt, Bergisch- Gladbach), Eurovia Beton GmbH NL Bauwerksinstandsetzung (Projektkoordinator des Verbundprojektes/ Hofheim-Wallau), Solidian GmbH (Albstadt-Lautlingen), Massenberg GmbH (Essen), instakorr GmbH (Darmstadt) und StoCretec GmbH, Tochtergesellschaft der Sto SE & Co. KGaA (Kriftel) sowie dem Institut für Massivbau (IMB) der RWTH Aachen. Ebenso gilt unser Dank der Gemeinschaftsinitiative des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE), dem Land NRW, dem Ministerie van Ekonomische Zaken, sowie der Provincie Limburg und der Provincie Gelderland für die Förderung des Projektes Assetmanagement 2.0. Ebenso gilt der Dank allen Projektpartnern: BAS Research & Technology,Venlo(NL), P3 communications GmbH, Aachen, der Stadt Mönchengladbach, Van Doo Betonreparaties B. V., Dodewaard (NL), der Gemeente Venlo (NL) und dem ibb Ingenieurbüro für Bauberatung und Bauphysik, Schermbeck. Ein besonderer Dank gilt der Stadt Mönchengladbach und insbesondere Herrn A. Diefenbacher für die erfolgreiche Kooperation bei dem Bauvorhaben „Ritterstraße“.