1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 177 Innovatives Monitoring von Fahrbahnübergängen und Brückenbauwerken zur Verlängerung der Lebensdauer Neue und mobile Überwachungsansätze zur Datenakquise an Bestandsbauten anhand von Anwendungsbeispielen Luigi Di Gregorio Mageba GmbH, Göttingen, Deutschland Antonios Chrysovergis Mageba SA, Bülach, Schweiz Zusammenfassung Die Gewinnung von Daten aus Bauwerken erfolgt im Regelfall über etablierte Systeme der Sensorik. Diese sind am Markt ausreichend verfügbar in diverser Qualität und auch zuverlässig. Im Fokus der Anbieter steht hierbei ein urbanes Bauwerk, welches grundsätzlich eine einfache Zugänglichkeit und eine konstante Energieversorgung bauseitig zur Verfügung stellt. Die Sensoren, Datalogger und Kabelstränge sind einfach erreichbar; Fehler und Unstimmigkeiten lassen sich zügig und kostengünstig beheben. Das Ganze stellt sich für Brückenbauwerke gänzlich anders dar. Des Weiteren gilt es den richtigen Punkt des Datenabgriffs festzustellen, da Brücken durch Verkehrsanregung und Eigendynamik beeinflusst werden. Mageba befasst sich mit unterschiedlichen Ansätzen explizit zugeschnitten für den Brückenbau. Der Fokus liegt auf Frühwarnsysteme und Schadensfrüherkennung, bevor ein relevanter Schaden entsteht. 1. Smarte Vernetzung der Sensoren und Datalogger kabellos und energieautark 2. Datenabgriff an dynamischen Bauteilen, wie Fahrbahnübergänge zur Schadensvorhersage 1. Firmenvorstellung mageba Die mageba ist eine Schweizer Unternehmung mit Hauptsitz in Bülach (Schweiz). Sie gehört zu den weltweit führenden Anbietern von Bauwerkslagern, Dehnfugen sowie weiteren hochwertigen Produkten und Dienstleistungen des Hoch- und Infrastrukturbaus. Seit der Gründung im Jahre 1963 darf das Unternehmen auf eine erfolgreiche Entwicklung zurückblicken und beschäftigt heute weltweit über 900 motivierte Mitarbeiter, davon über 150 Ingenieure. Bis heute hat mageba über 20‘000 Bauwerke mit Lagern und Dehnfugen ausgestattet. Einige davon gehören zu den größten und höchstbeanspruchten Brücken der Welt. 1.1 SHM-Portfolio mageba Als Hersteller von Fahrbahnübergängen und Lagern, ist mageba im Zuge eines abgerundeten Produktportfolios seit geraumer Zeit auch in der Überwachung/ dem Monitoring dieser Produkte und von Brückenbauwerken tätig. Seit 2004 bietet mageba ein festes Produktportfolio an, welches sich auf jeden individuellen Bedarf und jedes Projekt zuschneiden lässt. Die Lösungen werden stets unter Berücksichtigung der individuellen Projektbedürfnisse erarbeitet und mit den aktuellsten Standards der Branche umgesetzt. Die Abteilung beschäftigt Experten, welche sich interpretativ mit den Fragestellungen des Auftraggebers beschäftigen und die Antwort auf die tatsächliche Frage liefert, statt Mengen an Datensätzen. ROBO®CONTROL ist magebas Repertoire für autonome und vollautomatische Überwachungssysteme für Bauwerke. Individuelle Lösungen für den Brückenbau, 178 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Innovatives Monitoring von Fahrbahnübergängen und Brückenbauwerken zur Verlängerung der Lebensdauer Hochbau und geotechnische Anwendungen erfassen Verkehrsimpulse, Temperatur, seismische Aktivitäten, Wind, Exposition, Korrosion etc. an definierten Stellen des Bauwerks. Dabei sind die fokussierten Parameter Lasten, Deformationen, Bewegungen, Vibrationen und Eigenfrequenzen. Die Messwerte werden in vordefinierten Intervallen erfasst und an einen Rechner vor Ort übergeben, dieser verarbeitet die Daten und erlaubt es autorisierten Nutzern bei Bedarf über ein sicheres Interface aus der Ferne zuzugreifen, in etwa über ein eigenes Netzwerk oder webgestützt. ROBO®SMART legt den Fokus auf das Monitoring von Bauwerkslagern, Dehnfugen und verwandten Produkten mit z.T. integrierten und vorinstallierten Sensoren. Neben permanenten Lösungen kommt auch das mobile, temporäre Messsystem für gelegentliche oder zeitlich bestimmte Einsätze am Bauwerk zum Zug. Kabellose Systeme zeichnen sich u.A. aus, durch ein eigenes Netzwerk am Bauwerk, bestehend aus unabhängigen Sensoren welche an Daten Knoten senden, welche wiederrum diese an das Gateway übermitteln für die Kommunikation nach außen. Dieses kabellose, energiesparende, einfach und schnell zu installierende System, bedient sich an den aktuellsten Standards der mobilen Kommunikation. Für Messungen im höheren Frequenzbereich (z.B. für dynamische Anwendungen) eignen sich verkabele Lösungen. Grundsätzlich lässt sich ROBO®SMART während der Produktion in Dämpfer, Schwingungstilger, Lager oder Fahrbahnübergänge einfach und kostengünstig integrieren und in situ in Betrieb nehmen. ROBO_QUAKE ist das schlüsselfertige Erdbeben-Monitoringsystem für die Erfassung von detaillierten Informationen über das Verhalten eines Bauwerks vor, während und nach einem Ereignis. Das modulare System mit integrierter Alarmfunktion ist mit hochwertigen 3D-Beschleunigungssensoren ausgestattet und kann erweitert werden. 1.2 Referenzen global Schloss Laufen - Schweiz Das Schloss Laufen steht auf einer Felsrippe, welche sich über das Belvedere (Obere Besucherkanzel) und den Rheinfall zum Ufer Schaffhausen fortsetzt. Es handelt sich dabei um so genannte Massenkalke aus der Malmzeit. Die Schichtung bzw. Bankung ist nur wenig ausgeprägt. Der Massenkalk weist z.T. ältere Verkarstungserscheinungen und siderolithische Ablagerungen auf. Oberflächlich ist der Felskopf des Belvederes durch eine geringmächtige Überdeckung aus Gehängeschutt aus verwitterten Malmkalkbrocken in einer lehmigen Matrix bedeckt. Der Felskopf wird durch mehrere Bruchzonen in einzelne Felspakete durchtrennt. Durch die verschiedenen Bruchzonen ist der Felskopf des Belvedere stark abgetrennt und in mehrere Blöcke zerlegt. Im Rahmen von technischen Abklärungen hat sich gezeigt, dass die 45-jährigen Anker im Bereich des Felskopfes des Belvederes (Obere Besucherkanzel) ersetzt werden müssen, was im Frühjahr 2010 realisiert wurde. Mit den zusätzlichen Ankern wird die Stabilität des Felskopfes gemäss der neuesten Normengeneration sichergestellt. Sämtliche Messanker werden permanent überwacht. Das ROBO®CONTROL Überwachungssystem zeichnet die aktuellen Messanker-Werte auf. Bei Überschreitung von Grenzwerten, die auf erhöhte Verschiebungen in den Gleitebenen hinweist, wird die Bauherrschaft automatisch und ohne Umwege alarmiert. Abbildung 1: Schloss Laufen Johan Sverdrup Field Centre - Norwegen Das Johan Sverdrup-Ölfeld wurde 2010 entdeckt und zählt zu den grössten Ölfunden, die jemals auf dem norwegischen Festlandsockel gemacht wurden. Das Johan Sverdrup-Ölfeld wurde nach dem Vater des norwegischen Parlamentarismus benannt. Darauf gestoßen ist man als direkte Folge der Entdeckung des Edvard Grieg Feldes in 2007, bei der bereits die Möglichkeit eines kontinuierlichen Öl-Wasser-Kontaktes über den gesamten südlichen Teil des Utsira High nachgewiesen werden konnte. Das Feld umfasst ein Gebiet von rund 200 km2 auf dem Utsira High im zentralen Teil der Nordsee und soll in zwei Phasen erschlossen werden. Die Anlage besteht in Phase 1 aus vier Plattformen, die durch drei Stahlbrücken miteinander verbunden sind. Jede Brücke ist so konzipiert, dass sie die enormen Bewegungen, die durch kräftige Wellen auf die Plattformen einwirken, aufnimmt. Die zwölf ROBO®CONTROL Erfassungseinheiten sind an jedem Lager in der Gefahrenzone der Ölplattformen installiert und erfassen die Daten der verschiedenen Sensoren. Ein Zentralcomputer verarbeitet die Messungen in Echtzeit zur weiteren Analyse und grafischen Darstellung. Alle Daten werden an den Kontrollraum der Einrichtung übermittelt. 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 179 Innovatives Monitoring von Fahrbahnübergängen und Brückenbauwerken zur Verlängerung der Lebensdauer Abbildung 2: Johann Sverdrup Field Centre New Champlain-Brücke - Kanada Die Champlain Bridge in Montreal, Kanada, wurde durch die neue Brücke über den St. Lawrence River ersetzt. Diese Überführung ist eine der verkehrsreichsten in Kanada, mit über 60 Millionen Fahrzeugen und einem jährlichen internationalen Handelsvolumen von 20 Milliarden US-Dollar. Das 4,2-Milliarden-Dollar-Projekt besteht aus zwei Hauptbrücken der Neuen Brücke am St. Lawrence und der Île-des-Soeurs-Brücke. Beide sind derzeit in Betrieb. mageba hat für diese ikonische Brücke ein ganzheitliches Monitoring für die Überwachung des strukturellen Zustands und der modularen Fahrbahnübergänge bereitgestellt. Derzeit sind über 200 Sensoren auf der Brücke installiert, mit denen die kanadische Regierung die Verschiebung, Korrosion, Bewegungen, Temperatur, Spannungen, Dehnungen und Umgebungsparameter der Brücke in den nächsten 30 Jahren überwachen kann. Der Auftraggeber sieht mit dieser umfänglichen Überwachung vor einen beträchtlichen Anteil des Budgets für Wartung und Sanierung bedarfsorientiert steuern zu können. Die Lebensdauer der Struktur soll somit, auch unter Erhöhung des Verkehrsaufkommens ihren vollen Produktlebenszyklus erfüllen. Darüber hinaus bietet das ausgeklügelte System die Möglichkeit über ein vollautomatisiertes Alarmsystem, sofort auf Änderungen und Verschlechterungen zu reagieren. Abbildung 3: New Champlain bridge 2. Bauwerksüberwachung im Brückenbau Es gibt diverse etablierte Verfahren und Möglichkeiten Brückenbauwerke zu überwachen. Einerseits kann dies durch hohen personellen Aufwand erfolgen, in dem etwa regelmäßig visuelle Inspektionen in situ durchgeführt werden. Andererseits besteht die Möglichkeit Sensorik am Bauwerk dauerhaft zu installieren mit der Option vor Ort Daten zu erfassen und zu speichern oder gar aus der Ferne auszulesen. Beides funktioniert aus technischer Sicht und verschafft Abhilfe. Beide Varianten, oder auch Kombinationen aus diesen, liefern zuverlässig Schadensmeldungen oder Hinweise auf mögliche Bauwerksbeeinträchtigungen. So zuverlässig diese Überwachungsmöglichkeiten sind, ergeben sich auch diverse Nachteile. Eine visuelle Inspektion bindet in der Regel einen hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand. Die Betreiber sind nicht immer in der Lage diese Inspektionen durch eigenes Personal aufzuwenden und sind somit auf Sub-Leistungen angewiesen. Hinzu kommt die Hürde sich in das Thema so weit einzuarbeiten, dass ein geeignetes Ingenieurbüro für diese explizite Leistung gefunden und beauftragt wird. Im Gegenzug erhält der Betreiber in der Regel dafür kompetente Aussagen, Bewertungen und evtl. Vorschläge für Gegenmaßnahmen im Schadensfall. Grundsätzlich ist das Ingenieurbüro mit entsprechenden Fachleuten, welche zur Erfassung der Daten noch die Interpretation liefern, unverzichtbar. In Anbetracht der Anzahl an zu prüfenden oder fraglichen Brückenbauwerken, gibt es nicht ausreichend kompetente Büros und Budget für diese Aufgabe. Des Weiteren können nicht alle Schäden oder Überbeanspruchungen des Tragwerks oder an Bauprodukten visuell erfasst werden (z.B. Beanspruchung der Bewehrung, Seilkräfte, Belastung an Lagern). Als Alternative oder Ergänzung bietet sich nun die permanente Überwachung durch fest installierte Sensorik am Brückenbauwerk an. Im üblichen Fall wird der Bedarf durch den Auftraggeber definiert und anschließend das Bauwerk mit entsprechender Sensorik ausgestattet, immer häufiger allerdings wird der Überwachungsansatz gemeinsam zwischen dem Auftraggeber oder Ingenieurbüro und dem Systemanbieter entwickelt. Im Bereich von Fragestellung zur Statik/ Dynamik handelt es sich häufig um DMS (Dehnmessstreifen), welche Informationen zu lokal spezifischen Stellen am Bauwerk liefern. Je nach Wissensstand zum Bauwerk können diese Informationen zwar permanent und zuverlässig erfasst werden, jedoch besteht auch in nicht wenigen Fällen Ungewissheit zur eigentlichen Bedeutung dieser Messwerte. Des Weiteren ist die Sensorik in der Lage Schäden zu melden oder aufzuzeigen. Diese Information ist für den Betreiber wichtig, um reagieren zu können. Aber, wäre es nicht besser zu wissen wann der Schaden entsteht? In diesem Markt sind die Möglichkeiten noch lange nicht erschöpft; es bietet sich an diversen Stellen Innovationpotenzial. Die technischen Möglichkeiten bezüglich Hard-/ Software sind am Markt gegeben und in einer großen Breite verfügbar. Die Herausforderung nun besteht darin, den eigentlichen Bedarf zu erfassen und die entsprechende Lösung anzubieten. Dies kann in Form von Dienstleistungskonzepten seitens der Hersteller bezüglich regelmäßiger Wartung oder auch in Form von neuen technischen Überwachungsansätzen erfolgen, mit Fokus auf Prävention und Früherkennung. 180 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Innovatives Monitoring von Fahrbahnübergängen und Brückenbauwerken zur Verlängerung der Lebensdauer 2.1 ist-Zustand Deutsche Brücken gelten nach wie vor als langlebig und bewährt. Aufgrund des Alters der Brückeninfrastruktur, ist aktuell bei einer zunehmenden Zahl von Bestandsbrücken die Lebensdauer erschöpft oder es herrscht Unklarheit über die noch vertretbare Restlebensdauer. Dies gilt in gleicher Weise für die Fahrbahnübergänge und Brückenlager, die - wie das Bauwerk selbst - regelmäßig inspiziert und gewartet werden müssen. Das mit den Jahrzehnten deutlich gestiegene Verkehrsaufkommen hat die Risiken und Wartungskosten erheblich verstärkt. Brückenneubauten sind aufwendig und volkswirtschaftlich mit Blick auf Budget und Zeit relevant, so dass sie als letztes Mittel gelten. Im folgenden Text wird beschrieben, wie moderne Fahrbahnübergänge und modernisierte Fahrbahnübergänge im Bestand in diesem Kontext dazu beitragen können, die Lasteinwirkungen auf Brücken besser einschätzen zu können und den Sanierungsaufwand und die Schadgefahr für die Fahrbahnübergänge selbst nennenswert zu minimieren. Sowie Fahrbahnübergänge als auch Lager spiegeln die tatsächlichen Bewegungen und Zyklen wieder, die auf das Bauwerk wirken oder durch dieses selbst verursacht werden. Neben der Auslegung der Brückenbauwerke, zu Zeiten geringerer Verkehrslasten bezogen auf Frequenz und Gewichte der Fahrzeuge, eröffnet der Bestandsfahrbahnübergang bereits heute die Möglichkeiten die tatsächlichen Lasten und Zyklen zu erfassen und zu interpretieren. Sogar individuell und exakt für jede Brücke. Insgesamt bietet sich, durch die Fokussierung auf ein dynamisches belastetes Brückenausstattungsteil, die Chance direkte Kosten (Inspektion, Wartung, Sanierung) und indirekte volkswirtschaftliche Kosten (Verkehrsbeeinträchtigungen) zu reduzieren und im Ergebnis eine höhere Verfügbarkeit der Infrastruktur in Aussicht zu stellen. 2.2 tatsächlicher Bedarf Herkömmliche Überwachungsmethoden, in personeller Form oder permanenter Sensorik, zeigen auf, wann Werte aus Ihrem Soll heraus abweichen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schaden üblicherweise irreversibel geschehen. Der Betreiber erhält diese Information und ist in unmittelbaren Zugzwang in Form von Sperrung der Brücke und/ oder spontanen Notsanierungen zu reagieren. In Wirklichkeit, wäre eine Möglichkeit wünschenswert, einen relevanten Schaden vorherzusehen oder vorherzusagen. Die Schadensankündigung oder Schadensfrüherkennung ist genau das, was den Betreibern den entscheidenden Vorteil verschafft gegen unerwartete Ausgaben aber noch am wichtigsten für die Sicherheit der Nutzer der Brückeninfrastruktur. Wie in vielen anderen Bereichen des Lebens gilt auch hier: `Wissen ist Macht`. Aber was muss der Betreiber zu welchem Zeitpunkt wissen? 2.3 Datenakquise: Wann und Wo? Ob Beton, Stahl oder Verbundmaterialien in einer Brücke, jeder Werkstoff hat seine Grenzen. Genauso, hat jeder Werkstoff seine Vor- und Nachteile und somit je nach Anwendungsfall seine verdiente Berechtigung eingesetzt zu werden. Um den Zustand einer Brücke zu beschreiben, wird in der Regel versucht, den Zustand der Werkstoffe zu erfassen. Bei Inspektionen und Gutachten wird in erster Linie auf offensichtliche Schäden geachtet, in etwa Korrosion oder Risse. Im Normalfall, sind dies die typischen Schäden auf die untersucht wird. Wenn kein Verdacht besteht, oder ein offensichtlicher Schaden, wird von einer tieferen Untersuchung, die einen invasiven Eingriff bedeuten kann, abgesehen. Dieser komplette Prozess basiert darauf, dass Schäden aufgetreten sind. Schäden die durch Ermüdung oder Überlastung auftreten können. Schäden fallen auf, wenn sie bereits geschehen und fortgeschritten sind Im Prüflabor würde man bei einer zerstörenden Prüfung die Änderung der Parameter über den gesamten Prüfprozess betrachten. In etwa über Wegaufnehmer an der Prüfmaschine. Man betrachtet bewusst den dynamischen oder angeregten Part dieses Prüfprozesses, quasi was sind Eingangs- und Ausgangswerte. Diese erlauben für folgende Prüfungen detaillierte Parameter zu definieren, so dass man sich bewusst im Grenzzustand der Materialfestigkeiten bewegen kann. Das Ziel ist es, die Materialien soweit auszureizen, um das Versagen vorhersagen zu können und sich im vertretbaren Bereich des Werkstoffs zu bewegen. Das nur als Beispiel. Bei einer Werkstoffprüfung, geht es darum, das Versagen vorherzusagen Wenn wir dieses Gedankenspiel auf die Brücke übertragen, lassen sich einige Analogien finden. Sei die Brücke als Gesamtes der zu betrachtende Werkstoff (eine Mischung und Interaktion von diversen Baustoffen), und die Schnittstellen die Einspannung an der Prüfmaschine. In diesem Szenario sei das Widerlager die Einspannvorrichtung, in Form von Bauwerkslager und Fahrbahnübergang. In einem Prüfszenario oder beim rechnerischen Freischneiden, wären genau das die interessanten Stellen für die Berechnung des Versagens; oder in unserem Fall die Zustandsüberwachung des Werkstoffs. In Summe erlebt die Brücke die gesamten Zyklen als Produkt von Werkstoffinteraktionen bis hin zu Ende ihres Lebenszyklus. Der Fahrbahnübergang jedoch erlebt jeden einzelnen Impuls, Verschiebung und Temperaturänderung ganz individuell, an jedem Bauwerk für sich. 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 181 Innovatives Monitoring von Fahrbahnübergängen und Brückenbauwerken zur Verlängerung der Lebensdauer Diese Baugruppe aus Stahl, bietet sich hervorragend an, für eine Überwachung. Im Prinzip, ein riesiger Sensor mit entsprechender Sensibilität. Nahezu alle Einwirkungen auf das globale Bauwerk, lassen sich lokal und übersichtlich aus dem Fahrbahnübergang herauslesen. Jede Interaktion und jeder externe Einfluss resultiert in einer Reaktion dieser dynamisch beanspruchten Baugruppe. Des Weiteren bietet der Fahrbahnübergang eine, über das Widerlager, gut zugängliche Situation zum Arbeiten. Eine Sperrung oder Einschränkung des Verkehrs ist nicht erforderlich. Hinzu kommt, dass beim Applizieren von Sensorik am Fahrbahnübergang kein invasiver Eingriff am Bauwerk stattfindet, welcher Risserweiterungen oder Beschädigung des Korrosionsschutz bedeuten kann. Der Fahrbahnübergang interagiert mit dem Bauwerk in jedem Detail, ist aber gleichzeitig für sich ein geschlossenes, tauschbares und unabhängiges System. Bei der Bewertung einer Gruppe, betrachtet man immer das schwächste Glied Den Fahrbahnübergang als schwach zu bezeichnen wird ihm nicht gerecht. Erweitert betrachtet, ist es ein Ausstattungsbestandteil der Brücke welches bewusst Bewegung durchführt, um diese dem Bauwerk zu ersparen und somit um Spannungen und Zwängungen abzubauen. Viel Bewegung bedeutet gleichzeitig Verschleiß und Ermüdung. Je nach Art und Frequenz des Lasteintrags ist der Endzeitpunkt der Komponenten eines Fahrbahnübergangs nicht immer im Vorhinein zu bestimmen. In anderen Branchen bereits etabliert und Standard, bietet sich es im Brückenbau an, Verschleißteile explizit zu betrachten und frühzeitig auf deren Lebensende hinzuweisen. Verschleißgrenzen lassen sich hervorragend vorab definieren; die betroffenen Komponenten instrumentieren und überwachen. Idealerweise bereits während der Produktion, aber auch eine Nachrüstung im Zuge einer Sanierung im Bestand stellt keine große Herausforderung dar. 3. Praxisbeispiele 3.1 La Neuveville Die Brücke wurde in den späten 60er Jahren gebaut und ist Teil des nationalen Straßennetzes (N05 / Abschnitt Nr. 72). Aufgrund kritischer, aus der Analyse hervorgehender Spannungen in der Querbewehrung der Brückendecke wurde mageba gebeten, eine Spannungs- und Ermüdungsanalyse durchzuführen. Die Spannungsmessungen wurden auf der Höhe der Querbewehrung vorgenommen, die die Fertigteile direkt unter der Brückenfahrbahn verbindet. Die Gesamtzahl der verwendeten Dehnungsmessstreifen betrug 4, und ihre Positionen sind in den untenstehenden Bildern dargestellt. Die Messkampagne umfasste 100 Tage kontinuierliche Überwachung vom 25. Mai bis zum 3. September 2020. Der Schwerlastverkehr, wie Kräne, Baufahrzeuge und auch Privatwagen ist während der Sommerzeit höher. Daher wird erwartet, dass die Schadensakkumulation während dieser Monate höher sein wird als während des restlichen Jahres. Für die Kalibrierung des Systems wurde ein 3-achsiger 20-Tonnen-LKW verwendet. Anschliessend wurde die Schadensakkumulation unter Verwendung der SIA- Norm berechnet. Abbildung 4: Querbewehrung der Fahrbahnplatte Die Instrumentierung umfasst Dehnungsmessstreifen, eine Datenerfassungseinheit und einen Industriecomputer. In einer ersten Phase wurden verschiedene Abtastfrequenzen von 500 Hz, 250 Hz und 100 Hz eingeschätzt. Da der Verkehrseffekt mit einer Abtastrate von 100 Hz erfolgreich beschrieben werden konnte, und ohne wesentlichen Informationsverlust, um den Datenverarbeitungsaufwand zu reduzieren, wurde 100 Hz als endgültige Abtastfrequenz gewählt. Dies steht auch im Zusammenhang mit ähnlichen Beispielen in der Literatur. Abbildung 5: Projektablaufschema Abbildung 6: Messbeispiel für ein Dehnungsmessstreifen Die Spannungszyklen werden mit der Rainflow-Zählung gezählt und die maximalen Spannwerte für jeden 182 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Innovatives Monitoring von Fahrbahnübergängen und Brückenbauwerken zur Verlängerung der Lebensdauer Dehnungsmessstreifen in Form eines Histogramms angezeigt. Abbildung 7: Histogramm eines Dehnungsmessstreifens Die Schadensberechnung gemäß SIA 296-2 wird auf der Basis klassischer Wöhlerkurven dargestellt. Der Schaden wurde über 1 Jahr berechnet und anschließend auf 100 Jahre extrapoliert. Die Auswertung nach Schadensakkumulationsansatz zeigt, dass die Werte deutlich unter dem Versagenskriterium D tot = 1.0 liegen über einen Zeitraum von 100 Jahren. Aufgrund des Nachweises konnte der Bauherr aus umfangreiche Verstärkungsmaßnahmen an der Querbewehrung verzichten. 3.2 Neckarbrücke Ziegelhausen/ Heidelberg Die Ziegelhäuser Brücke in Heidelberg führt über den Neckar und verbindet die Ortsteile Schlierbach und Ziegelhausen. Die Brücke ist Teil der L534a, welche eine Verbindung der L534 am nördlichen und der B37 am südlichen Neckarufer darstellt. Die Neckarbrücke kann mit Hilfe von Dehnungsmessungen zur Risskontrolle um weitere 10 Jahre im Bestand betrieben werden. Die Messinstrumente (Schwingsaitenaufnehmer) sind auf der Steginnenseite der Träger in Auflagernähe angebracht. Dieser Bereich ist auf Grund der hier auftretenden hohen Querkraftbeanspruchung als kritisch einzustufen. Ein Versagen der Betondruckstrebe bzw. Überbeanspruchung der Zugglieder, der Schubbewehrung kann somit überwacht werden. Abbildung 8: Indikative Sensorposition Abbildung 9: Montierter Sensor Die drahtlosen Geräte verwenden das LoRa-Protokoll zur Übertragung der erfassten Daten. Das LoRa-System ermöglicht ein Low-Power-Funknetz, um die Sensoren mit dem Gateway zu verbinden eine IoT-Anwendung (Internet of Things). Die Datenerhebung erfolgt kontinuierlich alle 30 Minuten. Abbildung 10: Sensoren sind entlang der Brücke angeordnet; 18Stück Zur Überwachung der Brücke wurde ein Alarmplan ausgearbeitet, welcher sich an der Rissbreitenbeschränkung von 0,2mm des Ingenieurbaus orientiert. Teil des Alarmplans sind der Alarmwert von 0,10mm und der Alarmwert von 0,20mm. 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 183 Innovatives Monitoring von Fahrbahnübergängen und Brückenbauwerken zur Verlängerung der Lebensdauer Abbildung 11: Beispiel Web-Interface Ziel des Projektes ist es, die Spannungen im Beton über die nächsten 10 Jahre ohne Wartungsarbeiten zu überwachen. Abbildung 12: Neckarbrücke Ziegelhausen Heidelberg Monitoring für Schadensfrüherkennung und Vorhersage 3.3 BAB A3 Rhein/ Herne-Kanal Rissvorhersage An der BAB A3 im Ruhrgebiet führt eine Stahlbrücke über den Rhein-/ Herne-Kanal. Diese Brücke ist an sich ein solides Bauwerk, welches im Zuge der Zeit einer Verkehrslast ausgesetzt wird, für welche sie nicht geplant wurde. Langsam aber stetig leiden Konstruktion und Werkstoffe darunter und weisen Schäden auf. Ein relevanter Schaden äußert sich in Form vom Brüchen auf dem Fahrbahnübergang, so genannte Lamellenbrüche, auf der nördlichen Widerlagerseite. Der Fahrbahnübergang hat durch hohe Lastwechsel das Ende seines Produktlebenszyklus erreicht. Der Zweiprofiler wird zeitnah ersetzt, muss aber die Zeit bis zum Austausch so weit funktionieren, dass der Verkehr und die Sicherheit für den Nutzer aufrecht erhalten werden kann. Der Betreiber ist in der Pflicht diese Aufgabe zu erfüllen. Ein Lamellenbruch führt zumeist zu einer direkten Sperrung der Brücke. Die sichere Überfahrt ist nicht gewährleistet, bis die betroffenen Stelle notinstandgesetzt wurde. In diesem individuellen Fall bedeutet dies kurz gefasst die Lamelle an der Bruchstelle wieder zu Fügen. Die bisherige Gegenmaßnahme bestand darin, in personeller Form den Fahrbahnübergang in engen Zeitfenstern zu inspizieren. Das große Manko hier: Anrisse/ Risse lassen sich mit dem bloßen Auge in der Regel im dunklen und engen Widerlager kaum erkennen, so dass es vorgekommen ist, dass auch nach Inspektionen Brüche auftreten konnten. Abbildung 13: Lamellenbruch Ansicht unten; Ansicht oben Eine Schadensmeldung bei Bruch ist hier keine Lösung. Schließlich äußert sich der Bruch offensichtlich und führt sofort zu obigen schwerwiegenden Maßnahmen. Viel mehr kann eine Lösung sein, den Bruch vorherzusagen oder ankündigen zu können. Vereinfacht man die Lamelle als simplen Längsträger und spannt diesen gedanklich in eine Prüfmaschine ein, so ist klar, dass man unter Lastwechseln die Lamelle in den plastischen Bereich führen kann, ohne diese direkt augenscheinlich zu zerstören oder eher zu brechen. Obwohl die Lamelle als zerstört gilt, ist der Riss nicht zwingend ersichtlich. Dieser Zeitpunkt ist der exakte Abgriff für eine Alarmierung und gleichzeitig die Schadensankündigung. Mageba hat gemeinsam mit seinem Partner für Prüf-/ Messtechnik auf dieser Grundlage ein Verfahren entwickelt, welches erlaubt im Bestand die Lamelle auf Risse und Brüche zu überwachen. Der Fokus dieser Überwachung beruht auf der Gefügeänderung des Werkstoffs, bei anstehender irreversibler Veränderung des zu prüfenden Körpers. Das System erlaubt es den initialen Riss festzustellen, dessen Fortpflanzung in das Gefüge über die Zeit zu beobachten und selbstverständlich ein Setting für die Alarmierung des Betreibers und Instandsetzer. Das Monitoring besteht aus einer Einheit zu Stromversorgung, einem Gateway zur Kommunikation zum Betreiber und einer kompakten Prüf/ Schaltzentrale, welche gezielte Pulse in die Lamelle aussendet, um auf Gefügeänderungen reagieren zu können. 184 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 Innovatives Monitoring von Fahrbahnübergängen und Brückenbauwerken zur Verlängerung der Lebensdauer Abbildung 14: Mock-up und Kalibrierung beim Partner für Prüf-/ Messtechnik; Monitoring in situ Abbildung 15: Profil Lamelle im Bestand; instrumentiert Es werden derzeit erfolgreich 4 Lamellen überwacht, 2 in Fahrtrichtung Nord und 2 in Fahrtrichtung Süd. 3.4 Relativer Lamellenabstand Mangelnde Inspektion und Wartung kann in diversen Schäden an Brücken resultieren. In individuellen Fällen ist die Belastung und Verkehrsfrequenz so hoch, dass die vorgeschriebenen Inspektionsintervalle nicht ausreichend sind. Hier kann es vorkommen, dass Komponenten frühzeitig, unerwartet und vor allem unerkannt verschleißen und zu gravierenden Schäden führen. Ein aktuelleres Beispiel dafür ist die Aufspreizung von Lamellen an Mehrprofilern (ab ca. 6 Profilen aufwärts). Die Lamellen halten zueinander nicht mehr den erforderlichen Abstand ein und klaffen weit auf. Eine Sperrung der Brücke ist die unmittelbare und schwerwiegende Konsequenz. Es gibt übliche Systeme am Markt, die die Gesamtspaltweite zwischen Brücke und Widerlager überwachen. Diese Lösung verschafft hier keine Abhilfe, weil der absolute Spalt überwacht wird, nicht der relative Abstand der Lamellen zueinander. Dieser Abstand ist maßgebend für eine sichere und zuverlässige Überfahrt des Nutzers. Auch hier gilt, die Schadensmeldung bei Klaffung ist bereits zu spät. Mageba hat sich mit dieser Thematik auseinandergesetzt. Es gibt einige technische Lösungen die hier für eine Überwachung in Frage kommen. Z.B. die Überwachung jeder einzelnen Lamelle über Inkrementalgeber. Unabhängig davon welche Lösung man wählt, nahezu alle erfordern einen hohen finanziellen- oder Installationsaufwand. Des Weiteren können diese Systeme relativ sensibel sein, so dass eine Installation durch geschultes Personal erforderlich ist. Die Lösung besteht darin, eine mobile Einheit ein Form eines Messkoffers bereit zu stellen, welche in der Installation nach dem Prinzip `Plug&Play` funktioniert. Das Messprinzip richtet sich nach Industriestandards und besteht aus optischen Lasermessköpfen. Der Anwender erhält ein fertig kalibriertes System, welches er vor Ort lediglich befestigen und auf die Lamelle ausrichten muss. Es wird nicht in das Bauwerk oder die Baugruppe eingegriffen. Die gesamte Einheit misst permanent und ist selbst in der Lage nach vorher definierten Min-/ Maxwerten der Lamellenabstände die betroffene Lamelle zu melden oder im Fall einer Über-/ Unterschreitung Alarm zu schlagen über die integrierte E-Sim-Karte. Abbildung 16: mobiles kompaktes System Plug&Play Abbildung 17: Auswertung im online-interface in Echtzeit; jeder Graph stellt die Bewegung einer Lamelle dar; Beispiel hier: irreguläre Abstandsabweichung ab 17: 10h von Lamelle 1 zu 3 resultiert in Alarmierung des Nutzers 1. Fachkongress Digitale Transformation im Lebenszyklus der Verkehrsinfrastruktur - Juni 2021 185 Innovatives Monitoring von Fahrbahnübergängen und Brückenbauwerken zur Verlängerung der Lebensdauer Aus diesem Konzept ergeben sich 2 große Vorteile: 1. Die relativen Abstände zueinander sind in Echtzeit aus der Ferne einsehbar und verfügbar 2. Eine Aufzeichnung und Auswertung der Bewegungsdaten eröffnet dem Betreiber Bedarfsorientiert Inspektionen und Wartungen anzuordnen. Dadurch, dass die Verschleißgrenzen der eingesetzten Gleitwerkstoffe bekannt sind, lassen sich über die Laufleistung die Wechselintervalle präzise planen, ohne Gefahr zu laufen Schäden zu produzieren. Neben der Planung von Prüf- und Wechselintervallen, geben die ggf. über Sollwert abweichenden relativen Öffnungen (z.B. der ersten Lamelle gegenüber der 2, 3). Hinweise auf Beschädigungen von Einzelkomponenten in der Baugruppe in etwa defekte Auflager, Federn, etc. 4. Ausblick Mageba hat erkannt, dass es Innovationspotenzial im Bereich des Monitorings gibt. Die etablierte Bauwerksüberwachung funktioniert zuverlässig und solide, ebenso gut und kompetent arbeiten die Ingenieurbüros in diesem Metier. Bezogen auf den Brückenbau zeigen sich hier und da neue oder noch nicht erschlossene Ansätze und Potenziale, z.B. die Nutzung des Fahrbahnübergangs als geeignete und ausreichend sensible Stelle zum Datenabgriff. Die Vorteile liegen klar auf der Hand und eröffnen die Möglichkeiten zügig und ohne Eingriff in das Bauwerk oder den Verkehr relevante Informationen über den Zustand der Brücke zu gewinnen. Mageba empfiehlt: kritische Bauteile und Ausstattungsteile sollen präventiv mit Sensoren bestückt werden, womit sich Überbeanspruchungen, unübliches Verhalten erkennen lassen und entsprechend reagiert werden kann, bevor irreversible Schäden entstehen. 4.1 Anregung Im privaten Leben ist die Überwachung längst angekommen. Während man zu früheren Zeiten noch Kalorien auf einem Zettel notiert hat und erst beim Klappern des Motors in die Werkstatt fuhr, gibt es heute die Smartwatch und den modernen Bordcomputer. Anfänglich als unnötig und Technikspielerei verschmäht, ist Beides aus dem heutigen Alltag kaum noch wegzudenken. Ihre Smartwatch erinnert Sie daran ausreichend Wasser zu trinken und mehr Schritte zu gehen; parallel meldet ihr Auto, dass Sie Kraftstoffadditive in spätesten 500km tanken sollten und der Reifen hinten beifahrerseitig zu wenig Luftdruck hat. Wozu diese Datenflut? Wozu die Transparenz? Zugegeben sind sicherlich viele Informationen/ Funktionen Spielerei oder lediglich ‚Nice-to-know‘. Dennoch findet dieser Geschäftszweig reichlich Zustimmung und Absatz, aus zwei einfachen Gründen: - Die Einen möchten sich besser fühlen, quasi das Gefühl von Sicherheit Bescheid zu wissen über Körper und Fahrzeug. => Status/ Condition - Die Anderen nutzen diese Informationen proaktiv, um sich ausreichend zu bewegen, sich gesünder zu ernähren oder um durch Wartung und Inspektion am Fahrzeug das Maximum Ihrer Investition auszureizen und zuverlässig lange Strecken zurücklegen zu können. => Schadensprävention Man berücksichtige hier, dass die Melde-/ Alarmschwelle in beiden Fällen nicht der Schaden ist, sondern sich nach der Prävention richtet, um durch kleine regelmäßige Maßnahmen, gravierende Schäden zu vermeiden. Ein Bordcomputer für Ihre Brücke kann bedeuten: - Schadensfrüherkennung - Schadensprävention - Inspektionsintervalle nach Bedarf (tatsächliche Zyklen) - Erinnerung an ausstehende Wartungen - Digitales Wartungsbuch - Reduzierung des personellen Aufwands über Fernzugriff - Effektivere Budgets Abbildung. 18: typische Meldesymbole KFZ als Analogie Wann schenken Sie Ihrer Brücke eine Smartwatch?