Radarsensorik gegen einstürzende Brücken

Deutschlands Infrastruktur hat argen Sanierungsbedarf, Tausende von Schienenkilometern und zahllose Autobahnbrücken sind betroffen. Mit Radarsensorik liessen sich die maroden Bauten nicht nur günstig überwachen, sondern auch die Situation entschärfen. Dies ist die Idee eines Forschungsteam des deutschen Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen.

Quelle: Valentin Karisch, Unsplash

Die Carolbrücke, nach dem sie kollabiert war.

Am 11. September 2024 hatte Dresden Glück im Unglück: Um drei Uhr morgens sackte ein Teil Carolabrücke in die Elbe ab. Immerhin war wegen der frühen Stunde niemand auf der Brücke unterwegs gewesen – der Einsturz hatte weder Tote noch Verletzte zur Folge. Wäre sie jedoch zur Hauptverkehrszeit eingebrochen, wäre es zur Katastrophe gekommen: Tagsüber querten 30'000 Autos das in den 70er-Jahren errichtete und in den 90er-Jahren sanierte Bauwerk. Schuld, dass die Brücke kollabierte, waren Ermüdungserscheinungen. - Der Teileinsturz der Carolabrücke sei ein Weckruf für die deutsche Infrastrukturpolitik gewesen, schreibt das Deutsche Fraunhofer Instistuts in seiner Medienmitteilung. 

Was in Dresden geschehen war, hätte auch anderswo im Land passieren können: In Deutschland gelten mindestens 8000 Autobahnbrücken und rund 18000 Schienenkilometer als baufällig, der Sanierungsbedarf wird auf bis zu 100 Milliarden Euro geschätzt.  Intelligente Sensorik kann die Lebensdauer solcher Infrastrukturen erhöhen, sie kann helfen, Sanierungen gezielter zu planen und gleichzeitig für mehr Sicherheit sorgen. Weil aber konstantes Monitoring teuer ist, wird es trotz seiner Effizienz vernachlässigt.

In Deutschland regelt die Überwachung und die Prüfung von Ingenieurbauwerken – insbesondere von Brücken –die Norm DIN 1076: Sie sieht regelmässige Bauwerksprüfungen vor, aber nicht ein konstantes Bauwerksmonitoring, das eine solide Datengrundlage für die Einschätzung von Sanierungsbedarfen oder Restlebensdauern bietet. Geht es nach dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS in Dresden, das Mitglied der Deutschen Gesellschaft für Bauwerksmonitoring (DeGeBaM), soll sich dies ändern. Da Institut engagiert sich dafür, dass Sensorik zu einem integralen Bestandteil der Norm wird. Allerdings ist der Markt für spezifische Bauwerksmonitoring-Sensorik ist klein und die Technik daher teuer.

Kosten sparen günstiger Sensorik aus dem Automobilbereich?

Auf der Suche nach einer kostengünstigen Lösung kam man am Fraunhofer IIS in Dresden auf eine bereits etablierte Technologie mit ähnlichen Anforderungen: «Hohe Präzision, lange Lebensdauer, dauerhafte Belastung und Temperaturtoleranz von minus 40 bis plus 120 Grad Celsius? Da war die Antwort ganz klar: die Automobil-Sensorik», sagt Christoph Sohrmann, Gruppenleiter am IIS. «Denkbar sind zum Beispiel sogenannte MEMS-Sensoren, bisher nur in Fahrzeugen oder auch Handys verbaut, die einen Bruch in den Spanndrähten von Spannbetonbrücken ‚hören‘ können. Dieses Prinzip werden wir in Kürze mit der Firma MKP GmbH an einer echten Brücke testen. Vor allem aber nutzen wir Radarsensoren, ursprünglich entwickelt für autonomes Fahren.» 

Die Kosten handelsüblicher Spezial-Sensorik für infrastrukturelle Überwachung liegen dabei um den Faktor 10 oder sogar 100 über denen einer entsprechenden Neu-Nutzung von Fahrzeug-Sensorik, denn viele Aspekte wie etwa die Hardware, Standards der Produktion, Cybersecurity-Aspekte und die Selbstüberwachung der Sensoren können von der automobilen Nutzung übernommen werden.

Dennoch eignet sich die Radar-Sensorik aus dem Automobilbereich nicht eins-zu-eins für das sogenannte Structural Health Monitoring (SHM), mit dem verschiedene Schädigungsprozesse an Bauwerken detektiert werden. Denn die Auflösung in der frequenzbasierten Verarbeitung aus dem Fahrzeugbereich, ist zu gering, als dass sie winzige Veränderungen an Bauwerken registrieren kann. 

 Test der Sensorik an einer 45 Meter langen Versuchsbrücke

In einem Reallabor der TU Dresden in Bautzen hat das Forschungsteam an der 45 Meter langen Versuchsbrücke taktile Sensorik in Verbindung mit berührungsloser Messung per Radar getestet. Die dabei erhobenen Referenzdaten werden nun genutzt, um passende Sensor- und Monitoringkonzepte für infrastrukturelles Monitoring zu entwickeln und zu validieren. «Unsere Radarsensoren ermöglichen dabei eine sehr einfache Messung von Vibrationen an Bauwerken im Rahmen des Condition Monitorings sowie SHM-Kampagnen», so Sohrmann. «Unsere Lösung nutzt eine phasenbasierte interferometrische Auswertung der Daten, durch die auch statische Verschiebungen im Millimeter- oder sogar Submillimeterbereich sowie Schwingungen mit Frequenzen bis über 1000 Hz messbar werden.»

In Auftrag gegeben und ausgewertet werden die Messkampagnen von den für die Verkehrssicherheit der Bauwerke verantwortlichen Baulastträgern und den angebundenen Bauingenieur-Büros. Deshalb ist für Sohrmann ein intensiver Austausch der Gewerke für den Erfolg unbedingt notwendig: «Welche Daten müssen in welcher Genauigkeit und Frequenz erhoben werden? Sind die Ergebnisse leicht genug auslesbar? Solche Fragen müssen für eine passgenaue Entwicklung geklärt werden.» Steffen Marx, Professor für Massivbau an der TU Dresden, hat das Projekt daher von Anfang an massgeblich mit Inputs von Bauingenieurs-Seite unterstützt.

Konstantes Monitoring maroder Infrastruktur dank kostengünstigen Sensoren

Für die Messungen werden die Sensoren oder vielmehr sogenannte bodengebundene Radar-Inferometer zum Beispiel an oder unter einer Brücke angebracht. Damit lassen sich in wenigen Tagen und Wochen dynamische Messkampagnen durchführen, für ein langfristiges Monitoring werden die Daten über mehrere Jahre hinweg gesammelt. Sohrmann erklärt dazu: «Wie viele Sensoren wir synchronisieren können und welche Sensoren wir am besten durch geeignete Linsen oder Antennen oder auch Reflektoren an den Brücken optimieren können, das ist unter anderem Thema unseres Anschlussprojekts RICARES.» Das Projekt startete im Januar und ist auf das Monitoring der Stabilität von Eisenbahnbrücken fokussiert, die Technik ist aber auch für Strassenbrücken anwendbar. 

«Bezahlbare Sensorik ermöglicht es Baulastträgern, das Monitoring der Infrastruktur nicht nur bei Verdachtsfällen, sondern flächendeckend zu etabliere. Diese Chance sollten sie nutzen», so Sohrmann. Denn insbesondere die historischen Daten über die Belastung der Bauwerke seien für die Analyse beginnender Schäden eine grose Hilfe.-  Im weiteren Schritt strebt der Wissenschaftler zusätzlich zu RICARES nun sinnvolle Weiterfinanzierungen und Partnerschaften mit entsprechenden Industriepartnern an. (mgt/mai)