Bauwerksmonitoring: Sicherheit und Langlebigkeit durch moderne Sensorik

Unsere Infrastruktur altert – umso wichtiger ist es, den Zustand von Brücken, Gebäuden und anderen Bauwerken kontinuierlich im Blick zu behalten. Ziel des Bauwerksmonitorings ist es, Schäden frühzeitig zu erkennen und die Lebensdauer von Bauwerken deutlich zu verlängern.

Während herkömmliche Messtechniken wie Dehnmessstreifen oder Wegaufnehmer nur lokale Veränderungen erfassen, ermöglichen verteilte faseroptische Sensoren (Distributed Fiber Optic Sensors = DFOS) eine ganz neue Qualität der Überwachung.

Mit dieser Technologie lassen sich Dehnungen hochauflösend über Distanzen von bis zu 100 Metern messen – und das mit einer Ortsauflösung im Submillimeterbereich. So können wichtige Informationen gewonnen werden, etwa über:

• Rissbildung und -entwicklung
• Verformungen im Bauwerk
• dynamisches Verhalten bei Belastungen
• strukturelle Defizite

Das Ergebnis: mehr Sicherheit, bessere Planbarkeit und eine längere Lebensdauer unserer Bauwerke.

Um die neuesten Entwicklungen im Bereich faseroptischer Messsysteme zu begleiten, ist die Hentschke Bau GmbH Teil des Projektkonsortiums in den Forschungsprojekten IDA-KI, ANYTWIN und FOSsure, gefördert im Rahmen des mFUND vom Bundesministerium für Digitales und Verkehr.

IDA-KI – Monitoring ab Stunde Null mit faseroptischen Sensoren

Im Forschungsprojekt IDA-KI (Infrastrukturdatenauswertung mit künstlicher Intelligenz) werden durch ein Projektkonsortium aus Hentschke Bau GmbH, TU Dresden, TU Hamburg und MKP GmbH Methoden entwickelt, um Monitoringdaten von Ingenieurbauwerken automatisiert auszuwerten und zuverlässig zwischen Messfehlern und tatsächlichen Schäden zu unterscheiden. Damit wird die Grundlage geschaffen, Brücken dauerhaft und effizient mit sogenannten „Digitalen Zwillingen“ zu überwachen.

Ein zentrales Element des Projekts ist die auf dem Gelände der Hentschke Bau GmbH errichtete Forschungsbrücke openLAB mit 45 Metern Gesamtlänge. Hier wurde durch uns die Sensorik teilweise bereits vor der Betonage der Spannbetonfertigteile in die Bewehrung integriert. Dadurch ist ein Monitoring ab „Stunde Null“ möglich – also unmittelbar ab Entstehung des Bauwerks.

Von besonderer Bedeutung ist der Einsatz verteilten faseroptischen Sensoren (DFOS). Mit einer Gesamtlänge von etwa 1,5 Kilometern bilden sie in der Brücke ein künstliches Nervensystem. Diese Technologie ermöglicht eine quasi-kontinuierliche Dehnungsmessung und liefert wertvolle Informationen, zum Beispiel zum Vorspanngrad, zu einer möglichen Rissbildung oder anderen strukturellen Schäden.

Die erfassten Daten werden im Projekt nicht nur gespeichert, sondern auch systematisch aufbereitet. Dafür wurde die offene Programmbibliothek „fosanalysis“ entwickelt, die eine teilautomatisierte Auswertung großer Datensätze ermöglicht und kontinuierlich weiterentwickelt wird.

Zur Validierung der Verfahren wird die Brücke unter realen Umweltbedingungen zunächst im ungeschädigten Referenzzustand überwacht und anschließend gezielt bis in den starken Schädigungszustand belastet. So entsteht eine einmalige Realdatenbasis, die charakteristische Signale von Bauwerksschäden und Messfehlern enthält – eine Grundlage für innovative KI-gestützte Auswertemethoden.

ANYTWIN – Messdaten für sichere Brücken im Digitalen Zwilling

Im Forschungsprojekt ANYTWIN werden in Zusammenarbeit mit der TU Dresden, der TU Berlin, der GMG Ingenieurgesellschaft und der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) standardisierte Mess- und Auswertekonzepte für die Tragsicherheitsnachweise von Straßenbrücken entwickelt. Ziel ist es, mit realitätsnahen Monitoringdaten eine verlässliche Grundlage für den Digitalen Zwilling von Brückenbauwerken zu schaffen. So entsteht ein durchgängiges Konzept von der Datenerfassung über die Auswertung bis hin zur Integration in digitale Nachweisverfahren.

Ein besonderer Schwerpunkt der Hentschke Bau GmbH liegt auf der Nutzung von Temperatur- und Dehnungsmessungen mit verteilten faseroptischen Sensoren. Diese Messungen liefern präzise Informationen über das tatsächliche Tragverhalten einer Brücke. Sie können konservative Annahmen des Tragwerksplaners durch reale Kennwerte des Bauwerks ersetzen und eine Basis für realitätsnahe und wirtschaftliche Tragfähigkeitsnachweise ermöglichen – etwa im Bereich der Querkraft, bei Koppelfugen oder Spannungsrisskorrosion.

Die Hentschke Bau GmbH bringt ihr Know-how im Ingenieur- und Stahlbetonbau sowie in der Umsetzung digitaler Monitoringlösungen in das Projekt ein. Durch vielseitige Erfahrung mit faseroptischem Monitoring entwickelt Hentschke Methoden, mit denen Messdaten strukturiert, qualitätsgesichert und standardisiert in den Digitalen Zwilling integriert werden. Dadurch können nicht nur Nachweisergebnisse, sondern auch Messrohdaten nachhaltig und interoperabel genutzt werden – über Generationen hinweg.

Die Validierung der Konzepte erfolgt an Langzeitmessdaten verschiedener Pilotbauwerke sowie am openLAB in Bautzen. Damit wird sichergestellt, dass die entwickelten Methoden praxisnah und übertragbar auf unterschiedliche Brückentypen sind.

Mit ANYTWIN entstehen Handlungsempfehlungen und Standards, die Ingenieuren eine einheitliche, messdatenbasierte Sicherheitsbewertung ermöglichen und den Weg für eine zukunftssichere Überwachung von Brücken ebnen.

FOSsure – Automatisiertes Monitoring mit faseroptischer Sensortechnik

Im Projektvorhaben FOSsure wird das Potenzial verteilter faseroptischer Sensoren (DFOS) für das Brückenmonitoring konsequent weiterentwickelt. Ziel ist es, Verfahren zu schaffen, mit denen große Datenmengen automatisiert ausgewertet und direkt in das bestehende Instandhaltungsmanagement integriert werden können.

Auf Basis moderner Ansätze, wie z. B. maschinelles Lernen, werden strukturelle Auffälligkeiten und Schäden am Tragwerk zuverlässig detektiert. Dafür werden Zustandsindikatoren ermittelt, die nicht nur auf DFOS-Messwerten beruhen, sondern auch Komplementärdaten wie Wetter-, Verkehrs- und Bauwerksdaten einbeziehen. Diese Indikatoren fließen in standardisierte Bewertungsroutinen ein und machen den Bauwerkszustand transparent und objektiv nachvollziehbar.

Zur Schaffung einer belastbaren Realdatenbasis werden unterschiedliche Szenarien kombiniert:

• Laborversuche
• Messungen an der openLAB-Forschungsbrücke in Bautzen
• Langzeitmessungen an vier Straßenbrücken öffentlicher Träger

Dabei kommen verschiedene DFOS-Messsysteme zum Einsatz. Durch Vergleichsmessungen zwischen den Systemen und Messprinzipien – etwa hinsichtlich der Übertragbarkeit von Sensormetadaten – wird ihre Interoperabilität untersucht.