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15.02.2019

Überwachung von Brücken mit Profil-Laserscannern

TU-Wissenschaftler entwickeln lasergestütztes Messverfahren

Tragwerke von Ingenieurbauwerken wie zum Beispiel Brücken müssen regelmäßig überprüft werden. Dies ist oft mit erheblichem technischen und personellen Aufwand verbunden. Ein Forscherteam der TU Darmstadt hat ein Monitoring-Verfahren entwickelt, mit dem ganze Brückenprofile berührungslos mit Profil-Laserscannern erfasst und überwacht werden können.

Profilscanner im Rahmen eines Belastungsversuches an einer historischen Mauerwerksbrücke. Bild: Florian Schill – © Florian Schill
Profilscanner im Rahmen eines Belastungsversuches an einer historischen Mauerwerksbrücke. Bild: Florian Schill

In Deutschland gibt es weit über 100.000 Brücken – davon allein rund 40.000 Brücken an Autobahnen und Bundesstraßen und circa 25.000 an Eisenbahnlinien. Um die Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit der Bauwerke sicherzustellen, müssen sie in bestimmten Intervallen untersucht werden. Viele der Brücken haben ihre Alters- und, aufgrund des stark angestiegenen Verkehrsaufkommens, auch ihre Belastungsgrenze erreicht. Sie müssen daher besonders überwacht werden – eine Herausforderung für ihre Betreiber.

Überwachungs-Messungen an Brücken erfolgen bislang taktil, das heißt, am zu prüfenden Bauwerk müssen Sensoren angebracht und nach erfolgter Messung wieder demontiert werden. Oftmals führt das zu Sperrungen von Straßen und Bahnlinien oder Behinderungen des Verkehrs. Die lastbedingten Deformationen werden zudem nur punktuell an den mit Sensoren versehenen Stellen erfasst. „Um die hohe und steigende Zahl an Überwachungsaufgaben effizient bewältigen zu können, ist ein modernes und praktikables System erforderlich“, sagt Professor Andreas Eichhorn vom Fachgebiet Geodätische Messsysteme und Sensorik (GMSS) der TU Darmstadt.

Brückenprofile messen

Raumzeitliche Darstellung einer Zugüberfahrt mit zwei Waggons. Die sechs Abbildungen (Zeilen) entsprechen jeweils der räumlichen Darstellung eines definierten Zeitpunktes während der Überfahrt. Bild: Anna Sviridova, Florian Schill – © Anna Sviridova, Florian Schill
Raumzeitliche Darstellung einer Zugüberfahrt mit zwei Waggons. Die sechs Abbildungen (Zeilen) entsprechen jeweils der räumlichen Darstellung eines definierten Zeitpunktes während der Überfahrt. Bild: Anna Sviridova, Florian Schill

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen vom Fachgebiet GMSS haben daher Brückenmessungen mit einem Profil-Laserscanner durchgeführt. Damit ist es möglich, statische und dynamische Deformationen (zum Beispiel Durchbiegungen) einer Brücke in Zehntel-Millimeter-Genauigkeit nicht nur für einzelne Punkte, sondern für komplette Profile zu ermitteln. Die Messung erfolgt berührungslos, somit können auch bisher unzugängliche Stellen von Bauwerken erfasst werden. Als Ergebnis liegen für die gesamte Länge eines Brückenprofils Messwerte vor, die zeigen, wie sich das Tragwerk im Ruhezustand verhält, wie stark es sich bei Belastung verformt und ob diese Deformationen noch innerhalb tolerierbarer Grenzen liegen. Messung und Auswertung erfolgen dabei weitgehend automatisiert.

Die so gewonnenen Messwerte besitzen eine leicht höhere Messunsicherheit als jene mit konventionellen Verfahren ermittelten Daten. Trotzdem ist diese Methode ausreichend, um typische Tragwerksdeformationen zuverlässig zu erfassen und den Zustand der Brücken zu bewerten.

Das notwendige Mess- und Auswertekonzept hat Dr.-Ing. Florian Schill im Rahmen seiner Promotion am GMSS erarbeitet. Das Messsystem basiert auf einem Z+F Profiler Laserscanner. Dabei handelt es sich um einen nach dem Phasenmessprinzip arbeitenden Profilscanner, dessen Haupteinsatzgebiet im Bereich der mobilen Straßenraumerfassung liegt. Die Anwendung zur Überwachung von Tragwerken stellt eine Umkehrung dieses Einsatzzweckes dar, da hier von einer statischen Plattform aus ein sich bewegendes Messobjekt abgetastet wird. Dazu wird der Laserstrahl in einer Richtung über das Messobjekt geführt, und zwar mit einer Wiederholrate von bis zu 200 Hertz. Die maximale Messentfernung beträgt dabei rund 120 Meter, bei einer maximalen Datenaufnahmerate von einer Million Punkte pro Sekunde.

Dynamische Bauwerksparameter erfassen

Auch andere Bauwerke, wie zum Beispiel Windenergieanlagen, Lärmschutzwände und Fabrikhallen wurden vom Fachgebiet GMSS bereits mit dem vorgestellten Profil-Laserscanner überwacht. Durch die hohe Abtastrate des Scanners können dynamische Bauwerksparameter, wie zum Beispiel Eigenfrequenzen oder auch Dämpfungsmaße, erfasst werden.

Wie „artfremde“ Technik zur Brückenüberwachung ebenfalls eingesetzt werden kann, wurde in einem weiteren Projekt an der TU erforscht. Hierzu stellte ein Team um Professor Matthias Becker vom Fachgebiet Physikalische Geodäsie und Satellitengeodäsie fest, dass Lageabweichungen von Bauwerken auch mit Mikrowellen erfasst werden können – mit einer Methode, die sonst für die Überwachung von instabilen Hängen eingesetzt wird.

„Profil-Laserscanner bieten eine neue und sichere Möglichkeit für die Überwachung von Tragwerken“, fasst Eichhorn die neue Technik zusammen. „Durch den reduzierten Aufwand ist eine deutliche Effizienzsteigerung und die wirtschaftliche Überwachung von Brücken möglich.“

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