Brücken effizient überwachen

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8000 Autobahnbrücken stufte das Bundesministerium für Digitales und
Verkehr in der Zustandserfassung 2022 als sanierungsbedürftig ein. Höchste
Zeit also, Deutschlands Brücken kontinuierlich zu überwachen. Mit dem
modularen Schallemissionssystem »COMOBASE« präsentiert das Fraunhofer-
Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS eine innovative
Lösung zum permanenten Infrastrukturmonitoring – speziell auf die
jeweiligen Anforderungen zugeschnitten und deutlich kostengünstiger als
herkömmliche Technologien.

Im Fokus der Forschenden des Fraunhofer IKTS steht ein klarer Ansatz: weg
von universeller, teurer Messtechnik – hin zu anwendungsspezifisch
optimierten Systemen. »Meistens benötigt eine Anwendung nur einen geringen
Prozentsatz dieser teuren Allround-Angebote. Wir entwickeln unsere
Monitoringtechnik deshalb nicht nach dem Gießkannenprinzip, sondern exakt
für den Einsatz an den entsprechenden Bauwerken wie zum Beispiel Brücken,
Drucktanks, Anlagen der chemischen Industrie oder auch Windrädern – und
können dadurch die Kosten deutlich reduzieren«, erklärt Dr. Lars Schubert,
Abteilungsleiter für Zustandsmonitoring und Prüfdienstleistung am
Fraunhofer IKTS. »Durch Skalierung erwarten wir in Zukunft noch weitere
Kosteneinsparungen.«

Schallemission: Wenn Bauwerke »sprechen«

Die Technologie basiert auf einem physikalischen Prinzip: Schäden wie
Risse oder brechende Spannstähle setzen bei der Entstehung akustische
Signale frei. Diese Schallemissionen werden von Sensoren erfasst,
lokalisiert und ausgewertet. »Man kann sich das wie das Reißen einer
gespannten Gitarrensaite vorstellen – jedes Schadensereignis erzeugt ein
charakteristisches Geräusch, das wir mit unserer Technik detektieren und
räumlich zuordnen können«, erläutert Dr. Kilian Tschöke, Wissenschaftler
am Fraunhofer IKTS. Im Gegensatz zu klassischen Prüfverfahren, die nur
punktuell eingesetzt werden, ermöglicht COMOBASE eine permanente
Überwachung – vergleichbar mit einem Langzeit-Stethoskop für Bauwerke.
Diese Überwachung konzentriert sich besonders auf niedrige
Frequenzbereiche, die massive Strukturen besser durchdringen können. Dafür
werden akustische Sensoren, perspektivisch auch MEMS-Sensoren, kurz für
»Mikro-Elektro-Mechanische Systeme«, an strategischen Punkten des Bauwerks
befestigt.

Für die Messtechnik, die die Signale aufnimmt, haben die Forschenden eine
anwendungsspezifisch zugeschnittene Elektronik entwickelt. Das System
basiert auf der am Fraunhofer IKTS entwickelten PCUS-Technologie und
besteht aus modularen Mess- und Interfacekarten zum Anschluss an die
Sensorik. Ein Grundsystem verarbeitet 32 Kanäle parallel. Über ein
bereitgestelltes Software Development Kit besteht die Möglichkeit, das
System über eine kundeneigene Prüfsoftware anzusprechen. »Unser Angebot
ist hoch individualisiert. Dabei verzichten wir bewusst auf technische
Eigenschaften, die für das Monitoring nicht erforderlich sind. Dadurch
können wir die Hard- und Software deutlich schlanker und kostengünstiger
gestalten«, so Fraunhofer IKTS-Forscher Lars Schubert.

Adressaten der neuen Lösung sind vor allem Ingenieurbüros, die im Auftrag
von Kommunen und Infrastrukturbetreibern Gutachten erstellen. »Wir bieten
Ingenieursbüros ein vollständiges individualisiertes Paket, um
infrastrukturelle Schäden zu erkennen, auszuwerten und das bauliche Risiko
entsprechend zu bewerten«, so Tschöke.

Erfolgreiche Validierung im Praxiseinsatz

In aktuellen Feldtests wird COMOBASE bereits parallel zu etablierten
Systemen an einer realen Brückenstruktur eingesetzt. Die Ergebnisse
sprechen für sich: »Unsere Validierungen bestätigen, dass wir mit deutlich
reduzierter Systemkomplexität die gleiche Aussagekraft erreichen können«,
sagt Schubert.

Im nächsten Schritt plant das Fraunhofer IKTS die Weiterentwicklung auch
anderer Technologien, z. B. Glasfasersensorik, für das infrastrukturelle
Monitoring. Zudem wird im Projekt »Fit4Infrastructure« am Fraunhofer
IKTS‑Standort in Dresden‑Klotzsche ein Applikationszentrum für Prüf‑ und
Monitoringverfahren für Infrastrukturanwendungen aufgebaut.