Neue Wege im Bahnbrücken-Monitoring

Ein Pilotprojekt von DB InfraGO und ASC-Sensors soll das Monitoring von Bahnbrücken revolutionieren: Smarte Sensorik ermöglicht die kontinuierliche Überwachung von Bauwerken, erkennt Veränderungen frühzeitig und reduziert aufwändige Messungen sowie Betriebsunterbrechungen. So lassen sich Sicherheit und Lebensdauer kritischer Brücken erhöhen. 

Mehr als 25.000 Brücken in ganz Deutschland fallen in die Zuständigkeit der dreizehn Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der Abteilung Brückenmessung der DB InfraGO AG. Eine intensive Aufgabe und extreme Verantwortung. Unterstützt durch die Expertise von ASC-Sensors arbeiten die DB-Brückenprofis derzeit an einem innovativen Pilotprojekt, um die Überwachung und proaktive Wartung kritischer Bahnbrücken einfacher, sicherer und langfristig kostengünstiger zu gestalten. „Sobald ein Anlagenbetreiber oder Brückenkontrolleur vor Ort eine außergewöhnliche Veränderung an einem Bauwerk feststellt, oder bloß einen Verdacht hegt – werden wir verständigt“, berichtet Ingenieur Peter Krempels, Teamleiter der Messgruppe  

Das Messteam rückt dann mit der entsprechenden Messausrüstung zum betroffenen Bauwerk aus. Damit die herkömmliche Lasermessung an relevanten Messpunkten durchgeführt werden kann, müssen zunächst teils schwierige Geländeverhältnisse überwunden werden wie starker Bewuchs, Flussbette oder felsige Berghänge.  

Betriebsunterbrechungen minimieren oder verhindern 

Messungen sind grundsätzlich aufwändig. Sie erfordern Zeit, Personal, umfangreiches Material und oft weiträumig ausgelegte Kabel. „Alles, was wir machen, hat Einfluss auf den regulären Betrieb“, so der Messingenieur. „Bei Eisenbahnbrücken muss für Messungen von unten in der Regel auch der gesamte Verkehr des Kreuzungspartners gesperrt werden.“  

Und zwar nicht nur während der Messarbeiten: Besteht akuter Verdacht auf Probleme der Stand- und/oder Betriebssicherheit an einem Bauwerk, sollte die Brücke sofort gesperrt werden, bis dieser Verdacht durch eine messwertgestützte Nachrechnung entkräftet ist – oder geeignete Instandsetzungsarbeiten abgeschlossen wurden. „Nach dem Messeinsatz erhält der Betreiber einen ausführlichen Bericht mit technischen Empfehlungen für den sicheren Weiterbetrieb der Brücke“, erklärt Krempels. In Extremfällen kann das mitunter auch zum Abriss und Neubau eines instabilen Bauwerks führen. „Besonders bei älteren Brücken kann das in teure, langfristige Betriebsunterbrechungen münden. Diese wollen wir durch ein innovatives neues Messkonzept mittels smarter Sensortechnologie minimieren oder verhindern, die wir derzeit im Pilotprojekt mit ASC testen.“  

Smarte, flexible Sensortechnologie zur Dauerüberwachung 

Dazu werden smarte Sensorsysteme der Serie ASC AiSys® ECO speziell konfiguriert, um die diversen Gegebenheiten unterschiedlichster Brückenbauten zu berücksichtigen Abgesehen vom Material spielen die Art der Konstruktion, die Länge und viele weitere Faktoren eine Rolle. „Kein Sensormodell deckt alle Anforderungen ab. Daher ist die flexible Konfiguration der Sensorsysteme von Vorteil.“  

„Die innovativen MEMS-basierten Beschleunigungssensor-Systeme von ASC bieten eine gute Ergänzung zu traditionellen referenzbasierten Überwachungsmethoden“, stellt ASC-Entwicklungsingenieur Esey Gebreyesus fest. „Die präzise, dynamische Echtzeit-Abweichungsmessung unserer Systeme erweitert den Anwendungsspielraum. Sie sind einfacher zu installieren und erhöhen damit die Flexibilität der Anwendung – was wertvolle zusätzliche Einsatzmöglichkeiten bietet.“ 

Ein wesentlicher Indikator für den Zustand einer Bahnbrücke ist ihre Durchbiegung. Diese dient als Grundlage zur baumesstechnischen Berechnung der Tragfähigkeit. „Wenn sich nach Jahrzehnten der Nutzung die Standard-Durchbiegung unter derselben Zuggarnitur beim selben Tempo von 1,5 auf 1,7 Millimeter zu nimmt, dann muss man nachsehen, woran das liegt“, so Krempels. „Es könnte an der Außentemperatur? liegen oder an der Zugbeladung ... es kann aber auch einsetzende Materialermüdung sein.  

Herkömmliche Lasermessungen bieten ein direktes, jedoch sehr aufwändiges Verfahren zur Erfassung der statischen und dynamischen Durchbiegung. Dazu kommt, dass man zunächst abschätzen muss, wann wo welcher Messbedarf besteht. Die Teams von ASC und DB InfraGO arbeiten an einer Alternative, um in Frage kommende Bauwerke künftig dauerhaft zu überwachen. 

Spezielle Sensoreigenschaften 

Die Überwachung der dynamischen Durchbiegung spielt eine kritische Rolle in der Gesamtbeurteilung des „Gesundheitszustands“ und Sicherheit der Brückenstruktur. Im Unterschied zur statischen Durchbiegung, welche Positionsabweichungen zufolge des Eigengewichts und anderer Dauerbelastungen wiedergibt, zeigt die dynamische Durchbiegung, wie die Brücke auf variable Kräfte wie Verkehrsbelastungen, Wind, seismische Aktivitäten oder Temperaturveränderungen reagiert. 

An definierten Messpunkten angebracht, sollen die Sensorsysteme permanent alle maßgeblichen Parameter kontrollieren und laufend in einem mehrstufigen Verfahren analysieren. „Aufgrund ihrer speziell für das Brückenmonitoring ausgelegten Eigenschaften eignet sich die smarte Sensortechnologie von ASC ganz besonders für die komplexen Anforderungen der dynamische Durchbiegungsüberwachung“, so Gebreyesus. Zu diesen Eigenschaften zählen: 

• Hochfrequente Datenabtastung der Beschleunigung  
• Adaptive DC-Offset-Entfernung in Echtzeit 
• Erweiterte Filterung und Downsampling 
• Doppelte Integration und Driftkorrektur 
• Phasenkorrektur und Beseitigung unerwünschter Einflüsse 
• Integrierte Datenverarbeitung und Ausgabe der Durchbiegung 

In Zukunft sollen, während der Zugüberfahrt Materialdehnung und weitere Faktoren dem Durchbiegungsverhalten algorithmisch berechnet und daraus ein Gesamtbild aller in der Konstruktion stattfindenden Veränderungen eruiert werden. Damit werden bereits frühzeitig die Vorzeichen kleinster Veränderungen in der Bausubstanz erfasst und sofort gemeldet.  

Dabei ist die automatisierte Datenintegration der smarten ASC-Sensorsysteme entscheidend. „Sie soll es ermöglichen, dass uns quasi in Echtzeit nicht nur die Ergebnisse vorliegen, sondern man daraus bei entsprechender Programmierung auch sofort geeignete Handlungsvorschläge erhält“, so Krempels. Ein großer Vorteil für die Ingenieure, die bei herkömmlicher Lasermessung anschließend noch viel Zeit auf Analysearbeiten, Besprechungen und das Ausarbeiten von Empfehlungen verwenden müssen. 

„Frühwarnsystem“ für Bahningenieure 

„Statt auf Problemmeldungen zu warten und individuell zu reagieren – quasi auf Zuruf des Kollegen vor Ort, der ‚seine‘ Brücken regelmäßig optisch kontrolliert – wollen wir kritische Bauwerke in Zukunft dauerhaft monitoren und vorausblickend instandhalten, bevor ein akuter Schaden den Betrieb stilllegt“, so Krempels. „Die mangelnde Planbarkeit erforderlicher Wartungsarbeiten ist für Strecken- und Bahnbetreiber immer schwierig.“ Vorausblickendes Langzeitmonitoring wäre daher vor allem bei Brücken, die bereits länger im Einsatz stehen, von großem Vorteil. „Wir erwarten, dass der neue Ansatz nicht nur bei der rechtzeitigen Erkennung von Instandhaltungsbedarf helfen wird, sondern diesen auch kostengünstiger gestalten und daher viele Brücken länger sicher und wirtschaftlich in Betrieb halten wird.“ 

Dabei wäre es jedoch nicht sinnvoll, Tausende von Brücken unterschiedlichster Verfassung, Bauweise und Beanspruchung lückenlos mit der modernen Messtechnologie auszustatten. Denn neue Bauwerke sind häufig auf 80 bis 100 Jahre Lebensdauer ausgelegt. „In den ersten 50 Jahren muss man nicht ständig messen“, so der erfahrene Ingenieur. Das zeigt auch die Statistik. Doch bei älteren Bestandsbrücken kann es zu ungewollten Veränderungen bis hin zu kritischen Zuständen kommen. „Wir evaluieren derzeit die Vorteile einer Ausstattung von Brücken mit Dauermonitoring ab einer Lebensdauer von etwa fünf Jahrzehnten“, so Krempels.  

Es kommt aber auch vor, dass bereits im Rahmen der Zulassungsprüfung ein laufendes Monitoring verlangt wird. Vor allem bei neuartigen technischen Konstruktionen, die außerhalb etablierter Standards liegen und wo noch keine jahrzehntelangen Erfahrungswerte und technischen Richtlinien existieren. 

Echtzeitüberwachung erhöht Sicherheit und Lebensdauer  

Als Voraussetzung für das verlässliche, wirtschaftliche Langzeitmonitoring eines Bauwerks ist zunächst ein exaktes Gesamtbild des aktuellen Zustands erforderlich. Dies erfordert eine Systemmessung mit einer hohen Anzahl von Messpunkten. Erst danach kann man aussagekräftige Messpunkte festlegen, die zukünftig als Grundlage für dauerhaftes Monitoring dienen können. „Die Gegebenheiten sind für jede Brücke anders. Daher sind unsere Testreihen mit ASC wichtig, um alle Einflussfaktoren richtig einschätzen zu lernen, bevor wir in eine breitere Anwendung gehen“, so Krempels. Die Vorbereitungsarbeiten für das Dauermonitoring einer betroffenen Konstruktion können daher über ein Jahr dauern und verursachen einen hohen Anfangsaufwand, der allerdings bald durch wesentlich geringere laufende Kosten kompensiert und vor allem eine erhebliche Risikominimierung bringen soll. 

Eine Herausforderung dabei ist es, die Messungen trotz unterschiedlichster, rasch wechselnder Belastungen konstant stabil zu halten – unbeeinflusst von Zuggewicht,  
-geschwindigkeit, Fliehkräften, Klimaveränderungen und so weiter. „Auch aus diesem Grund benötigen wir zuverlässige Sensoren mit höchster Präzision und Langzeitstabilität“, sagt Krempels. 

Flexible Partnerschaft 

Mit den ASC-Sensorprofis ist das Brückenmessteam der DB InfraGO seit rund zwei Jahren im Gespräch. Die Überwachung von mehr als 25.000 Brücken unterschiedlichster Bauzustände und Beanspruchungen ist komplex. „Um die ‚richtigen‘ Brücken für sinnvolles, wirtschaftliches Dauermonitoring auszuwählen und dann korrekt von herkömmlicher Spontanmessung umzustellen, führen wir seit einiger Zeit Testmessungen mit den ASC AiSys ECO Beschleunigungssensoren durch“, erklärt Krempels. „Diese Tests waren zuletzt sehr erfolgreich, sodass wir nun die nächsten Schritte beraten können.“ 

„Für diese Innovation im Bahnbrücken-Monitoring haben wir einen kompetenten Partner gesucht, der nicht nur über eine flexible Palette hochwertiger digitaler und smarter Inertialsensorlösungen verfügt, sondern auch bereit war, diesen neuen Weg gemeinsam mit uns zu gehen“, erinnert sich Krempels. So wären andere Anbieter etwa nicht bereit gewesen, ihre Standardsensoren speziell für das Pilotprojekt zu adaptieren, Software an individuelle Gegebenheiten anzupassen oder kleine Stückzahlen für die Testreihen herzustellen. „ASC konnte bisher auf alle unsere Wünsche eingehen, hat sich als flexibler Partner erwiesen und trotz kleinster Stückzahlen viel Zeit investiert, um unsere Anforderungen zu verstehen und gemeinsam umzusetzen.“