Zustandsüberwachung der Reichsbrücke
Wind, Erdbeben, Straßenverkehr und viele andere Einflüsse stellen eine Belastung für eine Brücke über den Lebenszeitraum dar. Um den Zustand und die Sicherheit der Reichsbrücke laufend erfassen zu können, wurde von arsenal research in Zusammenarbeit mit der MA 29 und Aplica Mess- und Prüftechnik ein Überwachungssystem aus Beschleunigungs- und Temperatursensoren installiert. Ziel ist es, den Zustand der Brücke zu überwachen, Schäden frühzeitig zu erkennen und somit die Gebrauchstauglichkeit und Sicherheit der Brücke zu gewährleisten.
Mit Hilfe der Zustandsüberwachung ("Health Monitoring") wird die aktuelle Zuverlässigkeit (Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit) des Tragwerkes und deren Veränderungen über die Zeit zu verfolgt und protokolliert. Dadurch wird der Tragwerkszustand genau überwacht und allenfalls die künftige Entwicklung prognostiziert. Insbesondere sollen - um eine Entscheidungsgrundlage für die Erhaltung zu erarbeiten - Fragen beantwortet werden, wie:
- Gibt es Schäden im Bauwerk?
- Sind Schäden im Bauwerk vorhanden, wo sind diese zu finden?
- Wie groß ist der Schaden, sind Sofortmaßnahmen erforderlich?
- Kann das Tragwerk seine Funktion mit ausreichender Sicherheit gewährleisten?
Zur Beantwortung dieser Fragen werden nach Aufzeichnung der Schwingungscharakteristik des Tragwerkes mit speziellen Sensoren die sogenannten modalen Parameter Eigenfrequenzen, Eigenschwingungsformen und Dämpfungswerte ausgewertet. Diese werden herangezogen um ein repräsentatives Bild über den aktuellen Tragwerkszustand abzuleiten.
Die Zustandsüberwachung wurde von der Magistratsabteilung 29 (Brückenbau und Grundbau) in Auftrag gegeben und wird durch das Geschäftsfeld Verkehrswege des Forschungs- und Prüfzentrums arsenal research durchgeführt.
Zustandsüberwachung >> Anwendung
Die Instandhaltung und Überwachung von Brücken hat in volkswirtschaftlicher Hinsicht große Bedeutung. Die zuverlässige Überwachung des Bauwerkszustandes ist deshalb für die Zukunft eine wesentliche Aufgabe.
Zur Überwachung der Zustandsentwicklung eines Bauwerks wird üblicherweise eine detaillierte Basismessung durchgeführt, sowie ein Finite-Element-Modell an die Ergebnisse der Messungen angepasst. Diese Basismessung sowie das Referenzmodell dienen als Grundlage der Interpretation von Folgemessungen, die Veränderungen des Eigenschwingungsverhalten aufzeigen können. Bei der zeitlichen Beobachtung des Tragwerkes kann das Konzept der periodischen oder kontinuierlichen Überwachung herangezogen werden.
- Periodische Untersuchung: die Messung des Schwingungsverhaltens erfolgt in bestimmten, zeitlich festgelegten Intervallen. Die Aufstellung der Sensoren erfolgt dabei in Abstimmung mit der Basisuntersuchung
- Kontinuierliche Untersuchung: dabei werden Sensoren dauerhaft in das jeweilige Tragwerk installiert und zeichnen ständig Messdaten auf.
Zustandsüberwachung >> Problemstellung
In Hinblick auf die angenommene Lebensdauer des vorhandenen Bauwerksinventars ergeben sich zukünftig enorme Unterhaltungs- und Sanierungskosten. In vielen Fällen wird es über die reine visuelle Inspektion hinaus erforderlich sein, eine zielführende Bauwerksüberwachung einzuführen, um der Maßnahmenplanung bei Bauwerken auch quantitative, objektive Messwerte und Entscheidungsmerkmale zugrunde zu legen.
In Österreich stehen beispielsweise bei einem veranlagten Vermögen von etwa 9,5 Mrd. € an die 12.000 Brückenobjekte mit einer Gesamtfläche von 7,4 Mio. m² unter Verkehr. Die jährlichen Erhaltungsausgaben sind dabei zwischen 10 und 15 € je m² der befahrbaren Brückenfläche anzusetzen. Neben den strategischen Kosten durch die Nutzungseinschränkung während der Erhaltungsarbeiten belaufen sich die Instandsetzungskosten im Brückenbau jährlich auf etwa 0,8 % bis 2,5 % bezogen auf die Neubaukosten.
In Hinblick auf erforderliche Investitionsentscheidungen sind bei der Unterhaltung von Bauwerken die Fragen der Restnutzungsdauer, der Stand der Tragsicherheit sowie der Gebrauchstauglichkeit zu beantworten. Die Nutzungsdauer eines Bauwerkes hängt entscheidend von der regelmäßigen und sachgemäßen Unterhaltung ab. Die in beschränktem Umfang vorhandenen Mittel zur Erhaltung sind daher auf eine solche Weise einzusetzen, dass diese den größten Nutzen bringen. Die Auswahl und Planung der Erhaltungs- und Instandsetzungsmaßnahmen kommt einer Optimierungsaufgabe gleich, bei der es unter Einhaltung der Sicherheit und Zuverlässigkeit gilt, die Summe aller Kosten bezogen auf die gesamte Lebensdauer zu minimieren.
