Bei der automatisierten Brückenüberwachung messen Sensoren rund um die Uhr, wie sich eine Brücke bewegt, wie sich ihre Risse verändern, wie sie schwingt und wie hoch das Wasser um sie herum steigt. Eine Software vergleicht jeden Messwert mit dem normalen Verhalten des Bauwerks und informiert einen Ingenieur, wenn sich etwas verändert. So werden auch die Jahre zwischen den Bauwerksprüfungen erfasst: Ein Hochwasser kann Material unter einem Pfeiler ausspülen, oder ein Widerlager kann sich von Saison zu Saison etwas weiter neigen, ohne dass es jemand bemerkt.

Im Folgenden geht es um die passenden Sensoren, ihren Betrieb ohne Kabel und Netzanschluss und darum, wie aus einer Zahlenreihe eine verlässliche Meldung an die richtige Person wird. Flussbrücken stehen dabei besonders im Fokus, denn die Schäden, die Ingenieuren große Sorgen bereiten, entstehen während eines Hochwassers unter Wasser.

Kurz gesagt

  • Sensoren für die Brückenüberwachung messen Neigung, Rissbreite, Verschiebung, Dehnung, Schwingung, Temperatur und Wasserstand. Jede Messgröße beantwortet eine andere Frage zum Bauwerk.
  • Funksensoren laufen jahrelang mit Batterien und senden kurze Nachrichten an ein Gateway, das mehrere Brücken versorgen kann. Entlang des Überbaus müssen keine Kabel verlegt werden.
  • Die Temperatur erklärt einen Großteil der täglichen Bewegung. Deshalb werden Messwerte mit dem für die aktuelle Temperatur erwarteten Verhalten verglichen, nicht nur mit einem festen Grenzwert.
  • Die Hochwasserüberwachung kombiniert Flusspegel und Pfeilerneigung, um Kolkbildung zu erkennen: die Ausspülung des Flussbetts rund um Fundamente.

Welche Sensoren werden zur Brückenüberwachung eingesetzt?

Eine Brücke steht nie vollkommen still. Sie dehnt sich in der Sonne aus und zieht sich nachts zusammen, biegt sich unter jedem Lastwagen durch, bewegt sich etwas im Wind, und ihre Fundamente setzen sich über Jahrzehnte. Die Überwachung erfasst zunächst dieses normale Verhalten und sucht anschließend nach Bewegungen, die sich damit nicht erklären lassen. Kein einzelner Sensor erfasst alles. Ein Brückenmonitoring besteht daher aus Sensoren, die für die konkreten Fragen eines Ingenieurs zu genau diesem Bauwerk ausgewählt werden.

Sensor Montageort Mögliche Bedeutung einer Veränderung
Neigungssensor, auch Inklinometer Pfeiler, Widerlager, Stützwände Ein Fundament dreht sich; möglicher Hinweis auf Setzung oder Kolkbildung
Risssensor Über einem vorhandenen Riss Der Riss wächst, statt sich nur temperaturbedingt zu öffnen und zu schließen
Wegsensor Dehnfugen und Lager Ein Lager klemmt oder eine Fuge erreicht das Ende ihres Bewegungsbereichs
Dehnungsmessstreifen Stahl- oder Betonträger Die Last wird anders abgetragen als in der Bemessung angenommen
Beschleunigungssensor Überbau, meist nahe der Feldmitte Steifigkeit des Bauwerks oder Verkehrsbelastung haben sich verändert
Temperatursensor Auf Stahl oder Beton, zusätzlich einer in der Luft Erklärt einen Großteil der von anderen Sensoren erfassten Bewegung
Wasserstandssensor Unter dem Überbau, nach unten auf den Fluss gerichtet Der Wasserstand erreicht einen Bereich, in dem Kolkbildung einsetzen kann

Beschleunigungssensoren sind oft das Erste, woran man beim Brückenmonitoring denkt. Jede Brücke hat Eigenfrequenzen, bei denen sie bevorzugt schwingt. Bei kurzen und mittleren Spannweiten liegen diese typischerweise bei wenigen Hertz. Sinkt eine Eigenfrequenz dauerhaft, kann das auf einen Steifigkeitsverlust hinweisen, etwa durch Risse oder ein festgesetztes Lager. Auch die Temperatur verschiebt diese Frequenzen. Deshalb werden Schwingungsdaten zusammen mit der Temperatur ausgewertet.

Die Temperatur wirkt zunächst wie die unspektakulärste Messgröße, beeinflusst aber fast alle anderen Werte. Baustahl dehnt sich pro Grad Celsius um etwa zwölf Millionstel seiner Länge aus. Bei einem 100 Meter langen Stahlüberbau und 40 Grad Unterschied zwischen Winternacht und Sommernachmittag ergibt das 100 m × 0,000012 × 40 = 0,048 m. Im Sommer ist der Überbau also etwa 48 Millimeter länger. An einer Dehnfuge könnte diese Bewegung für sich genommen alarmierend aussehen. Mit der Temperatur als Zusatzinformation kann die Software den Messwert mit dem aktuell erwarteten Wert vergleichen. Eine echte Veränderung wird so früher sichtbar als mit einem festen Grenzwert, der sowohl Januar als auch Juli abdecken muss. Die Erwartungswerte stammen aus einer Referenzphase, meist den ersten Wochen nach der Installation, in denen die Sensoren zunächst nur aufzeichnen.

Wie funktioniert drahtlose Brückenüberwachung?

Bei der klassischen Bauwerksüberwachung führt von jedem Sensor ein Kabel zu einem Datenlogger in einem Schrank am Straßenrand mit Netzanschluss. An einer Flussbrücke kann allein die Kabelverlegung Fahrbahnsperrungen und Zugangstechnik erfordern und länger dauern als die eigentliche Sensormontage.

Die drahtlose Überwachung erspart einen Großteil dieser Arbeit. Jeder Sensor ist eine eigenständige Einheit mit Batterie und Funkmodul. Er wacht auf, misst, sendet einige Bytes und geht wieder in den Ruhemodus. Stromsparende Funknetze wie LoRaWAN sind genau für dieses Muster ausgelegt. Weil der Funk pro Messung nur für einen Sekundenbruchteil aktiv ist, halten die Batterien je nach Modell und Meldeintervall typischerweise mehrere Jahre.

Die Nachrichten erreichen ein Gateway, einen Empfänger mit Antenne, der sie über Ethernet, LTE oder Satellit an die Überwachungssoftware weiterleitet. Ein LoRaWAN-Gateway deckt in bebauten Gebieten typischerweise zwei bis fünf Kilometer ab, im offenen Gelände 15 Kilometer oder mehr. Ein hoch gelegenes Gateway kann deshalb mehrere Brücken entlang eines Flusses oder einer Straße versorgen.

Bei solarbetriebener Brückenüberwachung versorgt das Solarmodul meist das Gateway, nicht die Sensoren. Die Sensoren haben bereits eigene Batterien. Das Gateway hört dagegen ständig mit und braucht dauerhaft Energie, während viele Brücken weit vom nächsten Stromanschluss entfernt liegen. Solarmodul und Speicher werden für die kürzesten Tage am Standort ausgelegt, mit Reserve für mehrere bewölkte Tage, damit der Betrieb auch im Winter weiterläuft.

Eine Einschränkung ist vor dem Kauf wichtig: Stromsparender Funk überträgt kleine Nachrichten. Das passt zu langsamen Größen wie Neigung, Rissbreite, Dehnung, Temperatur und Wasserstand, aber nicht zu einem Rohdatenstrom mit Hunderten Schwingungsmessungen pro Sekunde. Geeignete Funk-Beschleunigungssensoren verarbeiten die Daten deshalb direkt im Sensor. Sie zeichnen kurzzeitig Schwingungen auf, berechnen Spitzenbeschleunigung, RMS als Maß für die mittlere Schwingungsenergie und die dominante Frequenz und übertragen nur diese Kennwerte. Das genügt, um Entwicklungen über Monate zu verfolgen. Für eine vollständige dynamische Belastungsprüfung wird weiterhin ein kabelgebundener Datenlogger mit eigener Stromversorgung verwendet.

Wie funktioniert die Hochwasserüberwachung an Brücken?

Kolkbildung bezeichnet das Ausspülen von Sand, Kies und Boden an Pfeilern und Widerlagern durch schnell fließendes Wasser. Untersuchungen für die US-amerikanische Federal Highway Administration nennen sie als häufigste Ursache für Brückenversagen in den USA. Zwei Umstände erschweren die Erkennung: Sie entsteht während Hochwasser, wenn niemand die Fundamente sicher untersuchen kann. Und wenn die Strömung nachlässt, füllt sich die Vertiefung häufig wieder mit lockerem Sediment. Ein später eingesetzter Taucher sieht dann möglicherweise ein unauffälliges Flussbett, obwohl das Fundament einen Teil seiner Unterstützung verloren hat.

Die Hochwasserüberwachung betrachtet das Geschehen aus zwei Richtungen. Ein Radar- oder Ultraschallsensor unter dem Überbau misst den Abstand zur Wasseroberfläche; die Software berechnet daraus den Pegel. Ein hoher Wasserstand bedeutet allein noch keinen Schaden. Die Aufzeichnung zeigt aber, wann, wie lange und an welchen Brücken Bedingungen für Kolkbildung bestanden. Neigungssensoren an den Pfeilern erfassen gleichzeitig die Reaktion des Bauwerks. Bei manchen Projekten werden zusätzlich Aufschwimmsensoren in bekannten Tiefen im Flussbett vergraben. Diese kleinen Sender steigen auf und beginnen zu senden, sobald die Strömung den Boden darüber abgetragen hat. So wird sichtbar, wie tief die Ausspülung reichte. Entscheidend für den Ingenieur ist die Kombination: Ein Pfeiler neigt sich, während der Fluss Hochwasser führt.

Automatisierte Brückenüberwachung einrichten

Die automatisierte Überwachung übersetzt Messwerte in einige wenige Regeln. Jede Regel ist mit einer konkreten Reaktion verbunden, die ein Mensch beim Auslösen übernimmt. Nehmen wir als Beispiel eine Flussbrücke mit einem normalen Pegelstand von 1,2 Metern:

  1. Zunächst wird einige Wochen lang eine Referenz aufgezeichnet, damit für jeden Pfeiler die normale Neigung bei unterschiedlichen Temperaturen bekannt ist.
  2. Als Hochwassergrenze dienen in diesem Beispiel 3,0 Meter. Bleibt der Fluss länger als 15 Minuten darüber, erhält das Prüfungsteam einen Alarm mittlerer Schwere.
  3. Solange der Pegel über 3,0 Metern liegt, wird die Neigung jedes Pfeilers mit seinem Erwartungswert verglichen. Überschreitet die Abweichung das vereinbarte Maß und hält sie 30 Minuten an, geht ein kritischer Alarm an den Bereitschaftsingenieur.
  4. Wird dieser Alarm nicht innerhalb von 15 Minuten bestätigt, werden zunächst die Stellvertretung und danach die Brückenverantwortlichen benachrichtigt.

Die Zeitspannen in Schritt zwei und drei sind genauso wichtig wie die Grenzwerte. Ein schwerer Lastwagen kann auch bei Hochwasser eine kurze Neigungsspitze verursachen. Die Mindestdauer filtert sie heraus, erfasst aber weiterhin einen Pfeiler, der sich bewegt hat und in dieser Stellung bleibt.

In Kilo wird Schritt drei zu einer Regel, deren Auslöser die Neigungssensoren aller Pfeiler überwacht. Sie prüft jeden Pfeiler einzeln und verwendet bei jeder Prüfung die Messung desselben Flusspegelsensors. Die Bedingung „nur wenn sie anhält“ wird auf 30 Minuten gesetzt, sodass ein vorbeifahrender Lastwagen nicht genügt. Der ausgelöste Alarm folgt der Eskalationskette aus Schritt vier: zuerst Bereitschaftsingenieur, dann Stellvertretung, danach Brückenverantwortliche, jeweils nach einer eigenen Wartezeit. Wer außerdem Gebäude betreut, kann solche Regeln auch für die Schwingungsüberwachung von Gebäuden einsetzen, von Dachventilatoren und Pumpen bis zum Tragwerk selbst.

Häufige Fragen zur Brückenüberwachung

Kann Brückenmonitoring die Sichtprüfung ersetzen?

Nein. Die national vorgeschriebenen Prüfintervalle gelten weiterhin. In den USA dürfen die Routineprüfungen der meisten Straßenbrücken höchstens 24 Monate auseinanderliegen. In Deutschland sieht die DIN 1076 alle sechs Jahre eine Hauptprüfung und drei Jahre danach eine einfache Prüfung vor. Prüfer erkennen außerdem Schäden, die Sensoren nicht erfassen, etwa Betonabplatzungen, Rostspuren oder ein beschädigtes Geländer. Das Monitoring liefert ihnen monatelange Messreihen und Hinweise darauf, welche Stellen zuerst geprüft werden sollten.

Wie oft messen Sensoren für Brückenmonitoring?

Langsame Größen wie Neigung, Rissbreite und Dehnung werden häufig alle zehn bis 60 Minuten gemessen, Wasserstände alle paar Minuten. Beschleunigungssensoren zeichnen meist mehrmals täglich kurze Abschnitte auf und melden die berechneten Ergebnisse. Kürzere Intervalle verbrauchen mehr Batterie. Für die Austauschplanung zählt deshalb die Batterielebensdauer, die das Datenblatt für das tatsächlich gewählte Intervall angibt.

Was bedeutet Structural Health Monitoring bei Brücken?

Structural Health Monitoring, kurz SHM, bezeichnet die kontinuierliche Zustandsmessung eines Bauwerks und die ingenieurmäßige Auswertung der Daten. Brückenmonitoring ist SHM für Brücken. Die gleichen Verfahren werden an Gebäuden, Tunneln, Dämmen und Windenergieanlagen eingesetzt. Große seilgestützte Brücken erhalten häufig schon beim Bau ein dauerhaftes System. Ein bekanntes Beispiel ist die Tsing-Ma-Brücke in Hongkong seit ihrer Eröffnung 1997. Kleinere Brücken werden meist mit einigen Funksensoren nachgerüstet.

Kann Brückenmonitoring vorhersagen, wann eine Brücke versagt?

Nicht als Datum. Es liefert Ingenieuren messbare Hinweise auf Veränderungen, etwa einen Riss, der jeden Monat etwas breiter wird, oder eine Eigenfrequenz, die über ein Jahr hinweg sinkt. Viele Betreiber verknüpfen ihre Alarmstufen mit einem abgestimmten Maßnahmenplan, häufig in Grün, Gelb und Rot. Gelb bedeutet dann, dass ein Ingenieur die Daten prüft; bei Rot fährt jemand zum Bauwerk oder der Verkehr wird eingeschränkt.

Ein überschaubarer Einstieg ist eine Flussbrücke mit Neigungssensoren an zwei im Wasser stehenden Pfeilern und einem Pegelsensor unter dem Überbau. Eine Regel löst den kritischen Alarm aus, wenn sich ein Pfeiler bei Hochwasser bewegt. Kilos kostenloser Tarif deckt diesen Aufbau ab. Die erste Hochwassersaison liefert dem Ingenieur eine gemessene Referenz für beide Pfeiler. Kilo Electronics führt Neigungssensoren für die Pfeiler; jeder kompatible LoRaWAN-Neigungssensor kann ebenfalls verwendet werden. Die Hardware wird unabhängig vom Plattformtarif bezahlt.