Profil-Laserscanner für das Monitoring von Bauwerken
Wissenschaftler der TU Darmstadt haben ein neues Verfahren entwickelt, um Veränderungen an Brückenprofilen erfassen zu können. Es funktioniert ohne Berührungen, allein über Laserscanner.
Profilscanner im Rahmen eines Belastungsversuches an einer historischen Mauerwerksbrücke.
Foto: Florian Schill
Ingenieurbauwerke wie Brücken sind hohen Belastungen ausgesetzt. Neben Alterungsprozessen des Materials kommen Umwelteinflüsse und ein gestiegenes Verkehrsaufkommen hinzu. Regelmäßige Überprüfungen der Brückenprofile sind daher unverzichtbar. Allerdings sind herkömmliche Verfahren mit einem großen Aufwand verbunden. Sensoren werden dafür an kritischen Punkten des Bauwerks montiert und nach der Messung wieder entfernt. Teilweise erfolgen dafür Sperrungen der jeweiligen Straßen oder Eisenbahnstrecken. Zudem werden Deformationen nur punktuell erfasst. Nämlich dort, wo die Sensoren angebracht sind. Die Wissenschaftler der TU Darmstadt haben nun einen Weg gefunden, komplette Bauwerke aus der Entfernung mit einem Laser zu scannen. Sperrungen sind dementsprechend nicht nötig, und das Verfahren erfolgt großflächiger.
Über 100.000 Brücken – Effizientes Messsystem erforderlich
Sicherheit muss bei Bauwerken an erster Stelle stehen. Das hat der Einsturz einer vierspurigen Autobahnbrücke im italienischen Genua erneut bewiesen. Allerdings gibt es in Deutschland mehr als 100.000 Brücken. Davon sind über 40.000 Brücken an Autobahnen und Bundesstraßen dem wachsenden Verkehr ausgesetzt. Weitere 25.000 Brücken tragen die Last der Züge an Eisenbahnlinien. Ihre Überwachung ist in Deutschland klar geregelt (DIN 1076). Die Hauptprüfungen mit umfangreichen Messungen müssen mindestens alle sechs Jahre durchgeführt werden, zusätzlich nach besonderen Situationen wie zum Beispiel nach Einflüssen durch Hochwasser oder eventuellen Beschädigungen durch einen schweren Unfall. Die logistische Herausforderung für ein sorgfältiges Monitoring der Bauwerke ist also sehr hoch. „Um die hohe und steigende Zahl an Überwachungsaufgaben effizient bewältigen zu können, ist ein modernes und praktikables System erforderlich“, sagt Andreas Eichhorn, der das Fachgebiet Geodätische Messsysteme und Sensorik (GMSS) an der TU Darmstadt betreut.
Seinem Team ist es gelungen, Brückenmessungen mit einem üblichen Profil-Laserscanner durchzuführen. Statische und dynamische Deformationen wie zum Beispiel Durchbiegungen einer Brücke haben sie dabei in einer Genauigkeit von Zehntel-Millimetern ermittelt und das nicht nur für bestimmte Punkte, wie es bei der Sensor-Technik der Fall ist, sondern für komplette Brückenprofile. Grundlage des Messsystems ist ein Z+F Profiler Laserscanner. Solche Geräte arbeiten nach dem Phasenmessprinzip. Für die Brückenüberwachung wird der Laserstrahl über das Messobjekt geführt. Die Wiederholrate der Messintervalle liegt bei bis zu 200 Hertz, bei einer maximalen Datenaufnahmerate von einer Million Punkte pro Sekunde.
Raumzeitliche Darstellung einer Zugüberfahrt mit zwei Waggons. Die sechs Abbildungen (Zeilen) entsprechen jeweils der räumlichen Darstellung eines definierten Zeitpunktes während der Überfahrt. Darstellung: Anna Sviridova / Florian Schill
Erfolgreiche Testläufe an Windkraftanlagen und Lärmschutzwänden
Das Verfahren kann aus einer Entfernung von maximal 120 Metern durchgeführt werden. Da es nicht-taktil, also ohne Berührungen erfolgt, lassen sich damit auch Stellen von Bauwerken erfassen, die schwer zugänglich sind. Die Brücken werden dementsprechend in ihrer Gesamtheit erfasst. Die Ergebnisse 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 der Daten werden dabei weitgehend automatisiert über eine spezielle Software vorgenommen. Die Forscher geben zwar zu, dass ihre Messwerte mit einer leicht höheren Unsicherheit verbunden seien als die Daten, die mit herkömmlichen Methoden ermittelt werden. Doch sie reichten aus, um typische Tragwerksdeformationen zuverlässig zu erkennen und den Zustand der Brücken zu bewerten. Zudem sei das Laserscanner-Verfahren schneller und unkomplizierter.
Die Wissenschaftler hatten ihren Fokus zwar zunächst auf Brücken gelegt, grundsätzlich sei es aber möglich, auch andere Bauwerke mit diesem Prinzip zu erfassen. Testweise haben die Forscher bereits Windkraftanlagen, Lärmschutzwände und Fabrikhallen gescannt. Dank der hohen Abtastrate des Scanners sei es ihnen so gelungen, dynamische Bauwerksparameter wie Dämpfungsmaße zu erfassen.
Bauwerke mit Mikrowellen abtasten
Die TU Darmstadt hat schon zuvor neue Methoden zur Brückenüberwachung erarbeitet. Ein Team um Matthias Becker vom Fachgebiet Physikalische Geodäsie und Satellitengeodäsie hat Mikrowellen genutzt, um Lageabweichungen von Bauwerken zu messen. Diese Technik wird normalerweise eingesetzt, um beispielsweise instabile Hänge zu überwachen. Auch in diesem Fall gelangen berührungslose Messungen aus großer Entfernung, die ermüdungsbedingte Materialschäden wie Risse oder Änderungen der elastischen Parameter sichtbar machten. Allerdings reagierten die Mikrowellen empfindlich auf Feuchtigkeit und Veränderungen des Luftdrucks, was die Ergebnisse beeinflusste.
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