Der Teileinsturz der Dresdner Carolabrücke im September 2024 war ein Weckruf für die deutsche Infrastrukturpolitik. Aktuell gelten mindestens 8.000 Autobahnbrücken und rund 18.000 Schienenkilometer in Deutschland als baufällig, der Sanierungsbedarf wird auf bis zu 100 Milliarden Euro geschätzt. Ein konstantes Monitoring der Infrastruktur ist teuer und wurde daher vernachlässigt. Der Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS verfolgt eine effiziente und kostengünstige Lösung: Die Nutzung robuster Radarsensorik aus dem Automobilbereich für die Überwachung von Brücken, Schienen sowie anderen Bauwerken.
Intelligente Sensorik kann die Lebensdauer von Brücken oder anderer Ingenieurbauwerke verlängern, Sanierungen gezielter planen und die Sicherheit erhöhen – effizient und nachhaltig. Die Prüfung und Überwachung von Ingenieurbauwerken in Deutschland – insbesondere von Brücken – regelt die Norm DIN 1076. Diese sieht zwar regelmäßige Bauwerksprüfungen vor, aktuell nicht darin enthalten ist aber ein konstantes Bauwerksmonitoring, das eine solide Datengrundlage für die Einschätzung von Sanierungsbedarfen oder Restlebensdauern schaffen kann. Das Fraunhofer IIS ist Mitglied der Gesellschaft für Bauwerksmonitoring DeGeBaM, die sich dafür einsetzt, die Sensorik zu einem integralen Bestandteil der Norm zu machen. Ein Problem: Der Markt für spezifische Bauwerksmonitoring-Sensorik ist klein, die Technik daher teuer.
Kosten sparen durch die Neu-Nutzung von etablierter Technik
Auf der Suche nach einer kostengünstigen Lösung kam das Fraunhofer IIS in Dresden auf eine bereits etablierte Technologie mit ähnlichen Anforderungen. »Hohe Präzision, lange Lebensdauer, dauerhafte Belastung und Temperaturtoleranz von minus 40 bis plus 120 Grad Celsius? Da war die Antwort ganz klar: die Automobil-Sensorik«, erklärt Dr. Christoph Sohrmann, Gruppenleiter am Fraunhofer IIS. »Denkbar sind zum Beispiel sogenannte MEMS-Sensoren, bisher nur in Fahrzeugen oder auch Handys verbaut, die einen Bruch in den Spanndrähten von Spannbetonbrücken ‚hören‘ können. Dieses Prinzip werden wir in Kürze mit der Firma MKP GmbH an einer echten Brücke testen. Vor allem aber nutzen wir Radarsensoren, ursprünglich entwickelt für autonomes Fahren.« Die Kosten handelsüblicher Spezial-Sensorik für infrastrukturelle Überwachung liegen dabei um den Faktor 10 oder sogar 100 über denen einer entsprechenden Neu-Nutzung von Fahrzeug-Sensorik, denn viele Aspekte wie etwa die Hardware, Standards der Produktion, Cybersecurity-Aspekte und die Selbstüberwachung der Sensoren können von der automobilen Nutzung übernommen werden.
Notwendig: Technische Anpassungen und Verschränkung der Gewerke
Die Radar-Sensorik aus dem Automobilbereich ist nicht eins-zu-eins für sogenanntes »Structural Health Monitoring« (SHM) nutzbar, das verschiedene Schädigungsprozesse an Bauwerken detektieren will. Die frequenzbasierte Verarbeitung aus dem Fahrzeugbereich bietet eine zu geringe Auflösung für die Feststellung von kleinsten Veränderungen an Bauwerken. Im Reallabor der TU Dresden in Bautzen haben die Fraunhofer-Forschenden an der 45 Meter langen Versuchsbrücke taktile Sensorik in Verbindung mit berührungsloser Messung per Radar getestet. Die so erhobenen Referenzdaten werden genutzt, um passende Sensor- und Monitoringkonzepte für infrastrukturelles Monitoring zu entwickeln und zu validieren. »Unsere Radarsensoren ermöglichen dabei eine sehr einfache Messung von Vibrationen an Bauwerken im Rahmen des Condition Monitorings sowie SHM-Kampagnen«, sagt Sohrmann. »Unsere Lösung nutzt eine phasenbasierte interferometrische Auswertung der Daten, durch die auch statische Verschiebungen im Millimeter- oder sogar Submillimeterbereich sowie Schwingungen mit Frequenzen bis über 1000 Hz messbar werden.«
In Auftrag gegeben und ausgewertet werden die Messkampagnen durch die – für Verkehrssicherheit der Bauwerke verantwortlichen – Baulastträger und angebundene Bauingenieur-Büros. Ein intensiver Austausch der Gewerke ist daher laut Sohrmann für den Erfolg unbedingt notwendig. »Welche Daten müssen in welcher Genauigkeit und Frequenz erhoben werden? Sind die Ergebnisse leicht genug auslesbar? Solche Fragen müssen für eine passgenaue Entwicklung geklärt werden«, so Sohrmann. Prof. Steffen Marx, Professor für Massivbau an der TU Dresden, hat das Projekt daher von Anfang an maßgeblich mit wertvollem Input von Bauingenieurs-Seite unterstützt.
Weiterentwicklung in Anschlussprojekt RICARES
Für die Messungen werden die Sensoren – sogenannte bodengebundene Radar-Inferometer – zum Beispiel an oder unter einer Brücke platziert. Dynamische Messkampagnen können in wenigen Tagen und Wochen durchgeführt werden, für ein langfristiges Monitoring werden die Daten über mehrere Jahre hinweg gesammelt. »Wie viele Sensoren wir synchronisieren können und welche Sensoren wir am besten durch geeignete Linsen oder Antennen oder auch Reflektoren an den Brücken optimieren können, das ist unter anderem Thema unseres Anschlussprojekts RICARES«, erklärt Sohrmann. Das Projekt mit Startpunkt im Januar 2026 wird durch die Sächsische Aufbaubank SAB unterstützt und fokussiert auf das Monitoring der Stabilität von Eisenbahnbrücken, die Technik ist aber auch für Straßenbrücken anwendbar.
Bezahlbare Sensorik erlaubt flächendeckendes Monitoring
»Bezahlbare Sensorik ermöglicht es Baulastträgern, das Monitoring der Infrastruktur nicht nur bei Verdachtsfällen, sondern flächendeckend zu etablieren«, so Sohrmann. »Diese Chance sollten sie nutzen, denn insbesondere die historischen Daten über die Belastung der Bauwerke sind für die Analyse beginnender Schäden eine große Hilfe.« Im weiteren Schritt strebt der Wissenschaftler zusätzlich zu RICARES nun sinnvolle Weiterfinanzierungen und Partnerschaften mit entsprechenden Industriepartnern an.
(Quelle: Fraunhofer IIS, Institutsteil Entwicklung Adaptiver Systeme)