Brückenmonitoring: Wie man die Infrastrukturüberwachung mit IoT verwaltet

Die innovativsten Systeme zur Brückenmonitoring und Überwachung von Ingenieurbauwerken mit Hilfe von BIM und IoT-Sensoren

Das Brückenmonitoring ist eine vorbeugende Maßnahme, die für die Sicherheit der Infrastruktur und ihrer Nutzer unerlässlich ist.

Derzeit gibt es neue Technologien, die die Überwachung von Ingenieurbauwerken erleichtern und verbessern, wie Sensoren, digitale Tools, künstliche Intelligenz und IoT-Systeme. In diesem Artikel wird die Rolle von Software für das Management von Brücken bei der Verwaltung von Infrastrukturen untersucht mit Schwerpunkt auf Brückenmonitoringund den verwendeten Technologien.

Brückenmonitoring mit einer BIM-IoT-Plattform

Was ist Brückenmonitoring?

Brückenmonitoring ist ein Prozess, bei dem Daten über der baulichen Struktur und funktionellen Zustand einer Brücke überwacht und gesammelt werden. Durch geeignete Überwachungssysteme ist es möglich, frühzeitig Schäden an Brücken zu erkennen, um die Sicherheit, Effizienz und Lebensdauer der Infrastruktur im Laufe der Zeit zu gewährleisten.

Wie man die Sicherheitsbewertung bestehender Brücken durchführt

Die Sicherheitsbewertung bestehender Brücken basiert auf mehreren Parametern, darunter:

• Baujahr;
• Material;
• Brückenarten;
• Belastung;
• Wetterbedingungen;

Die Bewertungsmethoden umfassen:

• visuelle Analyse;
• Drohneninspektionen;
• Einsatz von Sensoren und Überwachungssystemen;
• Berechnung der Tragfähigkeit durch spezielle mathematische Modelle und Softwares.

Brückenmonitoring und -inspektion zur Sicherheitsbewertung

Das Monitoring und die Inspektion sind zwei ergänzende Ansätze zur Bewertung der Brückensicherheit. Das Monitoring bzw. Überwachung besteht aus der Erfassung von Daten in Echtzeit durch Sensoren und Überwachungssysteme, die eine kontinuierliche Bewertung der baulichen Struktur ermöglichen. Inspektionen hingegen umfassen visuelle Analysen oder den Einsatz spezifischer Technologien zu festgelegten Zeitpunkten.
Visuelle Inspektionsberichte sind grundlegende Verfahren zur Gewährleistung der Sicherheit und ordnungsgemäßen Instandhaltung der Infrastruktur. Während der Inspektionen untersuchen Ingenieure und Fachleute den Brückenzustand, identifizieren Schäden und dokumentieren die Ergebnisse, um Reparatur- oder Wartungsarbeiten zu planen. Folgenden werden einige der wichtigsten Schritte für die visuelle Inspektion und die Erstellung Inspektionsberichten dargestellt.

1. Planung und Vorbereitung: Vor der Inspektion ist es wichtig, die Aktivität richtig zu planen und vorzubereiten. Dazu gehören die Überprüfung historischer Informationen über die Brücke, die Identifizierung kritischer Bereiche, die untersucht werden müssen, und die Beschaffung der erforderlichen Werkzeuge und Ausrüstungen;
2. Vorinspektion: Die Inspektion beginnt mit einer allgemeinen visuellen Analyse der Brücke, um offensichtliche Schäden frühzeitig zu erkennen. Diese können Feuchtigkeit, Korrosion, Risse und Veränderungen in der Struktur beinhalten;
3. Detaillierte Inspektion: Nach der Ermittlung der kritischen Punkte wird eine detailliertere Untersuchung durchgeführt. Dazu kann der Einsatz spezieller Diagnosewerkzeuge wie Prüfhämmer, Endoskope oder Ultraschalldickenmessgeräte gehören, um die festgestellten Schäden genauer zu beurteilen;
4. Dokumentation: Während der Inspektion werden Inspektionsberichten ausgefüllt, in denen alle Details, einschließlich der Lokalisierung der Schäden sowie Hinweise der Reparatur oder Wartung gegeben werden. Diese Berichte können später verwendet werden, um die Prioritäten der Interventionen zu bestimmen und den Fortschritt im Laufe der Zeit zu überwachen;
5. Datenanalyse und Abschlussbericht: Als letzter Schritt analysieren die Ingenieure die gesammelten Daten, fassen sie zusammen und erstellen einen Abschlussbericht, um Entscheidungen über die Wartung, Reparatur oder Verbesserung der Infrastruktur mitzuteilen;
6. Überwachung und Wartung: Schließlich ist es wichtig, Brücken im Laufe der Zeit weiterhin zu überwachen und zu warten, regelmäßige Inspektionen durchzuführen und die Empfehlungen aus den Inspektionsberichten umzusetzen.

Zu den Vorteilen der Brückenüberwachung gehört die Möglichkeit, Schäden an Brücken rechtzeitig zu erkennen, wodurch Risiken und Wartungskosten reduziert werden. Die Installation und Verwaltung von Überwachungssystemen erfordert jedoch spezifische Ressourcen und Fähigkeiten. Inspektionen sind hingegen kostengünstiger und weniger komplex, bieten jedoch einen weniger detaillierten und kontinuierlichen Überblick des Brückenzustands.

Durch die Integration beider Methoden erhält man einen vollständigen und genauen Überblick über den Zustand der Brücke und effektivere Wartungsarbeiten können geplant werden.

Beispiel für Brückenmonitoring: IOT und BIM

Ein Beispiel für Brückenmonitoring, das auf IOT- und BIM-Technologien basiert, ist die Verwendung von Sensoren, die mit einem Kommunikationsnetzwerk verbunden sind, um Daten über Veränderung der Struktur, Vibrationen, Temperatur und Korrosion zu erfassen. Diese Daten werden dann in das BIM-Modell (Building Information Modeling) der Brücke integriert, das die Visualisierung und Analyse von Informationen in Echtzeit ermöglicht und den Betrieb und die Wartung der Infrastruktur unterstützt.

Die Fallstudie des Viadukts „Canalone“

Die vorgeschlagene Fallstudie bezieht sich auf die Überwachung mit innovativen Systemen des Canalone-Viadukts, das sich in Italien entlang der Autobahn Neapel-Salerno befindet. Das Forschungsprojekt ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von sechs italienischen Universitäten, darunter der Fachbereich für Ingenieurwesen und Architektur der Universität Federico II in Neapel.

Brückenmonitoring | Fallstudie des Viadukts „Canalone“

Es handelt sich um ein Viadukt mit einem oberen Bogen aus Stahlbeton mit 120 m Länge und 11 Stehern.

Zunächst wurde ein 3D-BIM-Modell der Infrastruktur erstellt für die Verwaltung der Daten, die von auf dem Viadukt installierten innovativen Sensoren erfasst wurden.

Die installierten Sensoren sind:

• 48 Drucksensoren (die erste Gruppe wurde paarweise auf den Brückenwiderlagern in 75 cm Abstand von der Fahrbahnträger-Innenseite installiert, um die fahrende Last zu analysieren, die zweite Gruppe wurde auf dem Brückenbogen installiert, um den Spannungszustand und die Gesamtentlastung der Fahrbahn unter der Verkehrslast zu überprüfen);
• 6 triaxiale Beschleunigungsaufnehmer, die auf zwei seitlichen Unterzügen installiert wurden, um die dynamischen Eigenschaften der Struktur zu analysieren und ihre Entwicklung im Laufe der Zeit zu überwachen;
• 3 Thermoelemente.

Das System wird vervollständigt durch:

• 8 Knoten für die Datenverwaltung der Drucksensoren;
• 2 Knoten für Beschleunigungsaufnehmer;
• einen 4G-Router und Faseranschluss-System.

Um die Daten zu verarbeiten, war es notwendig, sich auf einen Bereich von Standardwerten zu beziehen, um zu bestimmen, ob die Verschiebungen auf zufällige Faktoren zurückzuführen sind oder auf Probleme, die durch die Durchfahrt von Schwerlastfahrzeugen verursacht werden. Nachdem die Daten erfasst, analysiert und verarbeitet wurden, müssen sie mithilfe von Interoperabilitätsplattformen visualisiert werden. Eine Interoperabilitätsplattform muss den Zugang, die Rückverfolgbarkeit, die Archivierung arbeitsbezogener Daten, die Echtzeitüberwachung und die Bereitstellung von Warnmeldungen und Berichten ermöglichen.

Mit usBIM.IoT können BIM-Modelle und IoT-Systeme integriert werden. Es ist möglich, das 3D-BIM-Modell mit den an der realen Infrastruktur angebrachten Sensoren in die Plattform hochzuladen. Den Sensoren werden eine Farbe und Referenzwerte zugeordnet. Beim einspeichern dieser Sensordaten, wird das 3D-Modell in Echtzeit mit den Ergebnissen der Sensoren vor Ort aktualisiert. Die Überprüfung erfolgt auch visuell mit Hilfe der Farben, die den verschiedenen Sensortypen zugeordnet sind.

Brückenmonitoring-System

Ein Brückenüberwachungssystem besteht aus einer Reihe von Werkzeugen und Technologien, die verwendet werden, um den strukturellen Zustand von Brücken im Laufe der Zeit zu bewerten und aufrechtzuerhalten. Es ermöglicht die Erkennung von Problemen oder Bauschäden und liefert nützliche Informationen für die Wartung und Verwaltung von Brücken. Ein komplettes und professionelles Brückenüberwachungssystem besteht aus folgenden Hauptkomponenten:

1. Sensoren– Sensoren sind Geräte, die verschiedene Struktur- und Umweltparameter der Brücke erfassen und messen. Diese werden wir in den folgenden Abschnitten zum Thema IOT vertiefen;
2. Datenerfassungssystem– Es sind Hardware- und Softwaretools, die Daten sammeln, verarbeiten und analysieren. Es besteht aus Datenerfassungseinheiten, die das analoge Signal in ein digitales umwandeln und die Daten für die spätere Verarbeitung speichern;
3. Kommunikationssystem– Dieses System ermöglicht die Datenübertragung zwischen den Sensoren, dem Datenerfassungssystem und dem Kontrollzentrum. Je nach Projekt kann es verschiedene Technologien wie Kabel, drahtlose Netzwerke oder Glasfaser verwenden;
4. Kontroll- und Überwachungszentrum – Projektbeteiligte und Ingenieure analysieren hier die vom Überwachungssystem erfassten Daten. Das Kontrollzentrum ist mit Softwares und Hardware für die Verarbeitung und Visualisierung der Daten ausgestattet, die eine einfache Interpretation der gesammelten Informationen ermöglicht;
5. Analyse- und Diagnosesoftwares – diese Programme werden verwendet, um die gesammelten Daten zu verarbeiten und zu analysieren, um Anomalien oder Trends zu identifizieren, die auf Bauschäden hinweisen können. Die Software kann Algorithmen für maschinelles Lernen, numerische Modelle und statistische Analysetechniken enthalten, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Diagnosen zu verbessern.
6. Alarm- und Benachrichtigungssystem– Wenn kritische oder potenziell gefährliche Zustände erkannt werden, kann das Überwachungssystem automatisch Alarme und Benachrichtigungen generieren, um die verantwortlichen Betreiber und Ingenieure zu alarmieren. Dies ermöglicht ein frühzeitiges Eingreifen, um größere Schäden oder gefährliche Situationen zu vermeiden.

Brückenarten, häufigste Schäden und entsprechende Überwachungsarten

Zu den wichtigsten Brückenarten gehören Bogen-, Balken-, Freivorbau-, Schrägseil- und Hängebrücken. Jede Art von Brücke kann spezifische Schäden aufweisen, wie Korrosion, Risse, Setzungen oder Verformungen. Die geeignete Überwachung variiert je nach Art und Schaden und kann Methoden wie die Überwachung von Verformungen, Vibrationen, Temperaturen oder Korrosion umfassen.

Arten der Brückenmonitoring

Die Arten der Brückenüberwachung können unterteilt werden in:

• statisch;
• dynamisch;
• umweltbedingt.

Bei der statischen Überwachung geht es um die Feststellung von Verformungen und Dauerbelastungen, bei der dynamischen Überwachung um verkehrs- und windbedingte Schwingungen und Beanspruchungen. Die umweltbedingte Überwachung konzentriert sich auf Parameter wie Temperatur, Feuchtigkeit und Korrosion, die die Lebensdauer und Sicherheit der Brücke beeinflussen können.

Dynamisches Brückenmonitoring

Die dynamische Brückenüberwachung, erkennt die Vibrationen und Belastungen durch Verkehr, Wind und seismische Ereignisse. Durch die Analyse der gesammelten Daten ist es möglich, mögliche Anomalien zu identifizieren, die Wirkung von Spannungen auf die Brücke zu bewerten und ihre Dauer im Laufe der Zeit vorherzusagen.

Planung und Installation eines Monitoringsystems

Die Planung und Installation eines Überwachungssystems für Brücken, erfordert eine sorgfältige Analyse der Infrastruktur, die Auswahl der am besten geeigneten Überwachungsgeräte und -methoden sowie die Festlegung eines Kommunikationssystems für die Datenübertragung. Darüber hinaus ist es wichtig, Wartungs- und Kalibrierungsverfahren für die Geräte sowie die Schulung des an der Verwaltung des Systems beteiligten Personals vorzusehen.

Was ist IoT und wie kann es für das Brückenmonitoring verwendet werden?

Das Internet of Things (IoT) ist ein System miteinander verbundener Geräten, die über das Internet miteinander kommunizieren. Diese Geräte können Sensoren, Aktoren und Datenverarbeitungssysteme umfassen. Das IoT kann zur Echtzeitüberwachung verschiedener Brückenparameter wie Vibrationen, Verformungen, Temperatur und Verkehr und für eine effizientere Wartung verwendet werden.

Derzeit ist es auch möglich, BIM-IoT-Plattformen zu verwenden, um IoT-Geräte direkt aus dem BIM-Modell zu verwalten. In der Tat werden die von Sensoren erfassten Daten an die Anwendung gesendet, die sie registriert und diese e in Echtzeit auf dem 3D-BIM-Modell im IFC-Format anzeigt.

Die Anreicherung des BIM-Modells mit Informationen aus dem IoT-Ökosystem erleichtert die Verwaltung auch großer IoT-Ökosysteme.

IoT-Technologien zum Brückenmonitoring

Vibrations- und Deformationssensoren

Vibrations- und Deformationssensoren sind IoT-Geräte, die strukturelle Veränderungen von Brücken erkennen und wertvolle Informationen über deren Integrität liefern. Diese Sensoren können Anomalien erkennen und Probleme melden, bevor sie schwerwiegend werden.

Temperatur- und Feuchtesensoren

Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen können die Lebensdauer der auf Brücken verwendeten Materialien beeinflussen. IoT-Sensoren, die diese Parameter überwachen, ermöglichen die Erkennung von Problemen wie Korrosion und Materialverschleiß und erleichtern die Planung der vorbeugenden Wartung.

Sensoren für die Verkehrsüberwachung

IoT-Verkehrssensoren können Fahrzeugströme und -gewichte erkennen und so nützliche Daten zur Verkehrssteuerung und zur Bewertung der Auswirkungen des Verkehrs auf die Infrastruktur bereitstellen. Diese Daten können verwendet werden, um Maßnahmen zu implementieren, die darauf abzielen, die Belastung von Brücken zu reduzieren und deren Lebensdauer zu verbessern.

Analyse- und Alarmsysteme für das Datenmanagement

Die von IoT-Sensoren erfassten Daten müssen analysiert und verwaltet werden, um nützliche Informationen zu gewinnen. Analyse- und Alarmsysteme können Daten in Echtzeit verarbeiten und Benachrichtigungen bei Anomalien oder potenziell gefährlichen Situationen generieren, was ein schnelles und gezieltes Eingreifen ermöglicht.

Vorteile der Brückenüberwachung mit IoT

Der Einsatz von IoT bei der Überwachung von Brücken ermöglicht eine bessere Risikoprävention und ein besseres Notfallmanagement. Dank der in Echtzeit gesammelten Daten können Probleme erkannt und gelöst werden, bevor sie kritisch werden, was ein höheres Maß an Sicherheit gewährleistet.

Effizienz bei der Wartung

Die Echtzeit-Überwachung von Brücken über das IoT ermöglicht die Optimierung von Wartungsprozessen, indem nur dann eingegriffen wird, wenn und wo dies erforderlich ist. Dies reduziert die Eingriffszeiten und minimiert Verkehrsstörungen.

Kosteneinsparungen

Der Einsatz von IoT bei der Brückenüberwachung kann zu einer Senkung der Instandhaltungskosten führen, da Probleme rechtzeitig erkannt und gelöst werden können, wodurch spätere kostspielige und zeitaufwändige Eingriffe vermieden werden.

Herausforderungen bei der IoT-Implementierung

Trotz der vielen Vorteile bringt die Einführung des IoT bei der Überwachung von Brücken auch Herausforderungen mit sich wie Cybersicherheit, Datenschutz und die Notwendigkeit von Anfangsinvestitionen für die Installation und Integration von Geräten. Angesichts der langfristigen Vorteile in Bezug auf Sicherheit, Effizienz und Kostensenkung halten Experten die Implementierung von IoT in Infrastrukturen jedoch für eine lohnende und nachhaltige Investition.

Die Zukunft der Infrastrukturüberwachung mit IoT

Die Zukunft der Infrastrukturüberwachung mit IoT ist vielversprechend, da sich neue Technologien und Lösungen ständig weiterentwickeln. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen könnten in Überwachungssysteme integriert werden, um die Datenanalyse und Problemvorhersage weiter zu verbessern. Darüber hinaus könnte die Einführung der 5G-Technologie die Konnektivität und Geschwindigkeit der Datenübertragung verbessern und die Überwachung noch effektiver und zeitnaher machen.