Schlauere Brücken dank Sensoren

Intelligente Brücken, Straßen und U-Bahnen, die, wenn beschädigt, ein Warnsignal senden, gehören genauso wie fliegende Autos und Teleportation zur Science Fiction der Transportsysteme. Noch.

Die Sandia National Laboratories arbeiten mit Structural Monitoring Systems PLC, einem Anbieter von Sensoren für das Structural Health Monitoring (SHM), seit mehr als 15 Jahren zusammen, um die Idee Wirklichkeit werden zu lassen. Sie rüsteten eine Brücke in den USA mit acht Echtzeitsensoren aus, die Risse oder deren Vergrößerung über ein bestimmtes, reparaturbedürftiges Maß hinaus entdeckten und daraufhin die Wartungsingenieure alarmierten.

In der kommenden Woche wird Dennis Roach von Sandia die Arbeit seines Teams an der neunten International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management präsentieren. Das schließt Daten von der Testbrücke ein, eine allgemeine Prüfung der eingesetzten Sensoren und einen Vorschlag, wie die Überwachung der Bauwerke zur Routine in der Verkehrsinfrastruktur werden kann.

Das Ziel der Bauwerksüberwachung liegt besonders in der verbesserten Beobachtung kritischer Segmente, in der Verlängerung der Bauwerkslebenszeit und schließlich in der Reduktion der Unterhaltskosten und erhöhter Sicherheit. Um den Zustand etwa einer Brücke zu prüfen, werden Sensoren am Bauwerk angebracht, deren Daten sorgfältig zu analysieren sind.

2016 wurden mehr als 54‘000 Brücken in den USA von National Bridge Inventory der Federal Highway Administration als strukturell mangelhaft eingestuft. Das bedeutet, dass 9 Prozent aller US-Brücken regelmäßig überwacht werden müssen.

„Schwer zugängliche Bereiche oder abgelegen lokalisierte Objekte wie Brücken, Pipelines und andere wichtige Bauten stellen hohe Anforderungen an die sorgfältige Überwachung des Bauzustands und der Ausstattung“, sagt Roach. „Ein Netz von Überwachungssensoren könnte eine Lösung sein, oder zumindest helfen, die notwendige Aufmerksamkeit für diese Komponenten zu gewährleisten.“

Kürzlich haben Sandia, Structural Monitoring Systems, Delta Air Lines und die Luftfahrtbehörde Federal Aviation Administration kooperiert, um die CVM-Sensoren für die Risserkennung an Verkehrsflugzeugen zu zertifizieren.

Betriebssichere CVM-Sensoren

Das Überwachungssystem für die Testbrücke besteht aus acht CVM-Sensoren, einer Vakuumpumpe, die das Vakuum herstellt, einem Steuerungssystem für die Pumpe und die periodische Prüfung der Sensoren und einem drahtlosen Übermittlungsgerät, das die Wartungsingenieure selbständig benachrichtigt, wenn die Sensoren einen Schaden aufgespürt haben. Die Lösung von einer Lithium-Ionen-Batterie gespeist, die über ein Solarpaneel aufgeladen wird.

Die Sensoren wurden entlang mehrerer Schweißnähte auf einem Träger rund 30 Meter über der Fahrbahn einer Hängebrücke angebracht. Sie bestehen aus dünnem, flexiblem Teflon und verfügen über Reihen kleiner Kanäle. Sie lassen sich an kritischen Nahtstellen oder Verbindungen platzieren oder anderen Stellen, an denen voraussichtlich Risse auftreten können. Wenn das Metall unbeschädigt ist, kann die Vakuumpumpe die Luft komplett aus den Kanälen entfernen, während ein winziger Riss ein Vakuum unmöglich macht, vergleichbar einem Staubsauger, der stoppt, wenn der Schlauch ein Loch hat. Derartige Sensoren erkennen Risse von der Dicke eines Cent-Stücks.

Die Sensoren lassen sich je nach zu überwachendem Einsatzbereich in vielen unterschiedlichen Formen herstellen, etwa entlang einer Schweißnaht oder einer Reihe von Nieten. Man kann sie auch vor einem kleinen Riss anbringen, um zu sehen, ob sich der Riss vergrößert und wenn, wie schnell. Jeder Sensor besitzt zahlreiche Überwachungskanäle und die entsprechende Hardware, so dass er über den eigenen Zustand Auskunft geben kann. Damit sind die Sensoren betriebssicher.

Henry Kroker, ein Ingenieur mit wichtigen Aufgaben im Projekt, merkt an: „CVM-Sensoren stellen ein elegantes Ampelverfahren bereit, um kritische Bauabschnitte konstant zu überwachen. In den vielen Jahren mit Versuchen und dauerhaftem Einsatz in der Luftfahrt und nun in der Infrastruktur, haben diese Sensoren nicht einen einzigen falschen Alarm ausgelöst.“

Die Arbeit an der intelligenten Infrastruktur begann im Jahr 2005 mit einem Forschungs- und Entwicklungsprojekt unter der Ägide von Sandia. In diesem Projekt ging es darum, den Einsatz von befestigten Sensoren und drahtlosem Datentransfer im Kontext der kontinuierlichen Überwachung von Ingenieurbauwerken zu untersuchen, von Bergwerksausstattung bis hin zu Schienen und Brücken. Diese Sensoren können die Funktionsfähigkeit von Bauwerken und mechanischen Gerätschaften überwachen, indem sie Korrosion und Rissbildungen und sogar den Zustand wichtiger beweglicher Teile erkennen lassen.

Roach und seine Mitarbeiter setzten außerdem auf piezoelektrische Sensoren, Glasfasern und gedruckte Wirbelstromsensoren für die Überwachung. Die gedruckten Wirbelstromsensoren, auf einer patentierten Sandia-Technologie basierend, lassen sich auf gewölbten Oberflächen aufbringen und nutzen Änderungen im Magnetfeld zum Erkennen von Schadstellen. Andererseits deckt ein Netz mit piezoelektrischen Sensoren einen großen Bereich ab und nicht nur wenige Flecken.

Jeder Sensor nimmt die Vibrationen durch das darunterliegende Material auf, die der andere Sensor empfängt. Schäden innerhalb des Sensornetzes verändern die „Tonlage“ dieser Vibrationen. Diese Änderungen sind jedoch weitaus nuancierter als die Ja/Nein-Ergebnisse aus den Vakuum-Messungen. CVM ist bereit und zertifiziert für den kommerziellen Einsatz, die anderen Technologien befinden sich in unterschiedlichen Phasen der Labor- und Feldtests.

Tom Rice, der die verschiedenen Systeme testet, sagt, dass das CVM-Verfahren in den 15 Jahren seiner Erprobung ein sehr hohes Maß an Verlässlichkeit erreicht habe. Wenn man die entsprechenden Sensoren in weitere Systeme einbinde, könnten Flugzeuge, Züge und Brücken mit der Zeit noch sicherer werden.

Die Bauwerksüberwachung empfiehlt sich besonders für schwer erreichbare oder weit entfernte Gebiete, aber sie kann nicht als Allheilmittel für alle Inspektionsnotwendigkeiten herhalten. Oft wolle man immer noch einen Menschen vor Ort haben, der sich selbst ein Bild macht. Andererseits kratze man gerade einmal an der Oberfläche der Möglichkeiten eines Einsatzes in verschiedenen Infrastrukturen.

Waggons und Schienen, Schiffe, Turbinen, Kraftwerke, Pipelines, Tanks, Fahrzeuge und auch Gebäude könnten von der Echtzeitüberwachung aus der Distanz profitieren. Die Infrastrukturbranche werde sich zusehends des Nutzens bewusst, so Roach.

Bild: Sandia-Ingenieur Stephen Neidigk platziert einen Sensor auf der Brücke (Comparative Vacuum Monitoring-Sensor). In der anderen Hand trägt er das Überwachungssystem, das periodisch den Sensor prüft und ein drahtloses Übermittlungsgerät, das die Wartungsingenieure benachrichtigt, wenn ein Riss aufgespürt worden ist.