NDT.net January 2006, Vol. 11 No.1

Überwachung von Bauwerken – kabellose Sensornetzwerke für ein zuverlässiges Bauwerksmonitoring

Die Zustandsbeurteilung von Ingenieurbauwerken erfolgt in Deutschland i.d.R. durch Inaugen-scheinnahme; bei Brücken z. B. alle drei Jahre als „einfache Prüfung“ und alle sechs Jahre als „Hauptprüfung“. Kriterien sind dabei in der Regel die Standsicherheit, die Verkehrssicherheit und die Dauerhaftigkeit, mit deren Hilfe sich ein Bauwerk in Zustandsklassen eingruppieren lässt oder eine Zustandsnote vergeben werden kann. Ein Ergebnis der Schadensbewertung zeigt, dass 2001 der Anteil an kritischen Brückenbauwerken im Bundesfernstraßennetz etwa 12 % des Gesamtbestandes ausmachte (BMVBW 2001). Jüngste Schadensfälle wie in Bad Rei-chenhall werfen zudem erneut die Problematik der Dauerhaftigkeit und Standsicherheit auf. Die zunehmende Überalterung der Bausubstanz in Deutschland erfordert nicht nur ein verändertes Bauwerksmanagement, sondern auch neue Prüf- und Überwachungsmethoden.

Vor diesem Hintergrund werden an der Universität Stuttgart am Institut für Werkstoffe im Bauwesen (Arbeitsgruppe Zerstörungsfreie Prüfung) neue Sensorsysteme entwickelt, mit denen eine zuverlässige und preiswerte Überwachung auch von älteren Bauwerken ermöglicht wird. Während sich die bislang üblichen Methoden zur Überwachung dieser Bauwerke auf Basis von kabelgebundenen Systemen oft aus Kostengründen nicht realisieren lassen oder bei existieren-den älteren Bauwerken nicht einsetzbar sind, bieten drahtlose Sensornetzwerke die Möglichkeit Bauwerke preiswert und lückenlos zu überwachen. So können schon frühzeitig Schäden er-kannt und eine Sanierung eingeleitet werden. Möglich wird diese Technik erst durch Miniatur-sensoren, die sich in großen Stückzahlen für wenige Euro herstellen lassen (Abb. 1).


Abb. 1 Beispiel für die Miniatursensorik (MEMS); Fa. TTI GmbH - TGU Smartmote, Stuttgart.

Zum Einsatz kommen dabei überwiegend hochintegrierte Sensoren auf Silikonbasis – soge-nannte Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die für die Kommunikations- oder der Mikrosystemtechnik entwickelt wurden. Realisiert wurden bislang Sensoren, die auf MEMS-Technik basieren, für die Messung von Temperatur, Feuchte, Magnetfeld, Druck, Verformung und Beschleunigung. Auch Miniaturkameras können damit kombiniert werden. Das Problem der Datenübertragung kann durch den Einsatz geeigneter kabelungebundener Lösungen (Funk bzw. „wireless LAN“) in Verbindung mit adaptiven Netzwerken („adaptive self configuring wireless systems“) gelöst werden. Prinzipiell kann die notwendige Energie für den Betrieb der Sensoren über Hochleistungsbatterien mit langer Lebensdauer oder Solarzellen bereitgestellt werden.
Die Sensoren lassen sich flexibel und einfach an kritische Stellen der Struktur anbrin-gen und können den aktuellen Zustand des Bauwerks übermitteln (Abb. 2). Alarmmeldungen lassen sich außerdem per SMS an die zuständige Stelle in wenigen Sekunden weiterleiten.


Abb. 2 Schema der kabellosen Funk-Übertragung in Sensornetzwerken bei der Bauwerksüberwachung.

Diese preiswerten Sensoren können mit einer entsprechenden Intelligenz versehen werden (Computerchips lassen sich problemlos im selben Gehäuse integrieren), die wichtige von un-wichtigen Daten trennt, bevor Daten über z. B. Funkverbindungen versandt werden. Die dabei verwendeten Digitalen Signalprozessoren (DSP) können so programmiert werden, dass bei-spielsweise ein Teil der Signalanalyse bereits unmittelbar nach der Signalaufzeichnung durch-geführt wird, so dass nur noch relevante Daten weiterverarbeitet werden.

Während in den Vereinigten Staaten großes Interesse an dieser Technik besteht, arbeiten in Deutschland nur wenige Arbeitsgruppen an der Entwicklung geeigneter Überwachungsmetho-den. Im Rahmen des Landesschwerpunktprogramms fördert das Land Baden-Württemberg zur-zeit die Einrichtung einer Forschergruppe, die sich mit der Entwicklung geeigneter Systeme beschäftigen wird. Derartige Überwachungssysteme wären beispielsweise auch interessant für das Monitoring von Windkraftanlagen, Flugzeugen u.v.m. An Anwendungen, die das Bauwe-sen betreffen, wird aktuell schon seit mehreren Jahren in der Arbeitsgruppe Zerstörungsfreie Prüfung gearbeitet. Die Entwicklung erfolgt dabei in Kooperation mit schweizer Fachkollegen sowie mit der University of California, Berkeley, USA.

Auskünfte hierzu erteilt der Leiter der Arbeitsgruppe PrivDoz Dr. Christian Große (Email: christian.grosse@po.uni-stuttgart.de bzw. grosse@berkeley.edu) oder der Direktor des Instituts für Werkstoffe im Bauwesen, Prof. Dr.-Ing. Hans-Wolf Reinhardt (Tel. 0711/685-3323).

Dr. Christian Große
Arbeitsgruppe ZfP
Institut für Werkstoffe im Bauwesen
Universität Stuttgart
Pfaffenwaldring 4
D-70550 Stuttgart
www.iwb.uni-stuttgart.de
www.iwb.uni-stuttgart.de/forschung/zers.php
Zur Zeit:
University of California, Berkeley
Dept. of Civil and Environmental Engineering
455 Davis Hall
Berkeley, CA 94720-1710, USA
Phone: +1 (415) 578 3223
grosse@berkeley.edu


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