Optimale Sanierung einer Brücke dank Monitoring

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Der Weyermannshaus-Viadukt ist ein wichtiger Teil des schweizerischen Autobahnnetzes mit einem täglichen Verkehrsaufkommen von mehr als 100000 Fahrzeugen. Die Brücke ist Teil der A12 zwischen Bern und Fribourg und der Berner Stadt-Tangente. Diese Tangente wird in den nächsten Jahren saniert und instandgesetzt. Die Brücke ist 942 m lang und in Längsrichtung vorgespannt. Bei einer zusätzlichen Inspektion an schwierig zugänglichen Stellen in großer Höhe wurden bei den Koppelfugen auffällige Rissbilder gefunden. Durch diese Inspektion und das Studium der Brückenhistorie konnte nicht mit Sicherheit gesagt werden, ob die Risse bereits während der Bauphase oder erst später im Betrieb durch Überlastung des Brückenquerschnitts entstanden sind. Deshalb wurde entschieden, vor der Sanierung im Jahre 2010 eine zusätzliche Analyse durchzuführen, die die Ursache für die Rissbilder bestimmen und den Zustand der Tragfähigkeit der Struktur im Detail definieren soll. Die zerstörungsfreie Methode wurde gewählt, weil die Tragsicherheit der Struktur durch die vorhandene Belastung ausgelastet ist und keine Verletzungen der tragenden Elemente in Kauf genommen werden können.

Überwachung der Betonrissweiten

Die statischen Berechnungen und die Modellierung der Brücke wurden für den ungerissenen Querschnitt und den gerissenen Querschnitt durchgeführt. Die berechneten Werte für die Betonrissweiten stellen die Größenordnung der zu erwartenden Messwerte dar. Anhand der Messwerte des an der Brücke installierten Überwachungssystems können Rückschlüsse auf den Zustand der Brücke gezogen werden. Da die Brücke ansonsten in einem zufriedenstellenden Zustand ist und sich kein auffälliges Verhalten des Bauwerks einstellte, ging man vor dem Projektstart von einer grundsätzlich "gesunden" Brücke aus. Die Berechnungen und Messungen sollten diese Hypothese zerstörungsfrei und kostengünstig bestätigen, so dass teure Instandsetzungs-Maßnahmen wie externe Vorspannung der Brücke vermieden werden können. An drei ausgewählten Koppelfugen wurden induktive Wegaufnehmer an das voll automatische, ferngesteuerte Überwachungssystem Robo®Control angeschlossen. Diese Sensoren haben eine Genauigkeit von ~1,0 μm, sind temperaturkompensiert und resistent gegen Verschmutzung und magnetische Störungen. Zwei Messstationen zeichnen die Temperatur und die Feuchtigkeit der Luft auf, vier zusätzliche Temperaturfühler wurden in den Beton eingebohrt. Die Messfrequenz kann an die Bedürfnisse des Messprogramms angepasst werden und maximal 200 Hz betragen. Auf dem Computer können Datenvoranalysen programmiert werden, so dass nur gefilterte Werte über GSM übertragen werden. Alle Anpassungen des Systems können aus dem Back Office programmiert werden. Die Messungen wurden in 3 Phasen durchgeführt.

Kalibrierung des Überwachungssystems

Um eine Systemkalibrierung durchführen zu können, musste die Autobahn für einige Stunden auf einzelnen Fahrbahnen geschlossen werden. Die Messquerschnitte wurden mit vorher gewogenen Lastwagen mit verschiedenen Geschwindigkeiten bis maximal 80 km/h überfahren. Die Variation der Geschwindigkeit hat infolge des Massenverhältnisses zwischen der massiven Konstruktion der Brücke und den "leichten", bis 40 t schweren Lastwagen keinen Einfluss auf die Rissweitenöffnungen. Die ersten Vergleiche der Messresultate vor Ort mit den vorausberechneten Rissweitenöffnungen waren äußerst positiv. Bild 5 zeigt einen Vergleich des Messprotokolle mit der berechneten Einflusslinie.

Verkehrsmessungen während einer Woche

Innerhalb einer Woche wurde der Einfluss von normalem Verkehr auf die Brücke gemessen. Die Messungen bestätigen, dass Personenfahrzeuge die Rissweitenänderung kaum beeinflussen und dass der Schwerverkehr identische Messwerte zu den Kalibrationsfahrten liefert. Die Resultate zeigen also eine direkte Korrelation zwischen den absoluten Werten der Rissweitenöffnung und dem Gewicht der Lastwagen. Damit können nun potenziell ermüdungswirksame "Ereignisse" herausgefiltert und gezählt werden. Eine Einteilung in verschiedene Klassen sowie die Darstellung in Histogrammen ermöglichen dann eine weitere Analyse der Restlebensdauer einzelner Bauteile. Die Verkehrsmessungen werden in allen Jahreszeiten durchgeführt, um den Einfluss der variierenden, absoluten Temperaturen feststellen zu können.

Langzeitmessungen zur Bestimmung der Temperatureinflüsse

Die Dauer der Langzeitmessungen wurde vorerst mit einem Jahr definiert, um den Temperaturbereich aller vier Jahreszeiten abdecken zu können. Diese Messperiode wird noch im August 2010 abgeschlossen. Die Temperatureinflüsse stellen sich im Gegensatz zur dynamischen Belastung durch Verkehrsteilnehmer langsam ein. Demzufolge konnte die Datenauswertung (Übertragung von ausgewählten Werten in einem 5-Minuten-Intervall) optimiert werden, um die Übermittlungskosten zu senken. Die Daten werden auf einen Server geladen und via Internet den Ingenieuren und Behörden zu Auswertungszwecken zur Verfügung gestellt. Die Steuerung des Systems und die Auswertung der Daten der Brücke erfolgt somit in Echtzeit aus dem Büro, ohne zusätzliche Baustelleneinsätze vor Ort. Alle aufgezeichneten Sensordaten können auch in Excel-Formaten heruntergeladen werden, so dass den Ingenieuren umfangreiche Analysemöglichkeiten zur Verfügung stehen.

Schlussfolgerungen für die Anwendung von Robo®Control

Die beschriebene Überwachungsmethode erlaubt eine kostengünstige Analyse des Brückenzustands ohne lokale Zerstörung der Brückenstruktur. Mit dem Robo®Control-System steht den Ingenieuren ein universelles Werkzeug für den Vergleich zwischen den statischen Berechnungen und dem tatsächlichen Bauwerksverhalten zur Verfügung. Es stellt die erforderlichen Berechnungsgrundlagen zur Verfügung, die die Genauigkeit bzw. die Sicherheit der rechnerischen Analyse wesentlich erhöhen. Durch den modularen Aufbau des Systems ist es möglich, nachträglich andere Sensoren wie z. B. Dehnmessstreifen und Schwingungssensoren in die Analyse zu integrieren.

Roman Berger, Bauingenieur ETH, Head of Monitoring, mageba sa

Kundennutzen der Robo®Control-Überwachungssysteme

• besseres Verständnis in Bezug auf das bestehende Gebäude infolge Messung seines "realen” Verhaltens
• Messwerte als zuverlässige Grundlage zur Definition der Sanierungsmaßnahmen
• Optimierung der Lebenszykluskosten eines Tragwerks durch optimale Instandsetzung
• Sicherheit durch Alarmierungsmodul bei Überschreitung von kritischen Grenzwerten
• ortsunabhängige Überwachung der Struktur dank Web Interface und Fernsteuerung des Systems