Title: Überwachung von Brücken
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Überwachung von Brücken

Wechselnde Beanspruchung, Materialverschleiß, Winterdienst und weitere Ursachen können zum Einsturz einer Brücke führen. Um dies zu vermeiden, versucht man, Schäden rechtzeitig zu erkennen und führt dazu regelmäßige Kontrollmessungen durch.

Die vermessungstechnische Kontrolle zielt auf die Lage des Gesamtbauwerks. Die dafür maßgebende DIN 1076 sieht vor, dass Über- und Unterbau auf Setzungen und Kippungen im Abstand von 6 Jahren zu prüfen sind, sog. Hauptprüfung. Setzungen - insbesondere der Pfeiler - können jedoch bereits im Laufe des Baugeschehens eintreten. Des weiteren stellt sich in diesem Zusammenhang die Aufgabe, die Standfestigkeit älterer - nicht für den heutigen Verkehr gebauter - Brücken zu prüfen.


Es handelt sich hierbei um typische Deformationsmessungen und deren Auswertung, die sog. Analyse, wozu ausgefeilte Programme angeboten werden. Die Auswertung ist allerdings ein weites Feld und kann hier nur (am Ende dieses Abschnitts) in Kurzform beschrieben werden. Für eine weiter gehende Beschäftigung wird auf die - zum Teil ganz neue - Literatur verwiesen. Als Alternative empfiehlt sich die Auswertung durch einen kommerziellen Unternehmer (meist zugleich Software-Hersteller, siehe Literaturverzeichnis und Hinweise), insbesondere bei komplexen Fällen.



Messverfahren

Messverfahren, Messunsicherheit aber auch Kosten sind wichtige Vorüberlegungen, ebenso die Wiederholungs-/Taktrate der Messungen. Die Messgenauigkeit sollte im Bereich von 20-30% der erwarteten Veränderung liegen. Dabei genügt es - gerade bei Brücken - nicht, lediglich die Geometrie zu erfassen, sondern darüber hinaus weitere Einflussgrößen, wie z. B. die Wetterdaten. Die kritische Deformationsgröße bei - insbesondere modernen - Brücken ist die Höhe. Weiter ist zu beachten, dass deren Konstruktion nicht starr sondern biegesteif angelegt ist, wobei allein die Ausdehnung des Stahlbetons auf 100 m bei 10 Grad Temperaturunterschied 1 cm ausmacht. Setzungen der Fundamente und Bewegungen des Unter- und Überbaus sind möglichst getrennt zu betrachten. Wird in größeren Zeitabständen beobachtet, so sollten die äußeren Bedingungen möglichst gut vergleichbar sein.

Die oben erwähnte Hauptprüfung erfolgt in herkömmlicher Weise durch Feinnivellement zwischen Höhenbolzen an den Pfeilern und Widerlagern sowie entlang der Brückenachse. Etwaige Kippungen der Pfeiler findet man dann aus dem Verhalten der Höhenbolzen an den Außenseiten. Diese direkte Messmethode teilweise auf der Brücke - womöglich zwischen vorbeirasenden Autos - lässt allerdings keine optimalen Messergebnisse erwarten. Dies würde ein indirektes Messverfahren vermeiden, bei dem die Brücke nicht betreten werden muss.
Erfassung des Bauwerks durch Beobachtung eines dreidimensionalen Netzes mit einem Präzisionstachymeter. Dazu werden auf der Brücke Objektpunkte an repräsentativen Stellen festgelegt und vermarkt. Diese müssen von stabilen Vermessungspunkten im Umfeld des Bauwerks, vorzugsweise dem Punktfeld für das Abstecknetz, redundant und auf Dauer beobachtbar sein. Für die Geometrie gilt das gleiche wie für das Absteckungsnetz, wobei in erster Linie auf die Höhe und die Querrichtung zu achten ist. Allerdings sind einseitige Zenitwinkel durch die Refraktion bei Distanzen über 200 m merkbar beeinflusst.
Zur Überwachung und Prüfung über einen kurzen Zeitraum mit ständig wiederkehrendem Messprogramm bieten sich Computer-gesteuerte Motor-Tachymeter an. Eine integrierte automatische Auswertung erzeugt sofort die Ergebnisse (Monitoring) und schlägt Alarm. Dieses Vorgehen ist besonders geeignet, wenn eine Brücke unter laufendem Verkehr beobachtet werden muss [13].
Ein Nivellier mit vertikaler Zielachse ist ein Lotgerät. Verschiedene Typen von Instrumenten sind auf dem Markt, mit einem Pendel oder alternativ mit einer Libelle ausgerüstet. Damit kann insbesondere die Senkrechtstellung der Brückenpfeiler - unter Zwangszentrierung - kontrolliert werden. Die Genauigkeit der Lotung ist natürlich entfernungsabhängig, jedoch genauer, als mit einem Theodolit.
Objektveränderungen lassen sich auch durch (terrestrische) Photogrammetrie aus Änderungen der Bildkoordinaten aufeinanderfolgender Aufnahmen ermitteln. Dabei wird die Brücke aus einer dazu senkrechten Position unter Einsatz einer CCD-Kamera erfasst. Das Verfahren erfordert allerdings große Bildmaßstäbe. Man erhält so Veränderungen der gesamten Fläche und nicht nur ausgewählter Objektpunkte [ 5].
Für hochpräzise Höhenbewegungen lässt sich das Prinzip der Schlauchwaage anwenden. In einfacher Form ist dies ein flüssigkeitsgefüllter Schlauch, dessen gleich hohe Enden abgegriffen werden. Bei einem modernen Messsystem schließt man mehrere Abgriffe zusammen. Die Flüssigkeit wird dazu in wählbaren Zeitabständen durch Sensoren optisch oder elektronisch erfasst und die Auswertung quasi vollautomatisch online erledigt [http://www.fpm.de, Freiberger Präzisionsmechanik].
Für Relativbewegungen in beliebiger Richtung werden sog. Extensometer eingesetzt. In seiner einfachen Form ist dies ein im Objekt eingebauter Draht, dessen Längenänderung hoch genau festgestellt werden kann. In moderner Form werden Extensometer sowie andere Sensoren, die Bauwerksänderungen in digitale Signale umwandeln, zur Anzeige gebracht oder - aufwendiger - an ein elektronisches Messwerterfassungssystem angeschlossen.

Der Beobachtungs-Zeitraum kann durch einen Belastungstest verkürzt werden. Dazu wurde ein Art Sattelschlepper entwickelt, der sich teleskopartig auseinander ziehen lässt. Das Fahrzeug wird an den Widerlagern fixiert und dann der Überbau durch Hydraulikstempel mit wählbarer Belastungsstärke belastet. Die auftretenden Höhenänderungen werden zeitgleich abgegriffen wie bei Verfahren1 [www.belfa.de].


Auswertung

In einfachen Fällen werden die Koordinaten bzw. Höhen der Objektpunkte fortlaufend in eine Liste eingetragen und grafisch dargestellt. Solange an der Stabilität der Stützpunkte keine Zweifel bestehen, kann man sich damit zufrieden geben.


Für eine einwandfreie Analyse stehen heute komfortable Computerprogramme mit statistisch fundierten Aussagen zur Verfügung. Um das Prinzip zu erkennen, genügt es, zwei Epochen zu betrachten, was aber nicht bedeutet, dass man nicht beliebige Epochen untereinander vergleichen kann. Hauptaufgabe ist, herauszufinden, ob und in welcher Größe sich die Objektpunkte zwischen beiden Epochen verändert haben. Zuvor stellt sich jedoch die Frage, ob die Stützpunkte selbst stabil geblieben sind.


Eine freie Ausgleichung beider Epochen liefert - nach Elimination eventueller Grober Fehler - einen Wert für die Genauigkeit der Messungen, der möglichst in der gleichen Größenordnung liegen sollte. Die gemittelte Standardabweichung bildet das Beurteilungskriterium für das weitere Vorgehen.


Nun werden praktisch alle Stütz- und Objekt-Punkte der Wiederhol-Epoche auf die Bezugs-Epoche transformiert. Man erhält so deren Unterschiede als Klaffungen. Falls die Klaffung eines Punktes in Relation zur gemittelten Standardabweichung echt, im Sinne der Statistik signifikant, ist, liegt eine Deformation des Punkts vor, sonst ist die Klaffung als Messunsicherheit anzusehen. Ausgefeilte Programme gehen dabei iterativ vor und suchen zunächst nach den stabilen Punkten. Je größer ihre Anzahl, desto eindeutiger die Aussage.




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