Digitale Technologie für sicherere Brücken

Die im vergangenen Jahrhundert errichteten Brücken gehören zu den beeindruckendsten Bauwerken der Erde und sind zugleich ein Symbol für eine zunehmend vernetzte Welt, in der sich alle Hindernisse überwinden lassen. Dank neuer Brückenbaustoffe, insbesondere durch die Verbindung von Beton und Stahlseilen, ist es einfacher geworden, von einem Ort an den anderen zu gelangen.

Doch für Millionen von Brücken auf der ganzen Welt hat ein Wettlauf mit der Zeit begonnen. Allein in den USA weisen rund 54.000 der mehr als 600.000 Brücken „bautechnische Mängel“ auf. Für den schlechten Zustand der Brücken gibt es mehrere Ursachen; bei Strukturen aus Stahlbeton sind es meist Korrosion und die zunehmende Beanspruchung.

Auch europäische Länder schlagen Alarm, dass ohne entsprechende Überwachungs- und Sanierungsmaßnahmen vermehrt mit Katastrophen wie dem Einsturz der Morandi-Brücke in Genua im August 2018 zu rechnen ist. Die Tragödie, bei der 43 Menschen starben, war ein Weckruf für viele Länder, die die Instandhaltung ihrer Straßen sträflich vernachlässigt hatten. Experten gehen davon aus, dass die wirtschaftliche Entwicklung der BRIC-Staaten und anderer Wachstumsmärkte das Problem weiter verschärfen werden.

Die norwegische Straßenverwaltung überwacht die Stavå-Brücke in Echtzeit mit SAP Predictive Engineering Insights. Fahrzeuge, die über die Brücke fahren, erzeugen Schwingungen, die von Beschleunigungssensoren erfasst und an die Cloud-basierte Lösung weitergeleitet werden, in der sich das Brückenmodell als digitaler Zwilling befindet (Foto: Morgan Frelsøy/OPP).

Technische Intelligenz soll Einstürze verhindern

Die Instandsetzung maroder Brücken bzw. der komplette Neubau von Brücken ist mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Der öffentliche Sektor sucht deshalb auch nach kostengünstigen und wirksamen Methoden zur Überwachung des Zustands von Brücken, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Im Engineering Center of Excellence der SAP im norwegischen Trondheim arbeitet ein Team aus Softwareentwicklern und Bauingenieuren an der Entwicklung eines neuen Systems zur Echtzeitüberwachung von Brücken. Dieses basiert auf SAP Predictive Engineering Insights (PEI). Insbesondere die Erfassung großer Datenmengen soll besseren Einblick in den Zustand von Brücken und damit eine ordnungsgemäße Instandhaltung sowie einen sicheren Betrieb ermöglichen.

Daten von Sensoren, die an den Brückengeländern angebracht sind, werden an eine nahegelegene Basisstation übertragen, wo sie in die Lösung Predictive Engineering Insights als digitaler Zwilling übertragen werden. Der digitale Zwilling liefert Einblicke in den Zustand der Brücke in Echtzeit und kann eine umfassende Warnung vor strukturellen Ausfällen liefern.

In Zusammenarbeit mit der norwegischen Straßenbaubehörde Statens vegvesen überwacht die SAP die Stavå-Brücke auf der E6 zwischen Oslo und Trondheim, die in eleganten Bögen über eine tiefe, bewaldete Schlucht führt. Für die Straßenbaubehörde ist die Stahlbetonbrücke entlang der wichtigsten Nord-Süd-Verbindung Norwegens jedoch ein Dauerproblem. Sie wurde während des Zweiten Weltkriegs errichtet und ist auf Lkws mit einer Last von bis zu 20 Tonnen ausgelegt, nicht auf die 60-Tonner, die heute auf unseren Straßen unterwegs sind. Aus Sicherheitsgründen dürfen große Trucks die Brücke daher nur in jeweils einer Richtung und mit gedrosselter Geschwindigkeit passieren.

Simulationsbasierte digitale Zwillinge für Brücken

Die SAP-Entwickler haben ein digitales Modell entworfen, das die dynamische Beanspruchung des Bauwerks bis auf die Ebene einzelner Materialien simuliert. Dadurch entsteht ein „digitaler Zwilling“, der Echtzeiteinblick in das Verhalten der Brücke gewährt und damit frühzeitig vor Schäden an der Brückenstruktur warnt.

Und so funktioniert der norwegische Prototyp: Die Schwingungen, die durch die Fahrzeuge auf der Brücke entstehen, werden von Sensoren an dem Bauwerk erfasst. Deren Signale werden an die Cloud-Software SAP Predictive Engineering Insights übertragen, in der das Brückenmodell (der digitale Zwilling) gespeichert ist. Die Straßenbaubehörde wird bei Auffälligkeiten benachrichtigt. Sie kann anhand der Daten dann besser entscheiden, welche Inspektions- und Instandhaltungsmaßnahmen erforderlich sind.

Längere Nutzungsdauer von Brücken

Arild Christensen ist bei der Statens vegvesen für die Brücken und Fährhäfen in Mittelnorwegen verantwortlich. Er ist fest davon überzeugt, dass durch Echtzeitüberwachung die Nutzungsdauer von Brücken verlängert werden kann. „Die Technologie ist möglicherweise von großer wirtschaftlicher Bedeutung, da sich die Lebensdauer von Brücken damit maximieren lässt und Instandsetzungsmaßnahmen zum optimalen Zeitpunkt in Angriff genommen werden können“, erklärt Christensen. „Wenn sich mithilfe dieser Methode der Abriss und Neubau einer Brücke um zehn Jahre aufschieben lässt, sparen die Behörden viel Geld.“ Die sensorbasierte digitale Technologie für die Echtzeitüberwachung ist zuverlässiger als bislang zur Überwachung von Brücken eingesetzte Verfahren, bei denen in regelmäßigen Abständen kurze Stichproben genommen werden. Sie wird bereits in zahlreichen Branchenszenarien genutzt.

Einsturzgefahren, aber auch den Erfolg von Reparaturen vorhersagen

„Wir haben bereits viel gelernt, was die Daten der Stavå-Brücke über ihre statische Sicherheit aussagen und wie wir diese Erkenntnisse auf andere Brückenbauwerke übertragen können, um potenzielle Schäden vorherzusagen“, erläutert Martin Hasle, Leiter des Produktlieferungsteams von SAP Predictive Engineering Insights in Trondheim. „Wir können nun die Verkehrsbelastung über einen bestimmten Zeitraum und deren Entwicklung abschätzen“, berichtet er. Diese Informationen über die strukturelle Belastung sind wichtig, um die Risiken der Ermüdung zu verstehen. Sobald ein Lkw von ASKO, der größten Lebensmittelspedition Norwegens, die Brücke passiert, erhält das Team von Martin Hasle automatisch Informationen zum Gewicht des Fahrzeugs und zum Zeitpunkt der Brückenüberquerung. „Anhand genauer Angaben zu der Last der Lkws, die die Brücke passieren, konnten wir das Finite-Elemente-Modell des digitalen Zwillings auf die Brücke kalibrieren, um den physikalischen Zustand und den Verschleiß genauer zu beurteilen.

Die Statens vegvesen möchte die digitale Technologie künftig auch einsetzen, um den Erfolg geplanter Verstärkungen der Brückenstruktur vorherzusagen. Durch Reparaturen an einem Teil der Brücke könnte sich die Last auf andere Teile verlagern – möglicherweise mit negativen Folgen.

Digitale Zwillinge als Zeitmaschine

Genau diese Möglichkeit von SAP PEI, historische Daten zu analysieren und in die Zukunft zu blicken, macht digitale Zwillinge für Anlagenmanager so interessant. Nach Einschätzung des Analystenhauses IDC sind diese Eigenschaften einer „Zeitmaschine“ der Hauptgrund dafür, dass so viele Fertigungsunternehmen digitale Zwillinge einsetzen möchten. „Mithilfe digitaler Zwillinge können Fertigungsunternehmen und Anlagenbetreiber gewissermaßen zu Ereignissen in der Vergangenheit zurückspulen, das aktuelle Geschehen in Echtzeit wiedergeben und durch einen Schnellvorlauf simulieren, was unter bestimmten Bedingungen passieren wird“, beschreibt Jeffrey Hojlo, Program Director für Product Innovation Strategies bei IDC, die Technologie (Quelle: Digital Twins for Products, Assets, and Ecosystems, IDC PlanScape, Dokumentnr. US43134418, April 2018). „Ein solches Kontrollzentrum ermöglicht bessere Abläufe und eine kontinuierliche Verbesserung von Produkten, Fertigungsprozessen und Anlagen.“

 Zukünftige Einstürze vermeiden

Die heute zur Überwachung von Brücken eingesetzten Methoden basieren auf Erkenntnissen, die aus dem Einsturz von Brücken gewonnen wurden. Auf der Grundlage der Daten zum Einsturz der I-35-Brücke über den Mississippi im Jahr 2007 entwickelt das SAP-Team derzeit ein digitales Modell, um durch eine Simulation des Einsturzes herauszufinden, wie sich die Katastrophe mit einem digitalen Zwilling hätte vorhersagen lassen. „Wir arbeiten mit virtuellen Sensoren und simulieren den bautechnischen Mangel, der zum Einsturz der Brücke geführt hat“, erklärt Hasle. „Wenn man die Zusammenhänge ermitteln kann, lassen sich Einstürze vorhersagen, bevor sie tatsächlich passieren.“

Dieser Artikel ist unter Mitwirkung von Marit Reiso, Senior Project Manager, SAP Predictive Engineering Insights, entstanden.