Auswirkungen des Schwerverkehrs im Blick: Langzeitmonitoring an einer Autobahnbrücke

Der zunehmende Schwerverkehr ist eine ständige Belastungsprobe für die rund 38.000 Brücken auf deutschen Autobahnen und Bundesstraßen. Um die Auswirkungen zu untersuchen, beauftragte die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) das Institut für Massivbau der Leibniz Universität Hannover mit Messungen an einer Spannbeton-Kastenträgerbrücke. Ein Jahr lang wurden mit Messtechnik von HBM u.a. Bauteil-Temperaturen, -Dehnungen und -Verformungen bei unterschiedlichem Verkehrsaufkommen aufgezeichnet.

Forschungsprojekt der Leibniz Universität Hannover

Um die Auswirkungen des gegenwärtigen Schwerverkehraufkommens auf das Tragwerk einer Spannbeton-Kastenträgerbrücke zu untersuchen, beauftragte die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) das Institut für Massivbau der Leibniz Universität Hannover mit Bauwerksmessungen an einem Kastentragwerk einer Brücke im Verlauf der Bundesautobahn 8.

Die A 8 verläuft in drei Teilstücken von der luxemburgischen bis an die österreichische Grenze bei Salzburg und ist eine der wichtigsten West-Ost-Verbindungen in Süddeutschland.

Folgende Fragen sollen beantwortet werden:

• Welche Auswirkungen haben die immer größer werdenden Gesamtlasten des Schwerverkehrs?
• Welche Rückschlüsse lassen sich aus der Ermittlung der aktuellen Verkehrszusammensetzungen auf die Normlastansätze ziehen?
• Müssen Empfehlungen für die Fortschreibung der Normenwerke erarbeitet werden?

Versuchsaufbau

Die Messungen erfolgen in drei Messquerschnitten, bei denen Bauteil-, Innen- und Außenluft-Temperaturen, Betondehnungen und Relativverformungen aufgezeichnet werden. An der Fahrbahnübergangskonstruktion (FÜK) werden an zwei Stellen die Dehnungen der Traversen und die Verformungen der zugehörigen Lammelle zwischen den Traversen erfasst. Darüber hinaus werden Verformungen und Verschiebungen der Topflager aufgezeichnet. Zur Erkennung und Geschwindigkeitsbestimmung von Schwerverkehrfahrzeugen sind an der seitlich vorhandenen Lärmschutzwand Laser-Lichtschranken montiert. Diese liefern zusätzliche Messwerte, mit denen auf die Positionen der LKW auf der Brücke in der Fahrspur geschlossen werden kann.

Lange Distanzen zwischen Sensor und Messverstärker

Insgesamt umfasst das Messsystem 96 Messkanäle. Innerhalb des Bauwerks ergeben sich große Entfernungen zwischen den Sensoren und den Messverstärkern. Zur Bündelung vieler Messstellen wurde das CANbus-System eingesetzt. Hierbei kamen vier CANHEAD-Module mit CB 1010 Trägerfrequenz-Verstärkern zum Einsatz. Die Messkanäle laufen in dem Messverstärker-System MGCplus mit unterschiedlichen Anschlusskarten zusammen. Im MGCplus wurden DC-Module, TF-Module und Anschlüsse für Temperaturaufnehmer PT100 kombiniert.

Zusätzlich zum MGCplus sind an den Messrechner zwei in Reihe geschaltete Spider8-Messverstärker über den Parallelport des Messrechners angeschlossen. Diese führen die Verformungs- und Verschiebungsmessungen der Lagerkörper zusammen. Die Messdaten-Erfassung erfolgt mit der Software catman®.

Flexibles System

Dipl.-Ing. Jan Peter Liebig vom Institut für Massivbau der Leibniz Universität Hannover zur Auswahl der Messtechnik:

„Der Entschluss für den Einsatz des MGCplus ergab sich aufgrund der Anzahl der erforderlichen Messkanäle. Zudem ermöglichte es das MGCplus-System, schon im Vorfeld durch den Einsatz von CANHEAD-Modulen viele Messkanäle zu bündeln und die Daten über eine größere Distanz zu übertragen. Darüber hinaus erlaubte dieses Messsystem durch den flexiblen Einsatz der Steckkarten, die verschiedenen Sensorsignale in einem Messverstärker-System zusammen zu führen. Die Kombination aus MGCplus und Spider8 stellte sich als praktikabel heraus, zumal die Software catman® uns die Möglichkeit gab, unterschiedliche Messverstärker zu kombinieren.“

Online-Überwachung der Messungen per GSM

Der Messzeitraum ist mit einem Jahr vorgegeben. Da das Messobjekt nicht in der Nähe der Leibniz Universität Hannover liegt, musste eine Möglichkeit geschaffen werden, die Messungen aus der Ferne überwachen und, wenn nötig, beeinflussen zu können. Zu diesem Zweck wurden zwei GSM-Module in die Messanlage integriert. Ein Modul dient dabei der getrennten Steuerung der Stromversorgung des Messrechners und der Messverstärker, das andere zur Online-Überwachung der Messungen.

1,4 GB Messdaten pro Tag

Die Signale der Messsensoren werden in drei Messratengruppen aufgezeichnet. Für die sehr kurzzeitigen Anregungen der FÜK ist eine Messfrequenz von mind. 1200Hz erforderlich. Dehnungen und Verformungen werden mit 50Hz und Temperaturen mit 1Hz aufgezeichnet. Die Messdaten mit einer Kanaltiefe von rund 100Mio. Messwerten belaufen sich pro Tag auf ca. 1,4 GB, so dass eine regelmäßige Überwachung des Systems erforderlich ist.

Anforderungen eines Langzeitversuchs

Der Messzeitraum von einem Jahr stellte an die Einrichtung und die Einstellungen der Messsensoren hohe Anforderungen. So kam dem Schutz der Messeinrichtungen gegenüber Witterungseinflüssen sehr große Bedeutung zu. Insbesondere an der FÜK mussten die Sensoren vor dem Eindringen von Wasser und Tausalzen geschützt werden, da die FÜK im Laufe der Bauwerksnutzung an einigen Stellen undicht geworden war. Für die Messungen der Spannstahldehnungen war es erforderlich, den Spannstahl an zwei Stellen freizulegen. Nach Abschluss der Installationen wurden diese Messstellen wieder verschlossen.

Kalibrierung des Messsystems

Nach Abschluss aller Installationsarbeiten und nachdem ein reibungsloser Ablauf der Messungen gegeben war, wurde das Messsystem an der Brücke justiert. Dazu befuhren diverse Lastzugkombinationen mit unterschiedlichen Gesamtgewichten bei verschiedenen Geschwindigkeiten die Brücke. Die Messungen während des Kalibrierprogramms dienen dem Rückschluss auf die Beanspruchungen infolge des laufenden Verkehrs. Im Rahmen dieses Kalibrierprogramms kamen durch die Unterstützung der Daimler AG ein 25t-Pritschenfahrzeug, ein 40t-Sattelzug und die 60t-Fahrzeugkombination nach modularem Nutzfahrzeugkonzept zum Einsatz. Für die Kalibrierungen wurde die Autobahnbrücke für den laufenden Verkehr gesperrt, so dass zahlreiche Messfahrten möglich waren.

Alle Informationen über CANHEAD®