Überwachung von Strukturverhalten und Integrität einer Brücke während eines komplexen Sanierungsprozesses

Die 1922 geplante und vier Jahre später, 1926, für den Verkehr freigegebene Hercílio-Luz-Brücke war die erste Straßenverbindung zwischen der Insel Florianópolis, die zum Bundesstaat Santa Catarina gehört, und dem brasilianischen Festland. Durch ihren Standort am Meer war die Brücke mehr als 90 Jahre lang Feinden ausgesetzt, die auf den ersten Blick gar nicht zu erkennen sind, darunter die Korrosionswirkung des Meerwassers, der natürliche Verschleiß der Struktur, die gestiegene Belastung sowie die viel größere Anzahl an Fahrzeugen, die wesentlich höher war als zu der Zeit, als die Brücke konstruiert worden war.

Pläne und Maßnahmen für eine ständige vorbeugende Instandhaltung der Brücke wurden ausgearbeitet, sodass die Originalteile der Struktur sogar nach fast 90 Jahren noch erhalten sind. Dies konnte jedoch nicht verhindern, dass die Brücke aufgrund ihres bedenklichen Zustands aus Sicherheitsgründen seit 1991 vollständig geschlossen war. Außer der Sperrung für den Verkehr wurde zur Verringerung der ständigen Lasten zusätzlich die Asphaltdecke über dem zentralen Brückenfeld abgetragen. Dies bedeutete für die Struktur eine Entlastung von 400 Tonnen.

Problem

Seit ihrer Einweihung hat die Hercílio-Luz-Brücke mit verschiedenen Feinden zu kämpfen: Mit der Korrosionswirkung des Meerwassers, dem natürlichen Verschleiß der Struktur und schließlich der gestiegenen Belastung sowie der größeren Anzahl an Fahrzeugen, die wesentlich höher war als die, für die die Brücke 1926 ausgelegt worden war. Dank der ständigen vorbeugenden Instandhaltung konnte die Brücke dennoch auch nach fast 90 Jahren in ihrer ursprünglichen Struktur erhalten werden. Mehr denn je geht es nun darum, die Brücke zu retten und sie dazu auch noch in ihrer ursprünglichen Form zu erhalten, von der Geometrie bis zu den Details ihrer Verbindungsteile.

Lösung

In einem auf fast 3 Jahre angelegten Projekt wurde das Unternehmen Teixeira Duarte mit der vollständigen Sanierung der Hercílio-Luz-Brücke beauftragt. Hierzu gehörte die Ersetzung der Auflagerstützen in den Hauptpylonen, die Verstärkung und Wiederherstellung der Fundamente, die Sanierung der Metallkonstruktion, die Ersetzung von Augenstäben, Sätteln und den Hauptseilen, einschließlich der Arbeiten für den Lasttransfer. Hinzu kam die Aufbringung neuer Fahrbahnen für den Auto-, Fußgänger- und Motorradverkehr. Das Unternehmen Teixeira Duarte entschied sich dafür, bei diesem Projekt Technologie von HBM einzusetzen, u. a. Sensoren und optische Interrogatoren mit Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Technologie zur Dehnungsüberwachung an kritischen Stellen in der Struktur sowie elektrische Sensoren zum Anzeigen der verschiedenen Signale wie Neigung, Temperatur, Wind und Meeresströmung. Ergänzt wurde dies durch technische Serviceleistungen für die Sensorinstallation, das Erstellen von Software-Skripts für Überwachung, Datenaufzeichnung und Alarmgenerierung sowie Remote-Support, falls es zu Ausfällen kommen sollte.

Ergebnisse

Der kritischste Teil des Projekts, nämlich der Lasttransfer vom mittleren Brückenfeld auf Hilfskonstruktionen, wurde erfolgreich bewältigt, und es besteht die Möglichkeit, dass die Struktur nach dem Abschluss der Sanierung kontinuierlich überwacht werden kann.

Die Systemarchitektur

Für die Instrumentierung der Brückenstruktur wurde eine Hybridarchitektur definiert, d. h. eine Architektur, bei der sowohl optische, auf Faser-Bragg-Gittern (FBG) basierende Sensoren als auch herkömmliche elektrische Sensoren in verschiedenen Mengen verwendet werden. Die Messung von Verformungen, Temperatur, Windgeschwindigkeit und Meeresströmen ist Teil des Gesamtüberwachungssystems. Insgesamt wurden 284 optische Sensoren von 3 Interrogatoren von HBM FiberSensing erfasst.  Da zur Übertragung der Signale von den optischen Sensoren sowieso ein optisches Netzwerk installiert werden musste, wurde die Kommunikation des PMX von HBM gleich mit integriert, um die Signale der elektrischen Sensoren in den zwei 24-adrigen Multifaserkabeln zu übertragen, die auf einer Länge von 800 m an der Brücke verlegt wurden.

Das Multifaserkabel wurde an strategischen Stellen mit Abzweigen für den Sensoranschluss versehen, um jede Faser einzeln mit den Sensoren zu verbinden. Alle Anschlüsse wurden entlang der Struktur durch spezielle Abzweigdosen geschützt.

Um den Installationsprozess zu vereinfachen und zu beschleunigen – eine wesentliche Anforderung für die Projektdurchführung –, wurden die optischen Sensoren als vormontierte Sensorketten geliefert. Je nachdem, an welchen Strukturteilen die Sensoren angebracht werden sollten, wurden für die Sensorinstallation zwei verschiedene Methoden gewählt. Da die Brücke aus einer Metallkonstruktion besteht, lag es auf der Hand, die Sensoren durch Punktschweißen zu befestigen. Für die zentralen Fachwerke und Hilfsstützen – Teile, die während des gesamten Projekts in der Struktur bleiben – wurde diese Installationsmethode gewählt. Für die Augenstäbe – die Teile, die ausgetauscht werden sollten – wurden aufgeklebte Sensoren gewählt. Die Sensorketten umfassten Dehnungs- und Temperatursensoren. Eine Kombination dieser beiden Sensoren war erforderlich, um Temperatureffekte auf die Dehnungsmessungen auszugleichen.

In technischer Hinsicht komplexer war das Verfahren des Lasttransfers, das heißt die Zugentlastung an den Augenstäben, damit sie nacheinander ausgetauscht werden konnten. Für die Durchführung musste die Instrumentierung an mehreren Stellen der ursprünglichen und der provisorischen Metallkonstruktion mit Dehnungsaufnehmern ausgestattet werden, zusätzlich mussten weitere elektrische Sensoren wie Neigungsmesser und Sensoren für Klimamessungen angebracht werden. Insgesamt waren das 312 Sensoren. HBM legte das beste Angebot für Lieferung und Installation vor. Möglich wurde dies durch den optimierten Einsatz kombinierter Technologien – optische Technologie für Dehnungsmessungen und Datenübertragung in die Leitzentrale und elektrische für die übrigen Messungen – sowie eine schnelle Installationsmethode, die durch den straffen, für die Arbeiten vorgegebene Zeitplan erforderlich war. Ricardo Martins, Projektingenieur, Teixeira Duarte

Datenerfassungssystem

Alle Datenerfassungskomponenten sind mit der Leitzentrale vernetzt. Sowohl die optische als auch die elektrische Plattform kommunizieren über Ethernet, und wie bei Netzwerken dieser Art üblich, ist ihr Anschluss ist mithilfe optischer Ethernet-Switches realisiert.

Für das gesamte System wurden zwei Computer verwendet: Einer war hauptsächlich für die Überwachung und Aufzeichnung der kontinuierlich rund um die Uhr erfassten Daten zuständig, der andere für die Nachbereitung der bereits aufgezeichneten Daten. Für Datenerfassung, -aufzeichnung und -auswertung wurde die Software catman verwendet. Um bestimmte Aufgaben zu automatisieren, wurden mehrere Skripte erstellt, z. B. für die regelmäßige Erstellung von Berichten und Alarmen sowohl für die Bediener vor Ort als auch die Ingenieure an entfernten Standorten, einschließlich eines Fernzugriffs für HBM, um bei Bedarf schnell reagieren zu können.

Die Bedeutung von Dehnungsmessungen während der Brückensanierung

Während der Sanierung der Hercílio-Luz-Brücke waren einige der oben genannten Schritte besonders kritisch. Beispielswiese der Lasttransfer jeweils zu Beginn und am Ende der Arbeiten. Als Lasttransfer wird der Zeitpunkt bezeichnet, wenn die hydraulischen Hubwerke in Gang gesetzt werden, um die Fahrbahn der Brücke anzuheben, damit die von den Augenstangen getragene Last auf die darunter liegende Hilfskonstruktion übertragen wird, das heißt auf die vier für das Projekt gebauten „Hilfspfeiler“ („Torres Auxiliares“, abgekürzt „TAs“). Bei einem Bauwerk dieser Größe und mit so starken Schäden wie in diesem Fall kann es bei einem Lasttransfer dieser Art zu einem Strukturversagen in der Brücke oder der Hilfskonstruktion kommen, und genau hier kommt der Instrumentierung eine entscheidende Aufgabe zu. Um bei dem gesamten Vorgang größtmögliche Sicherheit zu gewährleisten, wurden mehrere Dehnungssignale in der Hilfskonstruktion gemessen. Anhand dieser Signale konnte beurteilt werden, ob die Last gleichmäßig von der Struktur übertragen wurde, und bei der Struktur der Brücke wurde überprüft, ob die Entlastung erwartungsgemäß erfolgte.

Der Lasttransfer wurde in mehreren Schritten durchgeführt, und nach jedem Schritt wurden die Ergebnisse von den für das Projekt verantwortlichen Ingenieuren mit numerischen Simulationen verglichen, um zu bestätigen, dass das Verhalten der Struktur innerhalb der Erwartungen lag.

An den Pfeilern der Hilfskonstruktion sowie an der Brücke selbst wurden außerdem auch Neigungsmessungen durchgeführt.

Ein weiterer wichtiger Aspekt waren die durch Wind und Gezeiten verursachten Belastungen. Da die Brücke in einer Küstenregion an einer Engstelle zwischen der Insel und dem Festland steht, können Winde hohe Geschwindigkeiten erreichen und die Sanierungsarbeiten beeinträchtigen. Deshalb wurden zusätzlich zu allen entlang der Brücke installierten Dehnungs- und Temperatursensoren auch Messungen von Meeresströmung und Wind durchgeführt.


Die Entscheidung für optische Dehnungsmesstechnik

Werden an großen Strukturen, für die viele Sensoren benötigt werden, elektrische DMS verwendet, dann wird die Menge der Stromkabel zu einem größeren Problem, denn Kabel für die Instrumentierung sind teuer und nehmen viel Platz weg. Hinzu kommt, dass Messungen mit solchen Sensoren über Strecken von mehreren hundert Metern aufgrund der elektromagnetischen Störeinflüsse in den für die Installation benötigten langen Kabeln nicht zuverlässig sind. In diesen Fällen müssen die Datenerfassungssysteme entlang der Struktur verteilt werden. Aufgrund des Risikos von Schäden an der Ausrüstung ist das eher ungünstig, ganz zu schweigen von den Verbindungsproblemen zwischen diesen Komponenten und dem Datenspeicherungssystem.

Optische Dehnungsmesstreifen (DMS) bieten demgegenüber enorme Vorteile, beispielsweise hohe Ermüdungsgrenzen, Multiplexfähigkeit und Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen. Das Programm von HBM FiberSensing an Dehnmessstreifen und anderen auf Faser-Bragg-Gittern (FBG) basierenden optischen Sensoren bietet die ideale Lösung für anspruchsvolle Prüf- und Messanwendungen. Informationen über das vollständige Programm an optischen Sensoren von HBM finden Sie hier.


HBM bewies während der Installation des gesamten Überwachungssystems einmal mehr seine hervorragende Fachkompetenz und konnte den Fertigstellungstermin trotz der über den größten Teil des Installationszeitraums ungünstigen Wetterbedingungen einhalten. Nach der Beendigung der Installation leistete HBM in den ersten Betriebsmonaten direkte Unterstützung, für die Zeit danach gibt es eine Vereinbarung über technischen Support, die bis zum Abschluss des Lasttransfers gelten wird. Die Wartung des Systems übernimmt der von HBM geschulte Techniker von Teixeira Duarte, der ständig vor Ort ist, außerdem steht das Team von HBM für den Remote-Support zur Verfügung. Dank dieser Kooperation konnte das Überwachungssystem stets in einwandfrei funktionsfähigem Zustand gehalten werden, erklärt Ricardo Martins.

Teixeira Duarte

Teixeira Duarte begann seine Tätigkeit im Jahr 1921 und ist heute einer der größten portugiesischen Wirtschaftskonzerne.

Gestützt auf seine Grundwerte Erfindergeist, Wahrhaftigkeit und Engagement, erfüllt Teixeira Duarte seine Mission: einen aktiven Beitrag zum Aufbau einer besseren Welt zu leisten.

Die Unternehmensgruppe Teixeira Duarte hat rund 10.500 Beschäftigte in 18 Ländern auf vier Kontinenten und arbeitet in sechs verschiedenen Geschäftsfeldern: Construction, Concessions and Services, Real Estate, Hospitality, Distribution und Automotive.

Teixeira Duarte hat ein Unternehmen und ein Image aufgebaut, das für großartige Werte und Pionierleistungen im Bauwesen steht. Seine Teams und Strukturen wirken zusammen, um letztendlich ein gemeinsames Ziel zu erreichen: den anerkannten Ruf für hervorragende Leistungen bei Projektierung, Innovation, Errichtung und Management großer Projekte und Unternehmungen zu verteidigen.

Von großen Infrastrukturen wie Brücken, Dämmen, Krankenhäusern, Straßen und anderen öffentlichen Bauwerken bis zu den prächtigen Gebäuden, die unsere Geschichte prägen, steht Teixeira Duarte für exzellentes Know-how und eine stete Präsenz in unserem täglichen Leben.

HBM FiberSensing

HBM FiberSensing, SA gehört zur deutschen HBM-Gruppe, dem weltweit führenden Unternehmen für Prüf- und Messtechnik, und hat sich auf die Entwicklung und Produktion optischer Systeme auf Basis von Faser-Bragg-Gitter (FBG)-Netzwerktechnik für hochentwickelte Überwachungsanwendungen spezialisiert.

Mit einer Fachkompetenz, die von der Glasfasertechnologie bis zur Optoelektronik, digitalen Elektronik und Messgeräten reicht, bietet das Unternehmen ein breites Portfolio an optischen Sensoren, Interrogatoren und Softwareanwendungen sowie komplette Überwachungslösungen an.

HBM FiberSensing hat seinen Sitz in Portugal und ist über das weltweite Netz der HBM-Gruppe mit einer Präsenz in mehr als 80 Ländern international tätig.

Produkte und zugehörige Inhalte

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