Monitoring der Südbrücke in Koblenz
Realisierung einer digitalen, sensorgestützten und proaktiven Online-Überwachung (IoT) von Korrosions- und Feuchteereignissen eines Brückenbauwerkes im Zuge der Sanierung.
Überwachung des Betonbrücken-Teilabschnitts der Südtangente mit Hilfe von neuartigen Sensoren
Mit dem Bau einer großzügig angelegten Südtangente in Koblenz, die die Hunsrückhöhenstraße (B327) mit der Südbrücke überführt, sollte 1972 ein drängendes Verkehrsproblem der Stadt gelöst werden.
Die Lösung für den Fernverkehr, aber auch für den Nah- und innerstädtischen Verkehr, war der Bau der „Südtangente Koblenz“, so ihr Projektname bei der Straßenverwaltung Rheinland-Pfalz. Diese wurde nun in großen Teilen saniert.
Zahlen & Fakten
- Errichtung der Bauwerke: 1972 bis 1975
- Bauwerksfläche: ca. 93.000 m²
- Verkehrsbelastung: ca. 45.489 Kfz/24h, Schwerverkehrsanteil von 3 %
Instandsetzungsmaßnahme
Der gesamte Fahrbahnbelag, die darunter befindliche Bauwerksabdichtung, die vorhandenen Schutzplanken und Geländer, die Bauwerkskappen und die Entwässerungseinrichtungen werden vollständig abgebrochen und erneuert.
Ebenso erfolgt die Instandsetzung aller Betonflächen der Bauwerke. Dies betrifft auch die Betonflächen der Brückenuntersicht und der begehbaren Brückenhohlkörper (Überbauten). Hierzu werden sämtliche Betonflächen mittels Abklopfen oder einer Potentialfeldmessung untersucht und Schadstellen im Beton lokal ausgebessert. In Summe handelt es sich hierbei um ca. 136.500 m² zu untersuchender Betonfläche.
Basierend auf den Potentialfeldplänen wurde ein Warnsystem durch die BS2 Sicherheitssysteme konzipiert und implementiert, um den Korrosionsstatus und die Feuchtigkeitsentwicklung an definierten Stellen des Brückenbetons zu überwachen. Die Temperatur wird als Berechnungsfaktor für die ebenfalls gemessene Betonfeuchtigkeit verwendet. Zu diesem Zweck wurde in Abstimmung mit der LBM ein Brückenabschnitt ausgewählt und der BS2 zur Verfügung gestellt.
- Grundlage für diese Lösung ist der Einsatz von neuartigen energielosen Feuchtigkeitssensoren und punktuell Korrosionssensoren mit einer konzipierten Lebensdauer von mehreren Jahrzehnten.
- Diese Sensoren sind draht- und energielos und entsprechen in der technischen Konstruktion der Lebensdauer einer Brücke.
- Die Sensoren liefern eindeutige Ausgabewerte, die der LBM in der versetzen entsprechende Schlussfolgerungen für die weitere Vorgehensweise bei SOLL-Wert Abweichungen zu ziehen mit dem Ziel: zukünftige Schäden proaktiv zu erkennen und die Dauerhaftigkeit und Nachhaltigkeit des Bauwerkes zu erhöhen
- Erfahrungen bei Brückenprojekten aus dem In- und Ausland, sowie aus dem Projekt „duraBAst“ sollen berücksichtigt warden.
- Das gesamte Monitoringsystem soll baustellentauglich, einfach und ohne zusätzliche Aufwände mit online- Datenauslesung betrieben werden.
- Die Antennen der Sensoren sollen zu 7 Kommunikationpunkte/Gateways (4 Stück/Gateway) installiert und geschaltet werden um eine Online-Auslesung zu realsierung zwecks webbasierter und ortsunabhängiger Auslesung ohne an/ins Bauwerk zu müssen.
Einsatzschwerpunkt
Brückenabläufe: 9 Stck „F“
FÜK: 2 Stck „F“
Summe der Sensoren
Einbau der Sensoren
Alle Sensoren sind mit abgesetzter Antenne ausgeführt. Die abgesetzten Antennen sind alle im Brückenkasten installiert. Der Einbau der Sensoren erfolgte erst nach der neuen Betonage, aber natürlich bevor die Bitumenabdichtung aufgebracht wurde. Die Installation der Sensoren erfolgte deshalb durch eine Kernlochbohrung (ca. 4cm tief) und Ankoppelmörtel (BS2).
Die Verbindungen der abgesetzten Antennen, werden durch eine Bohrung nach unten in den Brückenkasten geführt. Da viele Sensoren im Bereich außerhalb des Brückenkasten installiert werden, wird das Kabel oberhalb in einem ca. 1cm tiefen geschnittenem Kanal, bis zum gewünschten Punkt der Bohrung in den Brückenkasten, verlegt.
Die Bohrungen wurden nach der Kabeldurchführung (oben und unten) mit Hilti Hit (Epoxidharzmörtel) verschlossen. Sensor und Antenne wurden getrennt gefertigt und werden erst im Brückenkasten miteinander verbunden.
Der Sensor und das Kabel wurden nach der Installation oberflächenbündig verschlossen.
Als Betonersatz wurden BAST-Gelistete Baustoffe verwendet.
Die bearbeiteten Bereiche wurden vorbehandelt und im Anschluß wurden diese Flächen mit einer 2-Komponenten Epoxy-Grundierung (VEDAPONT EP/N) beschichtet.
Diese Beschichtung erfolgte bevor die Gesamtfläche für die weitere Abdichtung vorbereitet wurde. Danach wurde die gesamte Fläche mit der Epoxy-Grundierung beschichtet (Fa. Schnorpfeil).
Installation des Gateways
Alle Sensoren sind mit abgesetzter Antenne ausgeführt. Die abgesetzten Antennen sind alle im Brückenkasten installiert. Der Einbau der Sensoren erfolgte erst nach der neuen Betonage, aber natürlich bevor die Bitumenabdichtung aufgebracht wurde. Die Installation der Sensoren erfolgte deshalb durch eine Kernlochbohrung (ca. 4cm tief) und Ankoppelmörtel (BS2).
Die Verbindungen der abgesetzten Antennen, werden durch eine Bohrung nach unten in den Brückenkasten geführt. Da viele Sensoren im Bereich außerhalb des Brückenkasten installiert werden, wird das Kabel oberhalb in einem ca. 1cm tiefen geschnittenem Kanal, bis zum gewünschten Punkt der Bohrung in den Brückenkasten, verlegt.
Die Bohrungen wurden nach der Kabeldurchführung (oben und unten) mit Hilti Hit (Epoxidharzmörtel) verschlossen. Sensor und Antenne wurden getrennt gefertigt und werden erst im Brückenkasten miteinander verbunden.
Der Sensor und das Kabel wurden nach der Installation oberflächenbündig verschlossen.
Als Betonersatz wurden BAST-Gelistete Baustoffe verwendet.
Die bearbeiteten Bereiche wurden vorbehandelt und im Anschluß wurden diese Flächen mit einer 2-Komponenten Epoxy-Grundierung (VEDAPONT EP/N) beschichtet.
Diese Beschichtung erfolgte bevor die Gesamtfläche für die weitere Abdichtung vorbereitet wurde. Danach wurde die gesamte Fläche mit der Epoxy-Grundierung beschichtet (Fa. Schnorpfeil).
Die 28 Sensorantennen wurde auf 7 Kommunikationspunkte verteilt (je 4 Sensorantenne / Gateway) Zusätzlich wurde ein Reset-Taster und ein LED-Taster verbaut, der lediglich als Anzeige der Ausgangsspannung des Netzteils dient.
Jeweils 4 Antennen wurden in den Deckel (Innenseite) des Gateways gegenüber der Abfragespulen eingeklebt. Hierfür wurde Montagekleber verwendet. Die Kabel sind durch Kabeleinlässe nach außen geführt, wo so mittels IP67-Verbindungsmuffen mit den Anschlusskabeln der Sensoren im Brückenkasten verbunden werden.
Die Konfiguration des Sensoren mit der Kommunikationspunkte / Online-Gateways wurde vor Ort durchgeführt. Anschließend wurde das System in Betrieb genommen. Die IoT -Simkarten sind von der Deutschen Telekom und entsprechen dem neusten 5G/NB-IoT Standard, was einen extrem kostengünstigen Datenbetrieb und guten Empfang in Bauwerken ermöglicht.
Darstellung der Ergebnisse
Für Feuchtigkeitssensoren
Der Feuchtigkeitszustand in Verbindung mit äußeren chemischen Einflüssen ist entscheidend für die Bildung von Korrosionsprozessen. Optimal, wenn die Feuchtigkeitskurve über einen langen Zeitraum niedrig und konstant bleibt. Kritisch für den Beton, wenn die Feuchtigkeitskurve über einen langen Zeitraum großen Schwankungen ausgesetzt ist. Dies kann u.a. auf eine Leckage durch die Risse auf der Oberfläche zurückzuführen sein. Bei frühzeitiger Erkennung solcher Abweichungen lassen sich Schäden deutlich eingrenzen/minimieren.
Bei der Datenauswertung aller installierten Feuchtesensoren zeigte sich ein bisher intaktes Verhalten. Wie aus den Diagrammen ersichtlich ist, zeigen die gelieferten und ausgewerteten Daten der Feuchtesensoren, daß Betonumgebung regulär austrocknet und bis dato keine Anzeichen von ungewöhnlichen Feuchteschwankungen sichtbar ist. Das deutet auf eine dichte und intakte Oberfläche und Abdichtung.
Für Korrosionssensoren
Bei der Datenauswertung der der 4 Korrosionssensoren zeigte der Korrosionssensor mit der ID: 1454 eine Korrosionsbeinflussing in erste Ebene. Die Feuchtesensoren in der Nähe zeigen extrem niedrigere Feuchte- werte. Folgende Schlussfolgerung liegt nahe:
Es ist bekannt, dass dieser Sensor im Bereich von stark erhöhten Restchloridgehalten installiert wurde (siehe Kreismarkierung). Es ist auch nahliegend, dass es vor der Endbeschichtung zum erhöhten Feuchtegehalt in diesem Bereich gekommen war und dadurch korrosive Reaktionen in diesem Bereich stattgefunden hat.
Die darunterliegende Drahtebene ist intakt und alle installierten Feuchtesensoren in der Umgebung weisen aktuell einen üblichen, niedrigen Feuchtwert. Es gilt in Zukunft in diesem Bereich eine verstärkte Beobachtung zu schenken. Alle anderen Sensoren zeigen intaktes Verhalten
Das Niveau und die Art der Feuchtigkeit im Beton ist ein wesentlicher Parameter im Korrosionsprozess der Bewehrung. Sobald die Korrosion an der Bewehrung begonnen hat, wird die Korrosionsrate in hohem Maße von der Art und dem Gehalt der Feuchtigkeit beeinflusst. Das hier entworfene und installierte Überwachungssystem sollte die externe Sichtbarkeit durch Online-Übertragung dieser bauphysikalischen Kennzahlen sicherstellen.
An einem Teilbereich der Brücke Südtangente in Koblenz wurde erfolgreich ein Sensor-Vorwarnsystem zur Überwachung des Korrosionsverhaltens und der Feuchtigkeit im Beton installiert. Die Daten werden mit Hilfe eines Gateways ausgelesen und über IoT-Konnektivität an die BS2-Cloud übertragen. Dort werden sie ausgewertet und dem LBM Online zur Verfügung gestellt.
Eine aussagekräftige Beobachtung ist möglich, wenn Messdaten über einen längeren Zeitraum ausgewertet werden.
Da die Beurteilung der Feuchtigkeit in Beton von zahlreichen Einflussfaktoren abhängt, sollten bei der Beurteilung des Verlaufs der Feuchtigkeitswerte Betonexperten konsultiert werden. Das Überwachungssystem ist eine zerstörungsfreie Methode zur schnellen Datenerfassung unter den Bedingungen der Betonkonstruktion.
Realisierte Ziele
- Beitrag zur Digitalisierung und Erprobung innovativer Technologien
- Beitrag zur Dauerhaftigkeit / Nachhaltigkeit des Bauwerks
- Proaktive / Online – Sichtbarkeit von Frühwarn-Parametern
Unsere Lösungen für das Monitoring der Brücke Autobahn A8
