Warum die Temperatur jede Messung verändert

Baustoffe dehnen sich bei Wärme aus und ziehen sich bei Kälte zusammen. Stahl und Beton tun das in ähnlichem Maß, rund ein Hundertstel Millimeter je Meter und Grad. Das klingt wenig, summiert sich aber: Ein Stahlüberbau von 100 Metern Länge wird bei 30 Grad Temperaturunterschied etwa 36 Millimeter länger oder kürzer. Diese Bewegung ist gewollt, Lager und Fugen sind dafür gebaut.

Für das Monitoring heißt das: Fast jede Messgröße am Bauwerk trägt einen Temperaturanteil. Risse öffnen sich, wenn das Bauteil abkühlt, und schließen sich, wenn es sich erwärmt. Träger biegen sich, wenn die Sonne die Oberseite stärker erwärmt als die Unterseite. Lager wandern im Tages- und im Jahresgang. Dieser Anteil ist oft größer als die Veränderung, um die es eigentlich geht.

Bauteiltemperatur ist nicht Lufttemperatur

Ein Bauteil folgt der Lufttemperatur, aber nicht sofort und nicht gleichmäßig. Massige Bauteile reagieren mit Verzögerung, weil sie Wärme speichern. Bauteile in der Sonne werden deutlich wärmer als die Luft, Bauteile im Schatten bleiben kühler. Bei einem Stahlträger kann der Obergurt in der Sonne liegen, während der Untergurt im Schatten bleibt.

Die Bemessung unterscheidet deshalb zwischen einem gleichmäßigen Temperaturanteil, der das Bauteil länger oder kürzer werden lässt, und einem Temperaturunterschied über die Querschnittshöhe, der es verkrümmt. So beschreibt es auch die Norm für Temperatureinwirkungen, DIN EN 1991-1-5. Für das Monitoring folgt daraus: Wer die Wirkung der Temperatur auf ein Bauteil verstehen will, braucht im Zweifel die Bauteiltemperatur und nicht nur die Lufttemperatur.

Drei Wege zur Temperatur

Welche Temperatur gebraucht wird, hängt von der Frage ab. Drei Wege stehen zur Wahl, die sich auch kombinieren lassen.

  • Fühler am Bauteil. Temperaturfühler sitzen direkt auf der Bauteiloberfläche und messen die Bauteiltemperatur. Mehrere Fühler je Querschnitt zeigen die Unterschiede über Höhe und Breite. Die Lufttemperatur misst ein Fühler im belüfteten Strahlungsschutz.
  • Wetterstation am Bauwerk. Sie erfasst Lufttemperatur, Luftfeuchte, Niederschlag, Wind, Luftdruck und Globalstrahlung genau dort, wo gemessen wird. Damit lassen sich auch Sonneneinstrahlung und Wetter als Ursache einer Bewegung mitlesen.
  • Daten des Deutschen Wetterdienstes. Der Deutsche Wetterdienst stellt die Messwerte seiner Stationen als offene Daten bereit. Für die Bereinigung eines bestehenden Monitorings wird die nächstgelegene Station herangezogen, ohne zusätzliches Gerät am Bauwerk, auch rückwirkend.

So funktioniert die Temperaturbereinigung

Die Bereinigung bestimmt aus der Messreihe selbst, wie stark eine Messgröße auf die Temperatur reagiert und mit welcher Verzögerung. Dafür werden Messgröße und Temperatur über viele Temperaturwechsel gemeinsam ausgewertet. Aus dem Zusammenhang ergibt sich der Anteil, der allein von der Temperatur kommt. Zieht man ihn von der Messreihe ab, bleibt der Trend übrig: die Veränderung, die das Bauwerk selbst zeigt.

Im Projekt an einer Autobahnbrücke folgte die Rissbreite der Lufttemperatur mit vier bis fünf Stunden Nachlauf, um 3,9 bis 5,9 Mikrometer je Grad. Die tägliche Schwankung lag im Median bei 83 Mikrometern. Erst nach Abzug dieses Anteils war zu sehen, wie sich die Risse über die Wochen tatsächlich veränderten. Wie das Projekt aufgebaut war, beschreibt die Referenz Autobahnbrücke.

Die Bereinigung ist auch die Grundlage für sinnvolle Grenzwerte. Liegt eine Warnschwelle mitten im normalen Temperaturgang, meldet sie bei jedem Sommertag. Wird sie auf den bereinigten Wert gelegt, meldet sie dann, wenn sich das Bauwerk wirklich verändert.

Temperatur im Bauzustand von Stahlbrücken

Im Stahlbrückenbau ist die Temperatur nicht nur Störgröße, sondern selbst Messwert. Länge, Höhenlage und Lagerstellung eines Überbaus hängen davon ab, wie warm er im Moment der Vermessung ist und wie sich die Wärme über den Querschnitt verteilt. Gebraucht wird deshalb die Bauteiltemperatur an allen Messstellen zur selben Zeit.

Bewährt hat sich ein Aufbau mit vier Fühlern je Messstelle: am Obergurt, am Untergurt und an den Stegen außen und innen. Daraus ergeben sich die mittlere Bauteiltemperatur und die Temperaturunterschiede über Höhe und Breite. Die Fühler sitzen außen auf der Beschichtung, ein Funk-Messknoten je Messstelle überträgt die Werte, Kabel über das Bauwerk entfallen.

Worauf es beim Messkonzept ankommt

  • Lage der Fühler. Auf der Bauteiloberfläche, mit Wärmeleitpaste und Abdeckkappe gegen direkte Sonne und Niederschlag. Die Lufttemperatur gehört in einen belüfteten Strahlungsschutz.
  • Gleiche Zeitachse. Temperatur und Messgröße müssen zeitgleich vorliegen, sonst stimmt der Zusammenhang nicht.
  • Messintervall. Der Tagesgang braucht mehrere Werte je Stunde oder zumindest je Tag, je nach Messgröße. Im Projekt an der Autobahnbrücke erfassten vier Werte pro Tag im Median 96 Prozent der Tagesschwankung, stündliche Werte bildeten sie vollständig ab.
  • Prüfung der Fühler. Vergleich mit einem kalibrierten Referenzthermometer bei der Inbetriebnahme und bei jeder Wartung. In ruhigen Nachtstunden müssen die Fühler einer Messstelle gleich messen.

Wie Infrasolute die Temperatur an Brücken und Bauwerken erfasst, zeigt die Seite Temperaturmonitoring. Wie die Plattform Temperatur und Messgrößen gemeinsam auswertet, beschreibt die KI-Analyse.