Auf Basis von Laserscannern: TU Darmstadt entwickelt neues Verfahren zum Brücken-Monitoring

Forscher der TU Darmstadt haben ein neues Brücken- Monitoring-Verfahren entwickelt. Dabei kommt ein Profil-Laserscanner zum Einsatz, der sonst primär im Bereich des Mob

An der TU Darmstadt entwickelten Wissenschaftler ein neues Monitoring-Verfahren zur Zustandsbewertung von Tragwerken. Dabei kehrten sie den Einsatzzweck von Profil-Laserscannern, wie sie aus der mobilen Straßenraumerfassung bekannt sind, kurzerhand um. Foto: Florian Schill / TU Darmstadt

An der TU Darmstadt entwickelten Wissenschaftler ein neues Monitoring-Verfahren zur Zustandsbewertung von Tragwerken. Dabei kehrten sie den Einsatzzweck von Profil-Laserscannern, wie sie aus der mobilen Straßenraumerfassung bekannt sind, kurzerhand um. Foto: Florian Schill / TU Darmstadt

ile Mapping genutzt wird.

Die für die Brückenüberwachung notwendigen Messungen erfolgen bislang meist taktil. Das bedeutet, dass am zu prüfenden Bauwerk zuerst Sensoren angebracht und nach erfolgter Messung wieder demontiert werden müssen. Die Folge ist oftmals eine Behinderung des fließenden Verkehrs. Wissenschaftler der Technischen Universität Darmstadt haben sich daher mit neuen Monitoring-Verfahren beschäftigt, die ohne stationär angebrachte Sensoren funktionieren. Dabei greifen sie für das neue System auf ein eigentlich für diesen Zweck ungewöhnliches Messinstrument zurück: Ein Profil-Laserscanner, wie er sonst hauptsächlich für das Mobile Mapping Verwendung findet. Professor Andreas Eichhorn vom Fachgebiet Geodätische Messsysteme und Sensorik (GMSS) der TU Darmstadt betont: „Um die hohe und steigende Zahl an Überwachungsaufgaben effizient bewältigen zu können, ist ein modernes und praktikables System erforderlich.“

Gesamtes Brückenprofil statt punktueller Messungen

Das neue Mess- und Auswertungskonzept wurde von Dr.-Ing. Florian Schill im Rahmen seiner Promotion am GMSS erarbeitet. Bei dem neuen Monitoring-Verfahren nutzen die Wissenschaftler einen Profil-Laserscanner des Unternehmens Zoller + Fröhlich GmbH – den Z+F Profiler 9012. Das Messinstrument arbeitet nach dem Phasenprinzip. Genau das ist es auch, was den Einsatz beim Brückenmonitoring so besonders macht: Normalerweise wird ein statisches Objekt – etwa der Straßenverlauf – von einer sich bewegenden Plattform, einem Auto mit aufgesetztem Profil-Laserscanner, aus abgetastet und daraus eine 3D-Punktwolke berechnet.

Die Anwendung zur Überwachung von Tragwerken stellt eine Umkehrung dieses Einsatzzweckes dar: Von einer statischen Plattform aus wird ein sich bewegendes Messobjekt abgetastet. Dazu wird der Laserstrahl in einer Richtung über das Messobjekt mit einer Wiederholrate von 50, 100 oder 200 Hertz geführt. Als Ergebnis entsteht eine zweidimensionale Punktwolke, die in Messprofile geordnet ist. Die einzelnen Messprofile beinhalten dabei bis zu 20.000 Messpunkte pro 360 Grad. Zusätzlich erhält jeder Messpunkt einen Zeitstempel, da durch die Integration eines GPS-Empfängers eine hochgenaue Zeitinformation generiert werden kann. „Profil-Laserscanner bieten eine neue und sichere Möglichkeit für die Überwachung von Tragwerken“, erklärt Eichhorn. Nicht nur, dass es keiner Montage beziehungsweise Demontage von Sensoren bedarf. Das Monitoring mittels Profil-Laserscanner gibt Messwerte für die gesamte Länge des Tragwerks aus – ein Brückenprofil entsteht, das selbst Daten für unzulängliche Stellen des Bauwerks liefert. Bisherige Verfahren über stationäre Sensoren liefern dagegen lediglich punktuelle Messergebnisse zu lastbedingten Deformationen.

Die Profil-Laserscanner werden unterhalb eines Tragwerks aufgestellt, um Deformationen der Brücke in einem gesamten Brückenprofil zu erfassen. Foto: Florian Schill / TU Darmstadt

Die Profil-Laserscanner werden unterhalb eines Tragwerks aufgestellt, um Deformationen der Brücke in einem gesamten Brückenprofil zu erfassen. Foto: Florian Schill / TU Darmstadt

Die räumlich sowie zeitlich definierten Messpunkte des neuen Verfahrens bedürfen im Anschluss allerdings noch drei weiterer Schritte der Auswertung, bevor der Brückenzustand bewertet werden kann: Die automatische Analyse der Messprofile, die profilweise räumliche und die scanweise zeitliche Prozessierung der Tragwerksprofile. Schill erklärt das Vorgehen: „Im Rahmen der Analyse werden automatische Fehlmessungen und nicht zum Tragwerk gehörende Messpunkte entfernt und mittels einer automatischen Segmentierung des Messprofils die Struktur der Tragwerksoberfläche analysiert und extrahiert. Nach Abschluss dessen liegen Tragwerkssegmente vor, die im Anschluss räumlich und zeitlich prozessiert werden. Dabei stehen für die räumliche Prozessierung eine Vielzahl von Approximationsverfahren zur Verfügung, wie z. B. die räumliche Klassenbildung, B-Splines oder auch das Wavelet Denoising. Die abschließende zeitliche Prozessierung dient einerseits der Erkennung und Eliminierung von noch vorhandenen Ausreißern in den abgeleiteten räumlich verteilten Zeitreihen und andererseits der Unsicherheitsbestimmung der Zeitreihen. Somit kann eine qualifizierte Aussage über das Deformationsverhalten des Tragwerks getroffen werden, und zwar nahezu kontinuierlich entlang des gesamten Tragwerksprofils.“ (vb)

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