Erkennung von Brückenschäden mit MWIR-Kameras

Sicherere Brücken

Mobiles Infrarot-Scannen von Brückenschäden

Bauingenieure in den USA stehen vor einem Problem: Zehntausende von Brücken haben ihre geplante Lebensdauer von 50 Jahren längst überschritten. Der US-Behörde für Fernverkehrsstraßen FHWA zufolge sind rund ein Viertel der 611.845 Brücken in den Vereinigten Staaten strukturell mangelhaft oder funktional obsolet. Für die nötigen Instandhaltungsmaßnahmen, Sanierungsarbeiten und Neubauten werden in den kommenden zwölf Jahren Kosten in Höhe von 19,3Mrd. Euro pro Jahr erwartet.

Wärmebild zur Kartierung von Brückenfahrbahnschäden (links) und mit IrBAS bearbeitetes zur Kartierung der Fahrbahnschäden (rechts) (Bild: Flir Systems GmbH)

Zwei wesentliche Faktoren bei Betonbrückenschäden sind Delaminationen und Abplatzungen. Als Delamination wird die Aufspaltung von Beton in Schichten oder die Trennung der oberen Schicht vom Substrat bezeichnet. Eingemörtelte Bewehrungsstäbe korrodieren im Laufe der Zeit und dehnen sich aus, wodurch sich der Beton entweder horizontal zwischen den Schichten spaltet (Delamination) oder sich in Stücke teilt, die über dem beschädigten Bereich abbrechen (Abplatzung). Bei der Suche nach Betondelaminationen wird meist eine zerstörungsfreie akustische Prüfung durchgeführt. Dazu zieht der Prüfer eine schwere Metallkette über die Brückenfahrbahn und horcht auf das hohle Geräusch, das in delaminierten Bereichen entsteht. Anhand der Daten kann er eine Delaminationskarte der Brückenfahrbahn erstellen. Die akustische Kettenprüfung hat jedoch Nachteile. Obwohl während der Untersuchung der jeweilige Fahrstreifen gesperrt wird, müssen die Prüfer häufig neben offenen Spuren arbeiten. Durch die Verkehrsgeräusche ist es schwer, den veränderten Klang der Kette auf delaminiertem Beton zu hören. Außerdem ist die Methode abhängig von den Kenntnissen und der Erfahrung des Prüfers, sodass sie subjektiv und potenziell ungenau ist. Nexco-West hat eine neue Prüfmethode entwickelt, bei der die firmeneigene Software anhand der Bilder einer auf einem LKW montierten gekühlten IR-Kamera Karten delaminierter Bereiche in Betonfahrbahnen erstellt. Gemeinsam mit der University of Central Florida arbeitet man derzeit an der Entwicklung objektiver Verfahren zur Brückenprüfung.

Messung der Betonabkühlung

Mobiler Prüfaufbau von Nexco-West: Die MWIR Kamera A6701sc wird zur Erstellung von IR-Karten von Delaminationen genutzt und ist auf dem LKW montiert. (Bild: Flir Systems GmbH)

Die Aufnahmen werden normalerweise tagsüber oder in den Stunden nach Sonnenuntergang durchgeführt, weil zu diesen Zeiten die größten Temperaturschwankungen stattfinden. So kühlt Beton, der nachmittags erwärmt wurde, nach Sonnenuntergang wieder ab, was zu messbaren Temperaturunterschieden führt. Während der Großteil der Fahrbahndecke sich gleichmäßig erwärmt oder abkühlt, unterbrechen Delaminationen die Wärmeleitung. Die Temperatur des beschädigten Betons steigt tagsüber schneller an und sinkt abends schneller. Diese Änderungen werden von der IR-Kamera mühelos erkannt. Bei der Prüfung führt ein LKW mit einer montierten IR-Kamera bei einer Geschwindigkeit von etwa 80km/h mit dem regulären Verkehr über die Brücke. Laut Masato Matsumoto, President und CEO von Nexco-West, kann mit der Kamera in wenigen Minuten ein vollständiger Fahrstreifen einer 1,5km langen Brücke aufgenommen werden. Bei der Kamera, die im Scan-System zum Einsatz kommt, handelt es sich um eine A6701sc MWIR-Kamera. „Wir verwenden die Kamera, weil sie auch während der Fahrt mit hoher Geschwindigkeit hochauflösende Wärmebilder liefert“, berichtet Matsumoto. Der gekühlte Indium-Antimonid-Detektor der Kameras wartet mit kleinsten Belichtungszeiten von bis zu 0,48µs auf, sodass das Team Wärmebilder mit 640×512 Pixeln ohne Bewegungsunschärfe aufnehmen kann. Dabei wählen sie meist eine Bildwiederholrate von 10Hz, mit der bei Autobahntempo alle 2m gestochen scharfe Wärmebilder möglich sind. Die Kamera ist mit einem Laptop im Fahrzeug verbunden, auf der die Software Infrared Bridge Assessment System (IrBAS) ausgeführt wird. So kann das Team Echtzeitanalysen ansehen und potenziell delaminierte Bereiche erkennen. Sobald Daten zu allen Fahrstreifen der Brücke erfasst wurden, kann das Team mit der Verarbeitung beginnen. „Da die Software den Großteil der Datenanalyse- und Berichtsprozesse automatisch ausführt, werden bei der Erstellung von Mängelkarten viel Zeit und Kosten eingespart“, so Matsumoto. Die Software nutzt diese Mängelkarten zur Berechnung des prozentuellen Anteils des delaminierten Fahrbahnbereichs und klassifiziert den Zustand daraufhin gemäß den Kriterien der Verkehrsministerien der US-Bundesstaaten (AASHTO). Ein weiterer Vorteil ist, dass Fernverkehrsstraßenbehörden die Brückenleistung langfristig beobachten können. „Die IR-Kartierung unterstützt die datenbasierte Entscheidungsfindung beim Brückenmanagement und hilft Brückenbetreibern, teure Reparaturen bei katastrophalen Mängeln zu vermeiden“, erklärt Matsumoto. Durch Überlagerung von Mängelkarten auf früheren Aufnahmen können Ingenieure zudem den Zustand von Brücken bewerten und berechnen, wie schnell sich dieser verschlechtert. So lässt sich die Entwicklung prognostizieren, um geeignete Sanierungspläne zu erstellen.