Entscheidung vor Ort: Eine Software unterstützt bei der Prüfung von Eisenbahnbrücken

Abstract

Europas Eisenbahnbrücken sind in die Jahre gekommen. Die meisten haben 70 oder noch mehr Jahre auf dem Buckel. Sind sie den Anforderungen der Fahrzeuge in puncto Achslast und Geschwindigkeit noch gewachsen? Um dies herauszufinden, investierte die Europäische Union zwischen 2003 und 2007 rund zehn Millionen Euro in das Projekt „Sustainable Bridges“. Ein Schwerpunkt lag auf der Entwicklung und Optimierung von Methoden zur Unter-suchung und Bewertung von Brücken, darunter auch zerstörungsfreie Prüfverfahren, die in einigen Ländern zwar bereits genutzt, jedoch noch nicht zielgerichtet angewendet werden. In diesem Beitrag wird eine softwaregestützte Anwendung vorgestellt, die zerstörungsfreie Prüfverfahren dabei unterstützen soll, Schäden an Eisenbahnbrücken zu ermitteln. Sie wurde in Zusammenarbeit des Studiengangs Betriebliche Umweltinformatik der FHTW mit der Bundesanstalt für Materialprüfung konzipiert und umgesetzt.

Full text

Entscheidung vor Ort:
Eine Software unterstützt
bei der Prüfung
von Eisenbahnbrücken
Mit effektiveren Untersuchungs-, Bewertungs- und Verstärkungsmaßnahmen
lassen sich zahlreiche europäische Brücken ertüchtigen

Planen Bauen Managen Beiträge und Positionen 2008
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Europas Eisenbahnbrücken sind in
die Jahre gekommen. Die meisten haben
70 oder noch mehr Jahre auf dem Buckel.
Sind sie den Anforderungen der Fahrzeuge
in puncto Achslast und Geschwindigkeit
noch gewachsen? Um dies herauszufinden,
investierte die Europäische Union zwischen
2003 und 2007 rund zehn Millionen Euro
in das Projekt „Sustainable Bridges“.
Ein Schwerpunkt lag auf der Entwicklung
und Optimierung von Methoden zur Unter-
suchung und Bewertung von Brücken,
darunter auch zerstörungsfreie Prüfver-
fahren, die in einigen Ländern zwar bereits
genutzt, jedoch noch nicht zielgerichtet
angewendet werden. In diesem Beitrag
wird eine softwaregestützte Anwendung
vorgestellt, die zerstörungsfreie Prüfver-
fahren dabei unterstützen soll, Schäden
an Eisenbahnbrücken zu ermitteln. Sie
wurde in Zusammenarbeit des Studiengangs
Betriebliche Umweltinformatik der FHTW
mit der Bundesanstalt für Materialprüfung
konzipiert und umgesetzt.
Von Volker Wohlgemuth, Ernst Niederleithinger,
Rosemarie Helmerich, Torsten Hieksch und D. Stülpner
Der Bestand an Eisenbahnbrücken in Europa
ist zum großen Teil mehr als 70 Jahre alt und
den aktuellen und zukünftigen Anforderungen
an Tragfähigkeit wegen geplanter Achslast-
erhöhung und steigender Geschwindigkeit
sowie deren Einfluss auf die Dauerhaftigkeit
nicht unbedingt gewachsen. Um die Anforde-
rungen zukünftigen Verkehrs im Hinblick auf
Achslast, Geschwindigkeit und Lebensdauer
zu erfüllen, muss für viele Brücken eine Unter-
suchung und Nachbewertung erfolgen. Oft
sind Reparatur- und Verstärkungsmaßnahmen
erforderlich. Ein anderer wichtiger Gesichts-
punkt sind niedrige Wartungskosten. Da die
bisher genutzten Werkzeuge hierfür in vielen
Fällen nicht ausreichen, hat die Europäische
Union von 2003 bis 2007 das integrierte Projekt
„Sustainable Bridges“ mit einem Budget
von über 10 Mio. Euro gefördert (Olofsson,
2004). Es wurde abgeschätzt, dass sich mit
effektiveren Untersuchungs-, Bewertungs- und
Verstärkungsmaßnahmen zahlreiche Brücken
für die zukünftige Nutzung fit machen lassen,
die nach der bisherigen Vorgehensweise ersetzt
werden müssten. Dies würde nicht nur eine
Kostenersparnis für die Bahngesellschaften
(und damit in der Regel auch für den Steuer-
zahler) von bis zu zweistelliger Millionenhöhe
pro Brücke, sondern auch eine Umwelt-
entlastung (Rohstoffe, Abfälle, Lärm, Staub,
Verkehrsbehinderung) bewirken.
Ein Schwerpunkt im Projekt „Sustainable
Bridges“ war die Entwicklung und Optimierung
von schnellen, effektiven und zuverlässigen
Methoden zur Untersuchung und Bewertung
von Brücken sowie die Qualitätssicherung bei
Reparatur und Verstärkung. Verfahren für die
Untersuchung von Stahlbrücken haben einen
hohen Entwicklungsstand in der Industrie
sowie im Brückenneubau und können recht
problemlos auf bestehende Stahlbrücken
übertragen werden. Die Entwicklung zerstö-
rungsfreier Prüfverfahren (ZfP) hat im letzten
Jahrzehnt große Fortschritte gemacht. In
einigen Ländern werden zerstörungsfreie
Methoden bei der Brückenuntersuchung
bereits genutzt, aber von einer regulären,
zielgerichteten Anwendung ist man derzeit noch
weit entfernt. In diesem Beitrag wird deshalb
auch über eine softwaregestützte Anwendung
berichtet, die die Anwendung zerstörungsfreier
Prüfverfahren zum Zwecke der Schadens-
ermittlung an Eisenbahnbrücken unterstützen
soll. Diese wurde in Zusammenarbeit mit der
Bundesanstalt für Materialprüfung und der
FHTW, Studiengang Betriebliche Umwelt-
informatik, konzipiert und umgesetzt.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren bei
der Brückenuntersuchung und -bewertung
Bei der regulären Brückenuntersuchung
verlässt man sich bisher insbesondere bei
Beton- und Mauerwerksbrücken auf eine
visuelle Inspektion und Messungen am
Bauwerk sowie im Verdachtsfall auf lokale,
zerstörende Untersuchungen (z. B. Material-
untersuchungen und messtechnische Bau-
werksuntersuchungen gemäß Modulfamilie
805 der DB AG). Dies trägt immer das Risiko in
sich, dass verdeckte Schäden dennoch erst spät
erkannt werden und gegebenenfalls zu teuren
Instandsetzungsmaßnahmen oder gar der Not-
wendigkeit von Ersatz führen. Zerstörungsfreie
Untersuchungen geben zwar oft
nur indirekte Hinweise auf Schäden, können
aber nachfolgende Probennahme gezielt steu-
ern, so dass diese an den wirklich relevanten
Positionen vorgenommen werden. Zudem sind
sie in der Lage, verdeckte konstruktive Elemente
(Schichtdicken, Bewehrungslage, Lage von
Spannkanälen etc.) zu erkennen und zu kartie-
ren. Diese Daten sind sowohl für weitere Unter-
suchungen als auch für tiefergehende Bewer-

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tungen (z. B. Nachrechnung der Tragsicherheit
und Abschätzung der Dauerhaftigkeit) wertvoll,
da oft nur unvollständige oder unzuverlässige
Plandaten, z. B. mit der Bewehrungs- bzw.
Spannkanallage, zur Verfügung stehen.
Im Projekt „Sustainable Bridges“ wurden
von der Bundesanstalt für Materialforschung
und -prüfung drei Schwerpunkte bearbeitet:
■ Fortentwicklung der Messverfahren
■ Integration in Untersuchungskonzepte
■ Erstellung von Informationsdatenbanken
und einer Richtlinie über Inspektions-
strategien und Zustandsbewertung von
Eisenbahnbrücken
Fortentwicklung von Messverfahren
Viele in den letzten Jahren signifikant weiter-
entwickelte, zerstörungsfreie Messverfahren
für Beton und Mauerwerk haben sich im
Rahmen von Forschungsprojekten im Labor gut
bewährt und werden in Praxiseinsätzen immer
häufiger erfolgreich genutzt. Dazu gehören
zum Beispiel:
■ Ultraschall-Echo: Betonuntersuchung,
Risse, Verdichtungsmängel, Hohlstellen
in Spannkanälen, Dickenbestimmung von
Betonbauteilen
■
Impakt-Echo: Dickenbestimmung von Beton-
bauteilen, Lokalisierung von Ablösungen
■ Radar: Bewehrungs- und Spannkanalortung,
Detektieren von Einschlüssen, Hohlräumen,
Mauerwerksuntersuchung
■ Laser induced breakdown spectroscopy
(LIBS): schnelle spektroskopische Elementar-
analyse zur Bestimmung von Chlorid, Sulfat-
und anderen Schadstoffgehalten
■ Potentialfeldmessung: Lokalisierung von
Bewehrungskorrosion
Einige dieser Messverfahren benötigen für
eine zuverlässige Aussage eine hohe Zahl von
sehr genau positionierten Messungen. Anderer-
seits soll insbesondere im Fall von Eisenbahn-
brücken der Verkehr nach Möglichkeit nicht
beeinträchtigt werden. Die in letzter Zeit
bevorzugt eingesetzten Echoverfahren bieten
den Vorteil, dass nur ein einseitiger Zugang
erforderlich ist. Im Rahmen des Projektes
wurden daher Scannersysteme (Streicher et al.,
2005), die verschiedene Sensoren aufnehmen
können und über mehrere Stunden bzw. Tage
a
n Brücken automatisch Messwerte aufnehmen,
weiterentwickelt und in Deutschland,
Polen
und Schweden eingesetzt.
Die mit diesen Scannersystemen aufgenom-
menen Messwerte ermöglichen wegen der
präzisen geometrischen Zuordnung der Daten
die Anwendung neuartiger Datenverarbei-
tungsmethoden, mit denen sich die oft nur
für den Experten lesbaren Resultate in für den
verantwortlichen Ingenieur leichter lesbare
Bilder übersetzen lassen. Dazu gehören das
SAFT-Verfahren [1] (Reinhardt u. a. 2007),
mit dem z. B. Datensätze von Echoverfahren
(Radar, Ultraschall) aufbereitet werden
(vgl. Abbildung 2) oder die Datenfusion, die
die Erg
ebnisse unterschiedlicher Methoden
kombiniert (vgl. Abbildung 3).
Einbindung in Untersuchungskonzepte
Für einen regulären und effektiven Einsatz
ist eine Einbindung der zerstörungsfreien
Unter-
suchungen in die Regelwerke der
Brücken-eigner erforderlich. Dazu gehören
wohl durchdachte Ablaufschemata als auch
detaillierte Informationsmöglichkeiten zu den
Möglichkeiten und Grenzen der ZfP-Verfahren
für den jeweiligen Einsatzzweck. Hierzu
[1] Synthetic Aperture
Focusing Technique
(Auswertealgorithmus für
Messdaten)
Abbildung 1: ZfP-Scanner an einer Eisenbahnbrücke bei Duisburg

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wurde durch die BAM im Rahmen des Projektes
„Sustainable Bridges“ im Jahre 2007 für die
Eisenbahnverwaltungen ein Kompendium mit
Ein-Seiten-Informationen („NDT-Toolbox“)[2]
über verfügbare zerstörungsfreie Prüfverfahren
zusammengestellt. In Kooperation mit der
FHTW (Studiengang Betriebliche Umwelt-
informatik, Prof. Volker Wohlgemuth) wurde
hierfür eine Softwareanwendung entwickelt,
die den verantwortlichen Ingenieuren bei der
Einsatzplanung oder vor Ort die notwendigen
Informationen an die Hand gibt, damit sie
sofort Entscheidungen über eine weiterführende
objektspezifische Schadensanalyse treffen
können.
Abbildung 4 gibt einen Überblick über die
Durchführung von regulären Inspektionen und
objektspezifischen Schadensanalysen. Die zu
entwickelnde Datenbank NDT-Toolbox spielt in
diesem Ablaufschema zusammen mit anderen
Informationsdatensammlungen eine wichtige
Rolle bei der Schadensanalyse und Zustands-
bewertung der untersuchten Eisenbahnbrücken
und soll insbesondere eine zielgerichtete
Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren
in diesem Kontext unterstützen.
NDT-Toolbox
Für das Kompendium mit Ein-Seiten-Informa-
tionen
(„NDT Toolbox“) ist aus den genannten
Gründen eine Softwareanwendung konzipiert
und entwickelt worden (vgl. Hieksch und
Stülpner, 2007). Auf Basis des vorhandenen
Materials (Schadens-, Messaufgaben-,
Verfahrenskataloge) ist ein Softwaresystem
entwickelt worden, das dem technischen
Management wie dem Inspektor vor Ort eine
Auswahl von für das aufgetretene Schadensbild
bzw. die gestellte Messaufgabe geeignete,
möglichst bauwerksschonende Messmethoden
vorschlägt. Dies ist insbesondere dann wichtig,
wenn Zweifel an der Integrität der Brücken-
strukturen bestehen. Zu diesen Methoden
wurden deshalb zusätzlich Angaben zu Verfah-
rensgrenzen und Voraussetzungen für ihren
Einsatz hinterlegt. Die Softwareanwendung
soll ein schnelles Aufwinden eines für das vor-
liegende Schadensbild einer Bücke geeigneten
Messverfahrens erlauben. Ausgehend von der
Sichtprüfung bis hin zu aufwändigen NDT-
Methoden ist ein datenbankbasierter Katalog
geschaffen worden, der ein kombiniertes
Auswahlverfahren bietet. Grundlage hierfür
sind definierte Schadensfälle in zahlreicher
Auswahl, die einer definierten Methoden-
auswahl gegenübergestellt werden.
Weitere Anforderungen waren:
■
Die Bedingung der Anwendung ist
möglichst einfach zu halten (z. B. Auswahl
des relevanten Schadensfalls).
■
Die Anwendung soll geringe Hardware-
anforderungen besitzen und unabhängig
vom beim Anwender vorhandenen Betriebs-
system ablauffähig sein.
■ Die Datenbasis soll einfach erweiterbar ein.
[2] Non Destructive Testing
(Zerstörungsfreie Prüfung)
Abbildung 2: Ultraschall-Tiefenschnitt durch die Vertikalwand einer
Hohlkastenspannbetonbrücke nach SAFT-Bearbeitung von ca. 35 000 Messpunkten
(Holst, Streicher u. a. 2006)
Abbildung 3: Einblick in eine dreidimensionale Rekonstruktion eines Betonbauteils
nach Datenfusion von Radar- und Ultraschallecho-Volumendatensätzen (Kohl, 2005)

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Die Datenpräsentation und Dokumentation
sollte diesen Anforderungen entsprechend
einfach und übersichtlich gestaltet werden.
Der strukturierte Aufbau der Benutzerober-
fläche soll klar erkennbar machen, welche
Schritte nacheinander ausgeführt werden
müssen, damit die gewünschten Informationen
erscheinen. Fachbezogene Ausdrücke sollen
den Benutzer direkt ansprechen und eindeutig
beschreiben, was sich dahinter verbirgt. Die
Testmethoden sollen über das System leicht
verständlich sein, so dass die grundsätzliche
Form des Formulars wiedererkannt wird.
Technisch ist die Anwendung auf der Basis der
frei verfügbaren Datenbankanwendung MySQL
entwickelt worden. Für die Ausführung wurde
das Tool XAMPP mit integrierten Apache-Server
genutzt. Anschließend wurde geprüft, ob
die MySQL-Datenbank über den Webserver
ansprechbar ist. Da dies der Fall war, wurde
die mitgelieferte Oberfläche PHP-MyAdmin
für die Datenbankverwaltung verwendet.
Zur Erstellung des webbasierten Frontends
(*.html- und *.php-Dokumente) wurde die
kostenlose Software „phase5 editor“ verwen-
det. Der PHP-Code wird in HTML-Dokumente
eingebunden. Der Code wird serverseitig
interpretiert und in HTML-Code übersetzt.
Zur Erstellung der PHP-Dokumente wurde
folgendermaßen vorgegangen:
Der Webserver startet den PHP-Interpreter.
Dieser übersetzt das angeforderte Dokument
und führt den PHP-Code aus. Diese Befehle
werden anschließend interpretiert. Anstelle
des Sourcecodes im gleichen Dokument werden
die Ergebnisse als HTML-Dokument auf dem
Client ausgegeben. Es erfolgt die Darstellung
im Browser.
Die Inspektoren erhalten durch die NDT-
Toolbox-Anwendung ein vollständiges
Informationsangebot über eine bestimmte
Testmethode bzw. über einen typischen
Schadensfall durch eine zu jeder Zeit, schnell
und an jedem Ort/Rechner abrufbare elektro-
nische Datenbank mit den aktuellsten Infor-
mationen. Die Informationsrecherche in der
Datenbank erfolgt nach folgendem Szenario:
Das Brückenmaterial und der Schadensfall sind
bekannt und werden per Menüsteuerung ein-
gegeben. Gemäß diesen Angaben ermittelt die
Anwendung für diese spezifische Material- und
Schadenskombination ein Dokument mit einer
für das Brückenmaterial und den Schadensfall
geeigneten Testmethode und zeigt dies
am Bildschirm an. Die Eingabe von Brücken-
material und Schadensfall wird insbeson-
dere
durch die Verwendung von Farbmustern
unterstützt, so dass bei häufiger
Nutzung der
Anwendung ein hoher Wiedererkennungswert
und einfache Benutzbarkeit geschaffen wird,
welche ein schnelles Auf
finden der relevanten
Informationen erlauben.
Zusätzlich sind
detaillierte Bildinformationen zu den einzel-
nen Schadenfällen hinterlegt.
Der Grund hierfür ist die starke Unterscheidung
der Methoden zur Untersuchung an unter-
schiedlichen Materialien. So können für die
Diagnostik von Schäden mittels Ultraschall an
Stahl bzw. Beton völlig verschiedene Sensoren
benutzt werden, die lediglich das gleiche
physikalische Prinzip verwenden. Als End-
ergebnis kann sich der Anwender schließlich
das Dokument mit den diagnostischen
Informationen vor Ort im PDF-Format ausgeben
lassen.
Richtlinie und Ausblick
Basierend auf den bisherigen Erfahrungen
der Bahngesellschaften und den Projekt-
ergebnissen wurde eine Richtlinie zur
Brückeninspektion zusammengestellt, die
neben herkömmlichen Verfahren den Stand
der Technik zerstörungsfreier Prüfverfahren
und ihre Anwendung beschreibt (Helmerich
et al., 2007, SB-ICA). Während des Projektes
„Sustainable Bridges“ entstanden drei weitere
Richtlinien: Zur Durchführung von Dauerüber-
wachungen, SB-MON, zur Einschätzung der
Beanspruchungen und der Tragsicherheit,
SB-LRA, sowie zur Reparatur und Verstärkung
von Eisenbahnbrücken, SB-S&R. Diese Richt-
linien sollen auch nach Projektende kontinuier-
lich fortgeschrieben werden. Mehrere Länder
Abbildung 4: Ablaufschema bei der Brückenuntersuchung mit Integration
von ZfP-Verfahren (Helmerich et al., 2007)

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planen eine Umsetzung in nationale Regel-
werke. Europaweite Schulungen und Workshops
begannen schon während der Projektlaufzeit
und werden auch 2008 fortgesetzt.
Eine einfache und schnelle Softwareunter-
stützung bei der Anwendung zerstörungsfreier
Prüfverwahren in der hier beschriebenen
Art und Weise hilft Kosten und Aufwand zu
sparen, indem der Ingenieur vor Ort davor
bewahrt wird, fasche Entscheidungen zu fällen.
Dieses setzt allerdings eine gute „Usability“
der Software voraus. Bei der Entwicklung der
NDT-Toolbox-Anwendung ist daher auf eine
entsprechend leichte und erwartungskonforme
Menüführung geachtet worden, die schließlich
eine optimale Unterstützung vor Ort erlaubt.
Die Software wird auch an die Partner des Pro-
jektes „Sustainable Bridges“ verteilt werden,
um die zielgerichtete Anwendung zerstörungs-
freier Prüfverfahren bei der Untersuchung von
Eisenbahnbrücken weiter zu fördern.
Literatur
Helmerich, R. Niederleithinger, E., Bien, J.,
Cruz, P., Casas, J.R., Horrigmoe, G., Holm, G.,
Kammel, C. et al.: Richtlinie zur Inspektion und
Zustandsermittlung von Eisenbahnbrücken,
SB-ICA, auf Englisch: Guideline for inspection
and condition assessment, www.sustainab-
lebridges.net, 2007.
Hieksch, T., Stuelpner, D.: Abschlussbericht
zur Erstellung einer Datenbank zur Methoden-
auswahl für zerstörungsfreie Prüfungen an
Eisenbahnbrücken, Projekt zwischen der BAM,
VIII.2 und der FHTW Berlin, 2007.
Holst, R., Streicher, D., Gardei, A., Kohl, C.,
Wöstmann, J., Wiggenhauser, H.: Scannende
Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung für
Brückenbauwerke, Berichte der Bundesanstalt
für Straßenwesen, B 48, 2006.
Kohl, Ch., Krause, M., Maierhofer, Ch., Wöst-
mann, J., Wiggenhauser, Ch.. Datenfusion
komplementärer Impuls-Echo Verfahren zur
zerstörungsfreien Untersuchung von Beton-
bauteilen. DACH-Jahrestagung, Salzburg,
2005.
Oloffson, J., Elfgren, L.: Sustainable Bridges.
www.sustainablebridges.net.,2004
Reinhardt, et al.: Echo-Verfahren der zer-
störungsfreien Zustandsuntersuchung von
Betonbauteilen, Betonkalender 2007.
Streicher, D., Wiggenhauser, H., Holst, R. &
P. Haardt 2005. Zerstörungsfreie Prüfung im
Bauwesen: Automatisierte Messungen mit
Radar, Ultraschallecho und Impact-Echo an der
Fuldatalbrücke. Beton- und Stahlbetonbau 100
(2005) 3, S. 216-224