Der Einsturz der Genua-Brücke und seine Bedeutung für die Instandhaltung einer alternden Infrastruktur

Angesichts der Tatsache, dass strukturell unsichere Brücken, Staudämme und verfallene Straßen immer häufiger zu Problemen werden, sind schlecht überwachte und unsichere alternde Infrastrukturen in den Vordergrund vieler politischer Agenden gerückt. Der jüngste tragische Einsturz der Brücke von Genua in Italien macht deutlich, dass es nach wie vor notwendig ist, bessere Überwachungssysteme für kritische - und insbesondere ältere - Anlagen in der ganzen Welt einzuführen, um die erheblichen Risiken für Menschenleben zu verringern. Der Einsturz der Morandi-Autobahn ereignete sich, als ein Bauteil der Brücke, bestehend aus vorgespannten Betonstreben und -böcken, versagte. Die Aufmerksamkeit richtet sich nun auf die Instandhaltung der Brücke, und es gibt Hinweise darauf, dass es schon seit Jahrzehnten Bedenken hinsichtlich ihrer Integrität und Sicherheit gibt. Viele spekulieren auch darüber, wie sich der Einsturz in den breiteren Kontext nicht nur der alternden italienischen Infrastruktur einfügt (nach Angaben der Tageszeitung La Repubblica sind landesweit etwa 300 Brücken und Tunnel gefährdet, und dies ist der fünfte Brückeneinsturz in Italien in den letzten fünf Jahren), sondern auch in den der übrigen Welt.

Weiter entfernte Probleme

Das Problem der alternden Infrastruktur - und die damit verbundenen Risiken - ist auch in Nordamerika seit langem ein drängendes Problem. In den USA gibt es 614.387 Brücken, von denen fast vier von zehn 50 Jahre oder älter sind. 56.007 - 9,1 % - der Brücken in den USA wiesen 2016 strukturelle Mängel auf, und im Durchschnitt werden jeden Tag 188 Millionen Brücken mit strukturellen Mängeln überquert. Während die Zahl der Brücken, die als baulich mangelhaft gelten, abnimmt, steigt das Durchschnittsalter der amerikanischen Brücken weiter an, und viele der Brücken nähern sich dem Ende ihrer Lebensdauer. Jüngsten Schätzungen zufolge beläuft sich der Sanierungsbedarf für Brücken in den USA auf 123 Milliarden Dollar.

Brücken zu reparieren, wenn sie kaputt sind, oder die Instandhaltung zu lange hinauszuzögern, kostet Unternehmen und Regierungen viel mehr, als wenn kleinere Probleme regelmäßiger angegangen und Vorfälle erkannt würden, bevor sie mehr Geld und vor allem Leben kosten könnten.

Eine regelmäßige, vorausschauende Wartung der alternden Infrastruktur ist daher dringend erforderlich, um einen weiteren tödlichen Einsturz zu verhindern.

Und das sind nur die Brücken. Denken Sie an andere kritische Infrastrukturen - von Autobahnen und Wasserstraßen bis hin zu Häfen, Minen, Dämmen und vielem mehr - und Sie werden feststellen, dass das Risiko in einem Land wie Nordamerika, in dem eine veraltete Infrastruktur weit verbreitet ist, sehr hoch ist. Es ist daher nicht verwunderlich, dass viele privatwirtschaftliche Betreiber und öffentliche Stellen gleichermaßen Strategien fordern, die so schnell wie möglich umgesetzt werden müssen.

Wie funktioniert der Instandhaltungszyklus der Brückeninfrastruktur heute?

Die Instandhaltung der heutigen Brückeninfrastruktur stellt viele Herausforderungen dar. Das Personal im Bereich Verkehrstechnik und -instandhaltung muss jedes Jahr rund um die Uhr für Millionen von Menschen da sein und gleichzeitig Millionen von Kubikmetern Beton in ihren Einrichtungen, darunter auch Brücken, warten. Bis vor kurzem gab es nur eine begrenzte Anzahl präziser und wirtschaftlicher Verfahren zur Prüfung dieser Bauwerke, und für alle war die Anwesenheit von Experten vor Ort erforderlich. Diese manuellen Verfahren wurden - und werden immer noch - eingesetzt, um die Integrität und Sicherheit der Infrastruktur zu gewährleisten und gleichzeitig sicherzustellen, dass sie den ursprünglichen Entwurfsspezifikationen entspricht. In den meisten Fällen sind diese Techniken ineffizient, gefährlich, risikoreich und kostspielig, gefährden Menschenleben und kosten den Betreiber durch häufigere Unfälle und Zwischenfälle erhebliche Summen.

Was kann getan werden, um die alternde Infrastruktur besser zu erhalten?

Implementierung eines drahtlosen Überwachungssystems auf der Grundlage der IoT-Technologie

Giovanni Castellucci, Vorstandsvorsitzender der wichtigsten italienischen Autobahngesellschaft Atlantia, die für die Morandi-Brücke verantwortlich war, sagte, das Unternehmen habe keine spezifischen Berichte oder Warnungen bezüglich der Stabilität der Brücke erhalten, was darauf schließen lässt, dass das System, das zur Erkennung plötzlicher Fehler eingerichtet wurde, seine Aufgabe nicht ausreichend erfüllte. Herkömmliche Methoden zur Überwachung kritischer Infrastrukturen wie Sicht-, Kabel- und Glasfaserkabel sowie Topografie sind teuer, unflexibel und erlauben nur selten eine drahtlose Überwachung. Diejenigen, die eine Fernüberwachung ermöglichen, haben in der Regel keine große Reichweite, so dass die Daten aus der Ferne nur schwer analysiert werden können. J. M. W. Brownjohn, ein akademischer Experte für Structural Health Monitoring für zivile Infrastrukturen, hebt hervor, dass "die Effektivität von Wartungs- und Inspektionsprogrammen [für zivile Infrastrukturen] nur so gut ist wie ihre rechtzeitige Fähigkeit, problematische Leistungen aufzudecken", was den Trend zu Echtzeit-Fernüberwachungssystemen erklärt.

Die kürzlich aufkommenden drahtlosen IoT-Überwachungssysteme bieten zahlreiche Vorteile und sollten theoretisch Katastrophen wie den Einsturz in Genua verhindern. Sie können an abgelegenen Orten ohne feste Infrastruktur installiert werden und haben die notwendige Reichweite, um eine Fernüberwachung in Echtzeit zu ermöglichen, da sie auf LPWAN-Netzen wie LoRa basieren.

LPWAN steht für Low-Power-Wide-Area-Network; es ist eine Art drahtloses Telekommunikations-Weitverkehrsnetz, das für die Kommunikation über große Entfernungen mit niedriger Bitrate zwischen Geräten oder "Dingen" (daher "Internet der Dinge") wie batteriebetriebenen Sensoren konzipiert ist.

Diese Echtzeitüberwachung ermöglicht es Behörden und privaten Autobahn- und Brückenbetreibern, im Laufe der Zeit einen kumulierten Datensatz aufzubauen, der ihnen genaue Echtzeitinformationen darüber liefert, wie sicher die Brücke ist und wie viel sie gewartet werden muss. Dies bedeutet, dass die Autobahnbetreiber Wartungsarbeiten durchführen oder den Bereich evakuieren und absperren können, bevor es zu Zwischenfällen kommt. Dadurch wird der Instandhaltungszyklus langfristig optimiert und die strategische Planung verbessert. Mit Hilfe von drahtlosen Systemen, die auf der IoT-Technologie basieren, können die Autobahnbetreiber daher sehr schnell auf Anomalien reagieren, plötzliche Probleme wie einen Einsturz verhindern und langfristig Geld für schwerwiegendere Schäden und längere Ausfallzeiten aufgrund von Zwischenfällen sparen.

Wie genau funktioniert die drahtlose Gesundheitsüberwachung von Bauwerken?

Der Begriff "Structural Health Monitoring" (SHM) ist ein neuerer Standard, der sich aus einer Reihe anderer Begriffe wie Structural Monitoring oder einfach nur Monitoring entwickelt hat. SHM für zivile Infrastrukturen ist in den meisten Industrieländern gesetzlich vorgeschrieben; im Vereinigten Königreich beispielsweise müssen Staudämme durch die Erfassung von Betriebsdaten durch einen überwachenden Ingenieur kontinuierlich überwacht werden. Die Anwendung von SHM für Brücken begann in den 1950er Jahren, als die University of Washington begann, die Leistung der Tacoma Narrows Bridge zu messen. Heutzutage verfügen die meisten großen Brücken über eine Art SHM-Programm. Eine große Herausforderung bei der Entwicklung von Programmen oder Strategien zur Überwachung der strukturellen Gesundheit besteht darin, dass jedes Stück Infrastruktur einzigartig ist, was bedeutet, dass es kein offizielles Maß für "normale" strukturelle Leistung oder "gute strukturelle Gesundheit" gibt. Betreiber und Leiter von Infrastrukturteams sehen die kontinuierliche Sammlung von Daten als wesentlich für ihr SHM der wichtigsten Anlagen an.

Kleine Fahrzeuge überqueren die beschädigte Cisomang-Brücke auf der Cipularang- oder Purbaleunyi-Mautstraße im Bezirk Purwakarta, Westjava, Indonesien. (JarkartaPost)

Ein Brückenprojekt, bei dem eine fortschrittliche drahtlose Überwachung eingesetzt wird

Die drahtlose Infrastrukturüberwachung auf der Grundlage von IoT-Netzwerken, Sensoren und Software ist die neue Grenze des SHM, da sie nicht nur die erforderlichen Echtzeitdaten, sondern auch die Datenaggregation und -übertragung aus der Ferne, mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch ermöglicht. So wurde beispielsweise die Cisomang-Brücke in Indonesien saniert, weil Risse auftraten und sich die Pfeiler allmählich verformten. Die Brücke erwies sich als instabil, und die Überfahrt für Lastwagen wurde verboten. Schließlich beschlossen die Brückenbetreiber, dass ein langfristiges, drahtloses Überwachungssystem erforderlich war: Die drahtlosen Datenknoten von Worldsensing wurden mit Dehnungsmessstreifen am Beton verbunden.

Die Investition in die drahtlose Überwachung war hier klug, aber vielleicht ein wenig zu spät.

Hätte das Team, das die Brücke betreibt, die Brücke von Anfang an überwacht, hätten die strukturellen Probleme früher erkannt und behoben werden können, so dass es nicht notwendig gewesen wäre, das Leben von Menschen zu gefährden und den Verkehr anzuhalten. Diese späte Entscheidung hatte enorme Kosten zur Folge: Die aufgetretenen strukturellen Probleme wirkten sich sehr negativ auf die gesamte Logistik des Landes und damit auf die Wirtschaft aus, da die Brücke eine wichtige Verbindung von Jakarta nach Bandung, einer der wichtigsten Städte des Landes, darstellt.

Abreißen statt erhalten

Die Brücke in Genua wurde aus vorgespanntem Stahlbeton gebaut, im Gegensatz zu der für moderne Brücken üblichen Stahlkonstruktion. Professor Brencich, ein Ingenieurprofessor an der Universität von Genua, warnte schon Jahre vor dem Einsturz der Brücke. In einem Interview mit Primocanale im Jahr 2016 sagte er: "Die Morandi-Brücke wird als Meisterwerk der Ingenieurskunst bezeichnet, in Wirklichkeit ist sie eine Bankrotterklärung [...] Es wird eine Zeit kommen, in der die Instandhaltungskosten die Kosten für den Wiederaufbau übersteigen, und dann werden wir mit dem Ersatz fortfahren müssen." Brencich führte den raschen Verfall des Betons auf die umfangreichen Reparaturen und Erneuerungen zurück, die seit den 1990er Jahren erforderlich waren; da die Verbindungsbalken zwischen den Brückenteilen mit Beton ummantelt waren, war eine genaue Analyse ihres Zustands nie möglich. Er vertrat die Ansicht, dass die Kosten für die Instandhaltung der Brücke die Kosten für den Abriss und den Wiederaufbau überstiegen hätten. Dies wurde auch von Giovanni Calvini, dem Vorsitzenden des Unternehmerverbands von Genua, bestätigt, der 2012 erklärte, dass die Brücke innerhalb von zehn Jahren einzustürzen drohe und ersetzt werden müsse.