Aschheim. – Deutschlands Brücken sind in einem bedenklichen Zustand: Bundesweit gelten rund 4000 Autobahnbrücken als dringend sanierungsbedürftig, und Experten warnen, dass diese Zahl angesichts steigender Verkehrsbelastung und zunehmender Alterung der Infrastruktur weiterwachsen könnte.
Gleichzeitig stoßen traditionelle Wartungsansätze immer häufiger an ihre Grenzen. Digitale Zwillinge könnten hier Abhilfe schaffen – mit intelligenter, effizienter und vorbeugender Instandhaltung..
Der Teil-Einsturz der Carolabrücke in Dresden im Herbst 2024 zeigte äußerst eindringlich den Handlungsbedarf in Deutschlands Brückeninfrastruktur auf.
Es lohnt sich daher, einen Blick auf die Methoden zu werfen, mit denen deutsche Brücken gewartet werden. Die Bauwerke sind täglicher Belastung durch Verkehr sowie Wetter und der Materialermüdung ausgesetzt – wer Schwachstellen hier schnell erkennt, vermeidet, dass sie zu kritischen Baustellen werden. Wie ist der Stand deutscher Brückenwartung?
Ein gravierendes Problem sind die statischen Intervalle zwischen den Inspektionen. Trotz stetig wachsendem Verkehrsaufkommen hat laut DIN 1076 jährlich eine Sichtkontrolle zu erfolgen. Eine intensivere Bauwerksprüfung ist nur alle drei Jahre vorgesehen.
Häufig reicht jedoch eine rein visuelle Kontrolle nicht aus, um kleine, aber potenziell wachsende Schäden im Inneren des Bauwerks früh zu identifizieren. Aufgrund dieser zeitlichen Lücken entstehen häufig Schäden oder verschlimmern sich, bevor sie überhaupt erkannt werden. Vertiefte Untersuchungen werden erst dann reaktiv angeordnet. Dies führt nicht nur zu plötzlichen Nutzungseinschränkungen, sondern langfristig auch zu erheblichen Mehrkosten. Denn verspätete Reparaturen oder sogar Neubauten sind deutlich aufwendiger und wesentlich teurer.
Welche Alternativen gibt es? Digitale Zwillinge versprechen, die Infrastrukturwartung zu revolutionieren: Sie erlauben eine flexible Wartung, die auf den tatsächlichen Zustand der Brücke zugeschnitten ist.
Damit ermöglichen sie, vertiefte und bedarfsgerechte Prüfungen frühzeitig durchzuführen und steigern gleichzeitig die Effizienz der Wartungsmaßnahmen, was langfristig Kosten spart.
Ursprünglich stammen digitale Zwillinge aus der industriellen Produktion, wo sie seit Jahren erfolgreich genutzt werden, um Maschinenzustände genau abzubilden und Produktionsprozesse zu optimieren. Unternehmen konnten so Ausfallzeiten reduzieren und ihre Wartungszyklen verbessern. Genau diese bewährten Prinzipien werden jetzt auf die Infrastruktur übertragen, um Brücken nachhaltig sicherer und effizienter zu machen.
Entscheidend für diese Technologie sind präzise und kontinuierliche Daten: Digitale Zwillinge nutzen unterschiedliche, spezialisierte Sensoren wie Dehnungsmessstreifen, Temperatursensoren und Schlauchwagen, um kontinuierlich reale Daten wie Verkehrslasten, Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Materialbeanspruchungen direkt vor Ort zu generieren.
Um die Brücke zuverlässig überwachen zu können, muss die Sensorik individuell auf das jeweilige Bauwerk und seine Umgebung abgestimmt sein.
Dabei kommen auch faseroptische Sensoren zum Einsatz, die über längere Strecken innerhalb des Bauteils kontinuierlich Messdaten liefern und sogar für Temperaturmessungen geeignet sind. Schwingungen und Vibrationen der Bauwerke erfassen zudem Beschleunigungssensoren, während Neigungen über Inklinometer und Setzungen mittels Schlauchwaagen gemessen werden können. Ergänzend dazu erfassen spezielle Wetterstationen Umwelteinflüsse wie Luftfeuchtigkeit, Niederschläge und Sonneneinstrahlung.
Die gesammelten Daten werden an der Brücke über Messwandler oder Verstärker aggregiert. Dort werden sie je nach Wichtigkeit direkt in den digitalen Zwilling integriert, gespeichert oder archiviert und an das zentrale Rechenzentrum gesendet.
Im Rechenzentrum werden die Hauptkomponenten der digitalen Zwillinge in einer Kubernetes-Container-Umgebung betrieben und die Daten zur weiteren Auswertung und Analyse bereitgestellt.
Geplant ist, dass die Daten aus digitalen Zwillingen künftig zunehmend mit KI-basierten Algorithmen ausgewertet werden. Dadurch sind zusätzlich Vorhersagen darüber möglich, wie sich der Zustand der Brücke entwickeln wird und wann welche Prüfungen und Wartungen optimalerweise durchgeführt werden sollten.
Dies ist aktuell jedoch noch in der Entwicklungsphase, da die Algorithmen und Modelle für eine Mustererkennung und Merkmalsextraktion größere Datenmengen benötigen.
Ein konkretes Praxisbeispiel für den erfolgreichen Einsatz digitaler Zwillinge ist das dtec.bw-geförderte Forschungsprojekt "RISK.twin", eine Kooperation von NetApp mit der Universität der Bundeswehr München und dem Fraunhofer IESE.
Hier wird unter anderem an der digitalen Brücke über die Isen in Schwindegg erprobt, wie digitale Zwillinge praktisch genutzt werden können.
An dieser Brücke sammeln diverse Sensoren kontinuierlich Daten wie Verkehrslasten, Dehnung und Temperatur. Die Sensoren übermitteln diese Informationen an eine zentrale Sammelstelle, wo künftig auch KI-basierte Algorithmen zum Einsatz kommen sollen, um in Echtzeit strukturelle Veränderungen zu analysieren und Wartungsempfehlungen abzuleiten. In dieser Kooperation entwickelt das Fraunhofer IESE die digitalen Zwillinge der Brücken auf Grundlage der Open-Software Plattform Eclipse BaSyx.
Digitale Zwillinge können auch die Neuplanung von Brücken grundlegend verbessern: Sie bündeln alle relevanten Bauwerksdaten zentral und dauerhaft – von den ersten Entwürfen bis zum Betrieb.
Schon in der Planungsphase ermöglichen sie es, reale Belastungen im Bestandsnetz auszuwerten und daraus fundierte Entscheidungen für Tragwerk, Materialien und Bauabläufe abzuleiten. Über ihre Integration in digitale Arbeitsumgebungen nach dem Prinzip des Building Information Modeling (BIM) – sogenannte Common Data Environments – entsteht eine konsistente, vernetzte Datenbasis, die Fehler reduziert und Prozesse beschleunigt. Gleichzeitig sichern digitale Zwillinge die vollständige Dokumentation von Beginn an – ein Vorteil, der im Betrieb Instandhaltungen präziser planbar macht und teure Informationsverluste verhindert. So verwandeln sie Brücken von statischen Bauwerken in datengetriebene Systeme mit maximaler Transparenz über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg.
Digitale Zwillinge bieten einen dringend benötigten Neustart für die Brückenwartung in Deutschland. Statt starrer Prüfintervalle ermöglichen sie eine zustandsbasierte, vorausschauende Instandhaltung, die nicht nur Sicherheit und Verfügbarkeit erhöht sondern auch Kosten senkt.
Durch kontinuierliche Datenerfassung, KI-gestützte Analyse und die Integration in moderne Planungsumgebungen schaffen sie die Grundlage für ein intelligentes, effizientes Infrastrukturmanagement – von der Planung über den Betrieb bis zum Rückbau.
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Der Autor ist Lead Architect Digital Twin Solutions bei NetApp.
