Forschungsprojekt "SE Tomo"

Ziel des Projekts SE-Tomo ist die Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur kontinuierlichen Zustandsüberwachung von Spannbetonbrücken. Auf Basis der Schallemissionsanalyse wird eine tomographische Erweiterung entwickelt, die erstmals eine bildgebende Darstellung des Bauwerksinneren ermöglicht.

Durch die Kombination aus neuartiger Sensortechnologie, leistungsfähigen Auswertealgorithmen und der Integration in Digitale Zwillinge entsteht eine zuverlässige und wirtschaftliche Lösung für die Bauwerksdiagnostik. Das Verfahren soll insbesondere die frühzeitige Detektion und Lokalisierung von Schäden ermöglichen und damit eine fundierte Grundlage für Instandhaltungsentscheidungen schaffen.

Brücken sind ein zentraler Bestandteil der Verkehrsinfrastruktur und von entscheidender Bedeutung für Mobilität, Wirtschaft und gesellschaftliche Entwicklung. Viele bestehende Spannbetonbrücken, insbesondere aus den 1960er bis 1980er Jahren, erreichen zunehmend ihre Belastungsgrenzen. Schäden, vorallem durch spannungsrisskorrosionsgefährdeten Spannstahl, entwickeln sich häufig im Inneren der Bauwerke und bleiben mit den heute üblichen Prüfmethoden lange unentdeckt.

Die derzeit angewendeten Verfahren zur Bauwerksprüfung, wie die regelmäßigen Sichtprüfungen nach DIN 1076, sind nur eingeschränkt geeignet, um solche inneren Schäden frühzeitig zu erkennen. Zudem erfolgen diese Prüfungen in großen zeitlichen Abständen und liefern lediglich Momentaufnahmen. Ereignisse wie der Teileinsturz der Carolabrücke in Dresden haben gezeigt, dass selbst bei Einhaltung aller geltenden Regelwerke kritische Schäden nicht zuverlässig vorhergesagt werden können. Zwar bietet die Schallemissionsanalyse grundsätzlich die Möglichkeit, Schädigungsprozesse frühzeitig zu detektieren, jedoch ist ihr Einsatz aktuell mit hohen Kosten und erheblichem Auswerteaufwand verbunden. Daraus ergibt sich ein dringender Bedarf an neuen, leistungsfähigeren und gleichzeitig wirtschaftlichen Monitoringverfahren.

Ziel des Projekts SE-Tomo ist die Weiterentwicklung der Schallemissionsanalyse zu einem bildgebenden Verfahren, der sogenannten Schallemissions-Tomographie. Damit soll es möglich werden, nicht nur einzelne Schadensereignisse zu detektieren, sondern das gesamte Bauwerksinnere dreidimensional abzubilden und kontinuierlich zu überwachen.

Durch die Entwicklung neuer Algorithmen, die Erweiterung auf dreidimensionale Anwendungen und die Berücksichtigung realer Materialeigenschaften wird eine deutlich verbesserte Lokalisierung und Bewertung von Schäden angestrebt. Parallel dazu soll durch den Einsatz neuartiger MEMS-basierter Sensoren eine signifikante Reduzierung der Systemkosten erreicht werden. Die Projektergebnisse werden so aufbereitet, dass sie in Digitale Zwillinge integriert und für die Bauwerksbewertung sowie für Instandhaltungsentscheidungen genutzt werden können.

Das Projekt beginnt mit der Entwicklung und Validierung von Algorithmen für die dreidimensionale Schallemissions-Tomographie. Hierbei werden zunächst synthetische Datensätze erzeugt und genutzt, um die grundlegenden mathematischen Modelle zu testen und zu optimieren. Parallel dazu erfolgt die Spezifikation und Entwicklung der erforderlichen Sensortechnik, insbesondere von MEMS-basierten Schallemissionssensoren, die eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Systemen darstellen können.

Im weiteren Verlauf werden experimentelle Untersuchungen an kleinformatigen Probekörpern durchgeführt, um die Funktionsweise der Algorithmen und Sensoren unter kontrollierten Bedingungen zu überprüfen. Anschließend folgen Versuche an großformatigen Spannbetonbauteilen mit gezielt eingebauten Fehlstellen, um realitätsnahe Bedingungen abzubilden und die Leistungsfähigkeit des Systems weiter zu validieren.

Den abschließenden Schritt bildet die Anwendung an einem realen Bauwerk, der openLAB-Forschungsbrücke in Bautzen. Hier wird das entwickelte System unter praxisnahen Bedingungen erprobt und hinsichtlich seiner Eignung für den Einsatz in der Bauwerksüberwachung bewertet. Parallel dazu erfolgt die Integration der Messergebnisse in Digitale Zwillinge, sodass eine anschauliche Visualisierung und automatisierte Auswertung der Bauwerkszustände ermöglicht wird.

Mit dem Projekt SE-Tomo wird ein neuartiges Verfahren zur Zustandsbewertung von Infrastrukturbauwerken entwickelt, das eine kontinuierliche und bildgebende Überwachung des Bauwerksinneren erlaubt. Dadurch können Schäden frühzeitig erkannt, ihre Entwicklung verfolgt und gezielte Maßnahmen zur Instandhaltung eingeleitet werden.

Die Kombination aus tomographischer Auswertung und kostengünstiger Sensortechnik ermöglicht eine deutliche Verbesserung gegenüber bestehenden Monitoringlösungen. Gleichzeitig wird durch die Integration in Digitale Zwillinge eine direkte Anschlussfähigkeit an moderne Planungs- und Managementsysteme geschaffen.

Langfristig trägt das Verfahren dazu bei, die Lebensdauer von Brückenbauwerken zu verlängern, Instandhaltungskosten zu reduzieren und die Sicherheit der Verkehrsinfrastruktur zu erhöhen. Darüber hinaus leistet das Projekt einen Beitrag zur Nachhaltigkeit, indem durch eine optimierte Nutzung bestehender Bauwerke ressourcenintensive Neubauten vermieden werden können.

Für das Projekt SE-Tomo haben sich Partner aus Forschung und Praxis zusammengeschlossen.

• Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) übernimmt die Entwicklung der Schallemissions-Tomographie sowie der zugehörigen Algorithmen und Sensorkonzepte.
• Die MKP GmbH bringt ihre umfangreiche Erfahrung im Bereich Bauwerksmonitoring und digitale Zwillinge ein und verantwortet insbesondere die experimentellen Untersuchungen sowie die Integration der Ergebnisse in praxisnahe Anwendungen.

Projektzeitraum

01.10.2025 bis 30.09.2027

Ansprechpartner

Gesamtprojektleiter: Fraunhofer IKTS
Teilprojektleiter MKP: Dr.-Ing. Sebastian Schneider / Prof. Dr.-Ing. Steffen Marx

Das Projekt SE-Tomo wird im Rahmen des Förderprogramms EFRE/JTF – Forschung und Entwicklung (FuE-Projektförderung) 2021 bis 2027 unterstützt. Ziel des Programms ist die Förderung innovativer Forschungs- und Entwicklungsprojekte, die zur Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit und Innovationskraft beitragen. Im Fokus stehen insbesondere Vorhaben mit hohem Anwendungsbezug, die neue Technologien und Verfahren entwickeln und deren Überführung in die Praxis ermöglichen.