Digitale Zwillinge schützen Brücken nachhaltig

Deutschlands Brückeninfrastruktur hat Nachholbedarf: Digitale Zwillinge überwachen Brücken in Echtzeit und steuern Wartungen proaktiv. Moderne Sensorik und künstliche Intelligenz (KI) erkennen Schäden frühzeitig, senken die Sanierungskosten und erhöhen die Verfügbarkeit.

In Deutschland sorgen Schäden an Brücken regelmäßig für Schlagzeilen – zuletzt besonders eindrucksvoll durch den Teil-Einsturz der Carolabrücke in Dresden im September 2024. Bundesweit gelten rund 4.000 Autobahnbrücken als dringend sanierungsbedürftig, und Experten warnen, dass diese Zahl angesichts steigender Verkehrsbelastung und zunehmender Alterung der Infrastruktur weiter wachsen könnte. Bislang werden Instandsetzungen häufig dann vorgesehen, wenn Schäden äußerlich sichtbar und kostenintensive Maßnahmen bereits unumgänglich sind. Für Kommunen und Betreiber empfiehlt es sich daher, auf wirkungsvolle und prädiktive Wartungslösungen zu setzen, um Risiken für die Sicherheit und hohe Folgekosten zu vermeiden.

Eine zukunftsorientierte Möglichkeit, um Wartungsstrategien grundlegend zu verändern, sind digitale Zwillinge: Statt wie bisher erst dann zu reagieren, wenn Schäden bereits erkennbar sind, messen und überwachen sie permanent den Zustand und die tatsächlichen Belastungen der Brücken. So wird ein präzises und realistisches Bild der Beanspruchung der Bauwerke erzeugt.

Datengrundlage für digitale Zwillinge: Sensoren und KI in Aktion

Digitale Zwillinge haben sich bereits seit Jahren erfolgreich in der industriellen Produktion etabliert. Ursprünglich entwickelt, um Fertigungsprozesse zu optimieren und Maschinenzustände genau abzubilden, ermöglichen digitale Zwillinge eine präzise Steuerung und Überwachung komplexer Anlagen. Unternehmen profitieren davon durch reduzierte Ausfallzeiten, bessere Wartungszyklen und gesteigerte Effizienz. Diese bewährten Prinzipien werden nun auf den Infrastruktursektor übertragen, um Brücken und andere Bauwerke sicherer, effizienter und nachhaltiger zu machen.

Entscheidend ist für die Technologie stets die Datengrundlage: Digitale Zwillinge nutzen unterschiedliche, spezialisierte Sensoren wie Dehnungsmessstreifen, Temperatursensoren und Schlauchwaagen, um kontinuierlich Daten über die tatsächlichen Verkehrslasten, Umweltbedingungen oder Materialbeanspruchungen vor Ort zu generieren.

Um die Brücke zuverlässig überwachen zu können, muss die Sensorik individuell auf das jeweilige Bauwerk abgestimmt sein. Dabei kommen häufiger auch faseroptische Sensoren zum Einsatz, die über längere Strecken innerhalb des Bauteils mit einer Auflösung kleiner 1 cm Messdaten liefern. 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 Daten werden zunächst an einem Messwandler oder -verstärker an der Brücke gesammelt. Dort fließen sie je nach Relevanz direkt in den digitalen Zwilling der Brücke ein, werden gespeichert oder archiviert und ans zentrale Rechenzentrum gesendet. Dort wird eine leistungsstarke Netzwerk- und Recheninfrastruktur benötigt, um die Kubernetes Container-Umgebung der digitalen Zwillinge betreiben zu können. Geplant ist, dass KI-basierte Algorithmen die Sensordaten künftig auf kleinste strukturelle Veränderungen hin untersuchen, lange bevor diese mit bloßem Auge sichtbar werden.

Ein konkretes Beispiel dafür ist die Brücke über die Isen in Schwindegg im Landkreis Mühldorf am Inn. Seit Dezember 2022 kommt dort die Technologie digitaler Zwillinge erfolgreich zum Einsatz. Sensoren überwachen permanent den Zustand der Brücke und erkennen Belastungen oder Schäden in Echtzeit. Der virtuelle Zwilling liefert detaillierte Informationen zur Belastbarkeit und unterstützt die Betreiber dabei, Sanierungsmaßnahmen frühzeitig zu planen und umzusetzen. Die Brücke in Schwindegg zeichnet aus, dass direkt beim Bau damit begonnen wurde, umfangreiche Daten zu erheben. Die kontinuierlichen Analysen der Brücke werden zeigen, wie digitale Zwillinge die Wartung von Infrastruktur effektiv verbessern und sicherer machen können.

Kostenreduzierung durch gezielte Wartung

Neben Sicherheitsaspekten bieten digitale Zwillinge erhebliche wirtschaftliche Vorteile. Durch präzise Diagnosen und rechtzeitige Wartung reduzieren sich die Gesamtkosten deutlich. Untersuchungen zufolge können digitale Zwillinge die Wartungskosten von Infrastrukturobjekten um bis zu 30 Prozent senken, da Sanierungen gezielt geplant und unnötige Maßnahmen vermieden werden. Zusätzlich verlängert sich die Lebensdauer der Brücken, was langfristig Kosten einspart. Digitale Zwillinge machen Wartungen somit wirtschaftlicher und effizienter – ein entscheidender Faktor angesichts begrenzter öffentlicher Budgets und steigender Instandhaltungskosten.

Ein weiterer wirtschaftlicher Vorteil liegt darin, dass digitale Zwillinge sämtliche relevanten Informationen über Bauwerke bündeln. In der Praxis sind wichtige Unterlagen wie Baupläne, Berechnungen oder historische Dokumentationen immer wieder unvollständig oder sogar gar nicht mehr verfügbar. Digitale Zwillinge stellen diese Informationen dauerhaft an einem zentralen Ort bereit, wodurch aufwändige Nachforschungen und Doppelarbeiten entfallen. Das spart nicht nur Zeit und Geld, sondern ermöglicht auch eine schnellere und effizientere Planung sowie Durchführung von Wartungsarbeiten.

Starke Partnerschaften zwischen Forschung und Praxis

Um das volle Potenzial digitaler Zwillinge ausschöpfen zu können, sind enge Kooperationen zwischen Forschung und Wirtschaft entscheidend. Ein Beispiel für diese Zusammenarbeit ist das dtec.bw-geförderte Forschungsprojekt „RISK.twin“. Diese Kooperation kombiniert umfassendes Ingenieurwissen der Universität der Bundeswehr München mit Softwarekompetenz des Fraunhofer IESE und NetApps langjähriger Expertise im Datenmanagement. Ziel ist es, zuverlässige Lösungen über den gesamten Lebenszyklus von Bauwerken zu entwickeln, die oftmals viele Jahrzehnte betrieben werden. Dabei nutzen sie offene Standards wie die Verwaltungsschale, um alle relevanten Bauwerksdaten dauerhaft zugreifbar zu machen und eine effiziente Wartungsplanung zu ermöglichen.

Diese Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie sorgt dafür, dass digitale Zwillinge nicht nur theoretisch überzeugen, sondern auch in der Praxis effektiv eingesetzt werden können. Digitale Zwillinge stellen somit ein innovatives Wartungskonzept dar, das Infrastruktur sicherer, wirtschaftlicher und nachhaltiger gestaltet – eine wichtige Voraussetzung für die langfristige Sicherung der Verkehrswege und die zukunftsfähige Gestaltung unserer Infrastruktur.