Wissenschaftler entwickeln eine Blackbox für Bauwerke

Gebäude sind vor allem bei Erdbeben starken Schwingungen ausgesetzt. Zur Beurteilung möglicher Schäden werden in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt GIOTTO intelligente Sensorsysteme entwickelt.

Giotto
Seismische Messinstrumente werden auf einer Modellbrücke aufgebaut. © Heiner Igel, Ludwig-Maximilians-Universität München

Am Ende der ersten Dekade des neuen Jahrtausends ereigneten sich weltweit gleich mehrere schwere Erdbeben. Vor allem ein Land erlebte 2010 eine beispiellose Katastrophe - der Karibikstaat Haiti. Auf der Insel waren nach einem verheerenden Beben fast 300.000 Menschen ums Leben gekommen, ganze Dörfer und Städte verschwanden von der Landkarte. Von den Folgen hat sich Haiti bis heute nicht erholt.

Das Land musste neben der Vielzahl der Opfer auch großen materielle Schäden beklagen. Die Folgen der Katastrophe lassen sich nach wie vor an unzähligen Häusern und Brücken ablesen. Unklar bleibt oftmals, wie groß die Gefahr eines Einsturzes ist - ein Problem auch in anderen tektonisch aktiven Regionen. Es fehlen Messsysteme, mit denen der Zustand von Gebäuden nach Beben zuverlässig charakterisiert werden kann.

In dieser Frage will ein Wissenschaftlerteam unter Leitung der Ludwig-Maximilians-Universität München einen entscheidenden Schritt vorankommen. Im Rahmen des Projekts GIOTTO, das vom BMBF innerhalb des Themenschwerpunkts „Frühwarnung vor Naturgefahren“ gefördert wird, soll unter anderem eine auf Sensoren basierende Echtzeitüberwachung für Bauwerke entwickelt werden.

In dem Vorhaben arbeiten Seismologen mit Erdbebeningenieuren und Materialwissenschaftlern zusammen. Ebenso ist das High-Tech-Unternehmen iXblue involviert, welches technische Lösungen unter anderem für autonom operierende Fahrzeuge und Erdbeobachtungssysteme entwickelt. Einen Schwerpunkt der Firma bilden spezielle Sensoren, die Absolutbewegungen erfassen können.

„Diese Zusammenarbeit ist für uns ein Glücksfall“, sagt Prof. Heiner Igel, Projektleiter von GIOTTO. Das Unternehmen stellt dem Projekt gleich 20 der innovativen Sensoren zur Verfügung, die es bislang nur im Format einer Kiste gibt. Die Anforderungen sind hoch: Die Sensoren sollen nicht nur Beschleunigungsbewegungen in drei Richtungen messen, sondern auch die drei Komponenten der Rotationsbewegungen.

„Damit können wir erstmals die Schwingungen von Gebäuden in sämtlichen Richtungen erfassen“, sagt Igel.  Diese Sensoren sollen zu einem Netzwerk verbunden werden, wodurch die Basis für ein Echtzeit-Monitoring-System entsteht. Hierzu werden bis zum Projektende im Jahr 2023 umfangreiche Untersuchungen in Bauwerken und in der Bundesanstalt für Materialforschung und- prüfung (BAM) durchgeführt.

Ein zentrales Ziel des Vorhabens ist die Schaffung eines Ampelsystems, mit dem ein Gebäudezustand ebenfalls in Echtzeit bewertet werden kann. Das Prinzip ist einfach: Bei Stufe Rot sollte ein Bauwerk unverzüglich evakuiert werden. Bei Gelb sind weitere Begutachtungen notwendig. Grün dagegen bedeutet Entwarnung. Somit liegt ein ständiger Workflow zur Bewertung des Bauzustandes vor.

Der Geophysiker Igel, ausgewiesener Experte für Simulationen seismischer Wellen und Mitglied der Leopoldina, spricht von vielfältigen, möglichen Anwendungsbereichen. So könnte die Technologie an Brücken installiert werden, bei denen aufgrund des Alters eine dauerhafte Überwachung notwendig wäre. Das System könnte vor einem plötzlichen Einsturz wie beim Polcevera-Viadukt in Genua warnen.

Aber auch hohe Gebäude ließen sich auf diese Weise überwachen. Im Glockenturm Campanile di Giotto in Florenz - daher rührt der Name des Projekts - , hat das GIOTTO-Forscherteam bereits testweise Messungen durchgeführt, ebenso im Wolkenkratzer Taipeh 101 auf Taiwan. Das Sensorkonzept wird während der Projektlaufzeit auch im Rathaus im französischen Grenoble getestet, in einer seismisch aktiven Alpenregion. 

Zudem besteht eine Zusammenarbeit mit italienischen Erdbebenexperten. Vor allem in Umbrien und den Abruzzen ereigneten sich in den vergangenen Jahrzehnten immer wieder schwere Erdstöße, unter anderem in L’Aquila im Jahr 2009. „Wir wollen hier bestimmte Schwingungsmuster mit den Sensoren aufzeichnen. Aus diesen Mustern lässt sich womöglich herleiten, ob Gebäude beschädigt wurden“, erklärt der Projektleiter. Dieses Analyseverfahren wiederum könnte dazu genutzt werden, eine Art Blackbox für Gebäude zu entwickeln. Die vom Gerät gespeicherten Daten würden dann in statische Berechnungen einfließen.

Auch weitere Anwendungsgebiete haben die Projektbeteiligten von GIOTTO im Blick. „Denkbar sei der Einsatz der Multi-Bewegungssensoren in einem seismischen Netz auf dem Ozeanboden, um die Frühwarnung vor Seebeben zu verbessern“, sagt Igel. Auch für die Weltraumforschung könne das System adaptiert werden. Hier wird es aus seiner Sicht noch große technologische Sprünge geben.