Am frühen Morgen des 11. September 2024 stürzte ein Teil der Dresdner Carolabrücke in die Elbe – bereits zur Bauzeit eingetragene Feuchtigkeit führte zu Korrosion im Inneren der Brücke, die im Laufe der Zeit zahlreiche Spanndrähte im Spannbeton zerspringen ließ. Temperaturänderungen taten ihr Übriges. Leider ist die Carolabrücke kein Einzelfall: 8000 Autobahnbrücken stufte das Bundesministerium für Digitales und Verkehr in der Zustandserfassung 2022 als sanierungsbedürftig ein, die Organisation »Transport & Environment« kommt mit 16 000 baufälligen Brücken sogar auf die doppelte Anzahl. Höchste Zeit also, den Zustand von Deutschlands Brücken zu erfassen und kontinuierlich zu überwachen, um sie bei Gefahr rechtzeitig sperren und sanieren zu können.

Schallemissions-Analyse heißt zuhören

Nun ist beispielsweise eine Brücke mit fingerdicken Stahlbauteilen alles andere als einfach zu prüfen – sie offenbart nicht von allein, wie es um den Zustand ihres Spannstahls bestellt ist. In einem Projekt, das im Oktober 2025 gestartet ist, steht die kundenspezifische Entwicklung von Monitoringsystemen für diesen speziellen Anwendungsfall im Vordergrund. »Über Schallemissionssensoren, die an der Brücke befestigt werden, können wir den Versagenszustand analysieren und seine Entwicklung vorhersagen. Wir bilden also das Innere von Brücken und anderen Bauwerken ab und lassen versteckte Schäden sichtbar werden«, erklärt Dr. Lars Schubert, Wissenschaftler am Fraunhofer IKTS. Dazu messen zahlreiche über die Brücke verteilte Sensoren den Schall, der an der Brücke entsteht – sei es, weil ein Auto darüberfährt, sei es, weil ein Eisenstab in der Brücke bricht. Mit Algorithmen, die am Fraunhofer IKTS intensiv weiterentwickelt werden, wird der Zustand der Brücke erfasst. Gibt es stark korrodierte Stellen, sind bereits Risse entstanden?

Mit einem Sensor allein kommt man allerdings nicht weit – die Dämpfung des Schalls im Beton ist materialbedingt hoch und es sind viele Sensoren nötig, um die benötigten Informationen aus den erfassten Schallsignalen herausziehen zu können. »Für eine Dauerüberwachung müssen die Sensoren ebenso wie die zugehörige Messtechnik deutlich günstiger werden«, weiß Schubert.  Möglich machen soll dies eine neuartige Sensortechnik, genauer gesagt kleine MEMS-Sensoren, kurz für »Mikro-Elektro-Mechanische Systeme«. Da diese automatisch hergestellten Sensoren weniger empfindlich sind als die manuell erzeugten, untersucht das Team derzeit, wo deren Grenzen liegen und arbeitet daran, sie entsprechend für das Infrastrukturmonitoring anzupassen. Auch die Messtechnik, die die Signale aufnimmt, haben die Forschenden auf den Anwendungsfall zugeschnitten: Weg von einem Allround-Messsystem, hin zu einem auf Brücken und andere Infrastruktur ausgelegten System. Dafür haben sie eine eigene Elektronik entwickelt und passen diese spezifisch auf den Anwendungsfall an.

Glasfasern als Sensoren

Eine weitere interessante Technologie liegt in optischen Fasern, wie sie vor allem vom Glasfaser-Internet bekannt sind. »Diese Fasern lassen sich ebenfalls für die Überwachung von Infrastruktur nutzen«, sagt Bianca Weihnacht, Forscherin am Fraunhofer IKTS. Eine Glasfaser, wie sie in der Telekommunikation Verwendung findet, wird hier als Sensor genutzt. Dabei ist nicht das Licht interessant, das durch die Fasern hindurchgeht, sondern das Licht, das mit Dehnungen in der Faser interagiert und zurückgestreut wird. Bleibt das Kabel unbewegt, gelangt das an einer Fehlstelle reflektierte Licht stets nach der gleichen Laufzeit zurück – schließlich bleibt der Weg von der Lichtquelle zur Fehlstelle und wieder zurück zum Ausgangspunkt gleich lang. Wird das Kabel allerdings gedehnt oder verschoben, verschiebt sich auch die Fehlstelle und die Laufzeit des reflektierten Lichts ändert sich. Auf diese Weise lassen sich lokale Bewegungen am Kabel nachweisen.

Da eine Glasfaser nicht nur eine einzige Reflektionsstelle aufweist, sondern sich produktionsbedingt Reflektionsstelle an Reflektionsstelle reiht, erhält man einen kontinuierlichen Sensor. »Die Technologie der Glasfasersensoren ist äußerst attraktiv: Sie erlaubt es, auf kostengünstige Weise Infrastrukturen zu überwachen – lediglich mit einer Faser ohne jegliche Verkabelung«, beschreibt Weihnacht. Beispielsweise lässt sich eine solche Faser an einer Brücke anbringen, um ihre Dehnung zu überwachen. Zudem liegen bereits zahlreiche Fasern auf dem Meeresgrund, die sich als Sensoren nutzen lassen. Selbst in Stromkabeln sind optische Fasern enthalten. Ein erster Test, den die Forschenden im Becken des Hamburger Hafens durchführten, verlief erfolgreich. Weitere Untersuchungen stehen im Digital Ocean Lab an: Hier arbeiten Branchenführer, Forschende und Innovatoren zusammen, um maritime Technologien der nächsten Generation zu testen, zu verfeinern und einzusetzen.

Interessant werden die optischen Fasern zudem durch ihre Eigenschaften. So können ihnen beispielsweise elektromagnetische Störungen etwa durch vorbeifahrende Straßenbahnen nichts anhaben. Sie eignen sich daher hervorragend für die urbane Infrastrukturüberwachung. Da sie keine Verkabelung benötigen, lassen sie sich auch in explosionsgeschützten Bereichen wie in Raffinerien einsetzen, in denen sich entzündliche Gase in der Luft befinden und bereits ein kleiner Funken ausreichen kann, um diese zu entflammen. Eine weitere Überwachungs-Lücke schließen die Glasfaser-Sensoren bei Strukturen am Meeresgrund: Es muss keinerlei Messtechnik unter Wasser gebracht werden. Stattdessen kann der Glasfaser-Sensor aus dem Wasser herausragen und an der Luft ans Messgerät angeschlossen werden. »Die Glasfasern vereinfachen die maritime Überwachung immens – insbesondere in Bereichen mit äußerst schwierigen Bedingungen, wie der Nordsee«, bestätigt Weihnacht.

Rasche Umsetzung und Einführung in die Praxis

Brücken fallen je nach Klassifizierung in die Zuständigkeit von Bund, Ländern oder Kommunen. Geprüft wird durch Bauingenieurbüros, die Weiterentwicklung der Prüftechnologien erfolgt im akademischen Bereich. Deswegen arbeitet das Fraunhofer IKTS sehr eng mit Ingenieurbüros (bspw. MKP GmbH, FOLAB GmbH) in laufenden Projekten zusammen und wird dabei von Experten, wie Prof. Steffen Marx, Professor für Massivbau an der TU Dresden, maßgeblich unterstützt. Der enge Austausch aller Beteiligten ermöglicht eine rasche Einführung der Forschungsergebnisse in die Praxis. Durch die Anbindung des Fraunhofer IKTS an die Deutsche Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP), in der Lars Schubert den Fachausschuss für Zustandsüberwachung leitet und sich im Fachausschuss Schallemissionsprüfung engagiert, wird zudem die Standardisierung und der Eingang in Regelwerke maßgeblich vereinfacht.

Um diese Themen voranzubringen, organisiert das Fraunhofer IKTS auf der »8^th International Conference on Smart Monitoring, Assessment and Rehabilitation of Civil Structures« vom 26. bis 28. August 2026 in Dresden eine Session zum Thema Bauwerksüberwachung mit akustischen Methoden. Herzlich Willkommen an alle Interessenten!