Entwicklung eines Messsystems zur Überwachung von Betonstrukturen, Hochschule für Technik und Umwelt FHNW

Korrosion zählt zu den Hauptursachen für Schäden an Brücken, Tunneln und anderen Betonbauwerken. Herkömmliche Inspektionsmethoden liefern jedoch meist nur punktuelle Momentaufnahmen und sind mit erheblichen Unsicherheiten verbunden. Gemeinsam mit der Firma DuraMon AG hat das Institut für Sensorik und Elektronik der FHNW ein innovatives drahtloses Überwachungssystem entwickelt, das die kontinuierliche Zustandserfassung von Stahlbeton ermöglicht – und damit einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit und Lebensdauer kritischer Infrastrukturen leistet.

Traditionelle Prüfverfahren beruhen häufig auf visuellen Kontrollen oder zerstörungsfreien bzw. zerstörenden Tests. Diese Ansätze erlauben jedoch kaum verlässliche Aussagen zum zeitlichen Verlauf korrosiver Prozesse. DuraMon AG bietet deshalb eine neue Monitoringlösung an, die gleichzeitig sämtliche für die Korrosion relevanten Parameter in Stahlbetonbauwerken erfassen kann – beispielsweise pH-Wert, Chloridgehalt oder die elektrische Impedanz des Betons.

Für eine zuverlässige und langfristige Überwachung sind autonome, energieeffiziente und kommunikativ robuste Messsysteme erforderlich. Die Herausforderung besteht insbesondere darin, Messdaten auch in schwierigen Umgebungen wie Tunneln oder Parkhäusern drahtlos zu übertragen.

Das gemeinsame Projekt zwischen der FHNW und DuraMon AG verfolgte folgende Ziele:

• Entwicklung eines energieeffizienten Datenloggers mit einer autonomen Betriebsdauer von über 10 Jahren.

• Integration eines LoRa/LoRaWAN-Kommunikationssystems, das auch in komplexen baulichen Strukturen zuverlässig funktioniert.

• Implementierung empfindlicher Korrosionsmessverfahren, unter anderem zur präzisen Bestimmung kleinster Korrosionsströme.

• Konzeption eines drahtlosen Firmware-Update-Systems (FUOTA) zur Wartung ohne Vor-Ort-Besuche.

• Aufbau einer modularen Testumgebung für automatisierte Qualitäts- und Funktionstests vor dem Einsatz bei Kunden.

• Analyse des Ausbreitungsverhaltens von LoRa-Funksignalen in realen Umgebungen wie Parkhäusern und Tunneln zur Ableitung allgemeingültiger Installationsregeln.

Im Verlauf des Projekts entstand ein optimierter Datenlogger, der Messwerte von im Beton eingebetteten Sensoren erfasst und über ein eigenes LoRaWAN-Netzwerk übermittelt. Wichtige Resultate des Projekts sind:

• Neue Korrosionsstrommessung: Präzise Messung im Bereich von ±25 µA mit einer Auflösung unter 0.01 µA und einer Eingangsimpedanz unter 20 Ω.

• FUOTA-fähige Firmware: Ein speziell entwickelter Bootloader ermöglicht sichere drahtlose Software-Updates trotz der begrenzten LoRa-Bandbreite.

• Kommunikationsanalyse in Anwendungsszenarien: Umfassende Feldmessungen in Tunneln und Parkhäusern lieferten wertvolle Erkenntnisse zu Signalstärken, Reichweiten und idealen Gateway-Positionen.

• Modulare Testumgebung: Eine flexible Prüfplattform erlaubt die Simulation von Spannungen, Widerständen und Strömen sowie die Überprüfung von Leistungsaufnahme und LoRa-Konnektivität. Eine grafische Oberfläche erleichtert die Erstellung automatisierter Testabläufe und Dokumentationen.

• Einsatz bei Kundinnen und Kunden: Die entwickelten Datenlogger werden zunehmend in realen Umgebungen installiert und tragen bereits heute zur verbesserten Bauwerksüberwachung bei.

Das System zur kontinuierlichen Korrosionsüberwachung bildet die Grundlage für weiterentwickelte Instandhaltungsstrategien im Bauwesen. Die gewonnenen Erkenntnisse zur LoRa-Kommunikation in komplexen Strukturen ermöglichen zukünftige Installationen mit höherer Planungssicherheit. Langfristig trägt die entwickelte Technologie dazu bei,

• Instandsetzungsmassnahmen präziser zu planen,

• Kosten für den Unterhalt von Stahlbetonbauwerken zu reduzieren,

• sowie die Lebensdauer kritischer Infrastrukturen erheblich zu verlängern.