Überwachung kritischer Infrastruktur

Die höchste Staumauer Österreichs, die Kölnbreinsperre in Kärnten, und der höchste Wolkenkratzer Österreichs, der DC Tower in Wien, mögen äußerlich wenig gemeinsam haben. Dennoch sind sie für ein Forschungsteam der TU Graz gleichermaßen von Interesse. Dieses Team, unter der Leitung von Caroline Schönberger und Werner Lienhart vom Institut für Ingenieurgeodäsie und Messsysteme, hat im Rahmen des Projekts InfraHealth eine bahnbrechende Methode zur Überwachung von kritischer Infrastruktur entwickelt.

Durch diese Methode können nicht nur langsame Verformungen durch statische Messungen erfasst werden, wie sie beispielsweise durch Veränderungen des Wasserstands in einer Staumauer auftreten können, sondern es können auch Gebäudeschwingungen in Echtzeit gemessen und daraus mögliche Schäden oder kritische Veränderungen erkannt werden. Bisher erforderten statische und dynamische Messungen unterschiedliche Methoden. Die neue Methode ermöglicht auch eine kontinuierliche Überwachung unter widrigen Wetterbedingungen wie Regen, Schnee, Nebel oder Sturm.

Bild: IGMS - TU Graz
 

Unglaubliche Präzision mithilfe von Navigationssatelliten

Projektleiterin Caroline Schönberger betont die beeindruckende Genauigkeit dieses Messsystems: "Die hohe Genauigkeit, die wir mit den Messungen im Rahmen des von der FFG geförderten Projekts InfraHealth erreichen konnten, ist beinahe einzigartig. Wir können mit Satelliten, die sich rund 20.000 Kilometer von uns entfernt befinden, Schwingungen im Millimeterbereich oder sogar darunter erfassen. Diese Entwicklung ebnet den Weg für den breiten Einsatz von globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS) zur statischen und dynamischen Überwachung kritischer Infrastruktur. Davon profitieren nicht nur die Betreiber von Bauwerken, sondern auch deren Nutzer."
 

Satellitengestützte Messungen und GNSS-Signale

Die neue Methode nutzt lokale Antennen, die mit den öffentlich zugänglichen GNSS-Signalen von Galileo, GPS und GLONASS-Satelliten arbeiten. Diese Antennen werden an wichtigen Messpunkten am Bauwerk platziert, und eine zusätzliche Referenzantenne befindet sich in relativer Nähe auf stabilem Untergrund. Die Antennen bestimmen mithilfe der Satelliten ihre Position mit einer Frequenz von 20 Hertz, alle 0,05 Sekunden für die dynamischen Messungen. Diese Frequenz ermöglicht eine genaue Erfassung der Gebäudeschwingungen. Die Forscher nutzen GPS- und Galileo-Signale für diese Messungen, da sie zuverlässigere Positionsinformationen bieten. Anhand dieser Rohdaten berechnen die Forscher die Frequenzantwort des Bauwerks.
 

Virtuelle Realität zur Planung und Erfassung von Erdbeben

Um sicherzustellen, dass die Antennen vor Ort ausreichend Satellitensignale empfangen können, entwickelte das Forschungsteam ein Tool, mit dem sie die gesamte Planung in der virtuellen Realität durchführen konnten. Für die Kölnbreinsperre stellte sich heraus, dass nicht nur die beiden zentralen Antennen, sondern auch die Antennen am Rand des Bauwerks ausreichend Signale empfangen konnten, was besonders wichtig ist, wenn es um die Überwachung von Staumauern geht.

Während der Versuche am DC Tower stellte sich heraus, wie genau dieses neue Verfahren Änderungen wahrnehmen kann. Die Forscher konnten die Auswirkungen eines Erdbebens, das etwa 550 Kilometer entfernt in Norditalien stattfand, anhand der Bewegungen des Turms aufzeichnen. Diese Genauigkeit und Präzision macht die Methode besonders wertvoll, insbesondere für große Bauwerke wie Brücken oder Staumauern, die sich dem Ende ihrer geplanten Lebensdauer nähern.

Die satellitengestützte Überwachung von kritischer Infrastruktur bietet somit ein effektives Werkzeug, um die Sicherheit von Bauwerken kontinuierlich zu gewährleisten und Schäden frühzeitig zu erkennen.