Monitoring von Brücken: Allgemeine Strategien und Messgrößen

Moritz Rommel, Sommersemester 2013

English translation

Durch Schäden an, oder gar Einstürze von, Brücken würden nicht nur enorme wirtschaftliche Schäden verursacht, sondern auch Menschenleben in Gefahr gebracht. Einflüsse auf die Trag- und Verkehrssicherheit von Brückenbauwerken, wie etwa durch Umwelteinwirkungen und/oder ein erhöhtes Verkehrsaufkommen, sollten daher immer bedacht und beobachtet werden. Eine Möglichkeit dazu bietet das Monitoring von Brücken (die Dauerüberwachung) mit Hilfe geeigneter Sensorsysteme.

Analysemethoden

Die Wahl der Analysemethode ist immer auf ein bestimmtes Ziel ausgerichtet. Dieses kann darin bestehen, einen gewissen Grenzzustand (z.B. maximale Dehnung, Durchbiegung oder Windbeanspruchung) zu erfassen und bei dessen Überschreitung ein „Alarmsignal“ auszulösen. Oder aber es können verschiedenste Messgrößen an mehreren strategischen Punkten des Bauwerks erfasst und verknüpft werden. Die ausgewerteten Daten können dann z.B. als Grundlage für Lebensdauerprognosen herangezogen werden. Die Zeitpunkte zu denen die Signale generiert werden, müssen ebenfalls auf das Ziel ausgerichtet sein. Signale können in gewissen Zeitabständen über einen bestimmten Zeitraum erfasst werden (zeitdiskrete Messwerterfassung) oder gezielt, um die Auswirkungen eines bestimmten Ereignisses zu erfassen (ereignisbasierte Messwerterfassung). Es ist möglich, dass ein bestimmtes Ereignis vom Messsystem erkannt wird. ^[1]

Messgrößen

Eine optimale Kombination von verschiedenen Messgrößen, welche zum richtigen Zeitpunkt mit der richtigen Methode erfasst werden müssen, ist bestmöglich auf die Fragestellung abzustimmen. Dabei kommen verschiedenste Messgrößen in Betracht, z.B.:

Dehnung
Durchbiegung
Verschiebung
Spannung
Temperatur
Feuchte
Korrosionsstrom
pH-Wert
Schallemissionsanalyse Schallwellen (SEA)
Schwingungen

Messsysteme

Die unterschiedlichen Messsysteme, die zum Einsatz kommen können, unterscheiden sich in der Art der Datenerfassung, der Datenübertragung und der Datenanalyse. Man unterscheidet zunächst in drahtgebundene und drahtlose Systeme. Ein wesentlicher Nachteil der drahtgebundenen Systeme ist die Kabelführung vom Sensor zum Zentralrechner. Bei großen Brückenbauwerken, an denen über das Bauwerk verteilt mehrere Sensoren installiert werden sollen, sind viele Meter Kabel notwendig und dadurch die Kabelführung eventuell sehr aufwendig und kostenintensiv. Die Verwendung nicht besonders störanfälliger, digitaler Signale ist den analogen Signalen vorzuziehen. Schallemissionsanalysen (SEA) ^[2] und Schwingungsuntersuchungen an Brücken benötigen zur Bewältigung der dabei entstehenden Datenmengen eine ausreichende Leistung der Rechnerkomponenten, Speicherfähigkeit sowie die dazu benötigte Stromversorgung. Die Menge an Daten ist häufig so groß, dass unter praktischen Gesichtspunkten nur eine ereignisbasierte Messwerterfassung durchführbar ist. Im Gegensatz dazu ist die Erfassung von Daten aus einer Einzelapplikation, wie z.B. der Erfassung von relativen Luftfeuchten mit sehr geringem Datenumfang verbunden und daher über lange Zeiträume kontinuierlich möglich. ^[1]

Drahtgebundene Systeme

Seit den 80er Jahren werden Feldbussysteme eingesetzt. Die Weiterentwicklung dieser Systeme besteht darin, dass die digitalen Daten über normierte Protokolle verschickt werden können. Es ist dadurch möglich Informationen von mehreren Sensoren über das gleiche Kabel zu verschicken. Der Verkabelungsaufwand konnte auf diese Weise stark reduziert werden. Des Weiteren kommen faseroptische Systeme zum Einsatz. Diese bestehen aus einem Lichtwellenleiter, der meistens aus Glas besteht. Unterscheiden lassen sich diese in extrinsische Verfahren, bei denen die Faser lediglich als Übertragungsmedium dient und intrinsische Verfahren bei denen die Faser selbst den Sensor darstellt. Mit dieser Technik lassen sich z.B. Dehnungs-, Temperatur-, Beschleunigungs-, Neigungs- und Porenwasserdrucksensoren entwickeln. Die faseroptischen Sensorsysteme sind sehr robust gegenüber äußeren Umwelteinwirkungen und elektromagnetischen Feldern einzuordnen. Durch ihre zudem geringe Größe, den geringen Preis und die Möglichkeit über lange Strecken zu messen, stellen sie eine interessante Alternative zur Dauerüberwachung mit konventionellen Sensoren, besonders in extremen Umgebungen, dar. ^[1]

Drahtlose Systeme

Auf diesem Gebiet werden unterschiedlichste Sensoren verwendet, z.B. passive drahtlose Sensoren welche über keine eigene Stromversorgung verfügen und durch elektromagnetische Felder eines in der Nähe befindlichen Lesegerätes gespeist werden. Des Weiteren kommen aktive drahtlose Sensoren zum Einsatz. Diese verfügen neben verschiedenen Sensoren über eine eigene Stromversorgung, einen Prozessor, einen Datenspeicher und über Komponenten zur Datenübertragung. Ein zentrales Kriterium für alle drahtlosen Sensoren ist eine möglichst lange anhaltende Stromversorgung. Da die Funkübertragung einen wesentlichen Teil des Energieverbrauchs ausmacht, muss die Dauer und Intensität möglichst klein gehalten werden. ^[1]

Der Einsatz von sehr genauen Seismometern für die Modalanalyse und Beschleunigungssensoren für die SEA ist oftmals mit hohen Kosten verbunden. Eine technisch vielversprechende Weiterentwicklung sind sogenannte MEMS-Sensoren. ^[2] Auf diesen kleinen Chips können elektrische und mechanische Komponenten platziert werden. Neben dem geringen Stromverbrauch bieten diese Sensoren den Vorteil, dass sie aufgrund der Massenproduktion sehr günstig angeboten werden können. Neben Feuchte und Temperatur können derartige Sensoren bereits für diverse andere Einsatzzwecke eingesetzt werden. ^[1]

Bild 1: Prinzipskizze für das Monitoring einer Brücke mit drahtlosen Sensornetzen ^[1]

C. U. Große, M. Krüger (Hrsg.): Einsatz von Sensorik an Brückenbauwerken. FE 88.001/2009 Schlussbericht, (2010).

Drahtlose Sensornetze

Bild 2: Beispiel eines Multihop-Sensornetzes mit Clusterbildung ^[1]

Relevante Messgrößen werden durch den Einsatz von Sensorknoten (Motes) an den gewünschten Stellen der Brücke erfasst, eventuell gespeichert und teilanalysiert. Die Motes senden die verarbeitete Information über Funk an die zentrale Rechnereinheit. Der Zentralrechner speichert die Daten und dient zudem zur erweiterten Datenanalyse. Über eine geeignete Schnittstelle (z.B. ein GPRS/UMTS-Modem) können die Daten vom Zentralrechner an die für die Interpretation zuständige Person gesandt werden (siehe Bild 1).

Für die Sensornetze kommen verschiedene Netzwerktopologien in Betracht. Sogenannte Multihop-Topologien bieten die Möglichkeit, unter geringem Stromverbrauch, Daten an den zuständigen Ingenieur zu senden. ^[3] Durch Zusammenschließung von Teilbereichen des Sensornetzes zu sogenannten Clustern kann erreicht werden, dass durch die Verknüpfung und Analyse von mehreren Messgrößen im Cluster selbst, nur relevante Daten via Funk übermittelt werden müssen. Dadurch kann das Stromeinsparpotential weiter verbessert werden (siehe Bild 2). ^[1] Der Einsatz von drahtlosen Sensornetzen wurde in jüngster Zeit z.B. in ^[2] und ^[4] beschrieben und erfolgreich durchgeführt.