Bauwerksüberwachung: Dank Beschleunigungssensoren immer auf der sicheren Seite

Im Oktober 2018 wurde die längste Seebrücke der Welt dem Verkehr übergeben. Das Bauwerk überspannt die Mündung des Perlflussdelta und verkürzt die Reisezeiten zwischen den drei Städten deutlich. Da sich die Brücke in einem Gebiet mit hohem Schiffsaufkommen befindet, mussten allerdings umfangreiche Vorkehrungen für den Fall einer Kollision (Bauwerksüberwachung) getroffen werden.

Bauwerksüberwachung für die Sicherheit

Ein engmaschiges Structural Health Monitoring-System sorgt deshalb dafür, dass die Leitstelle des Brückenbetreibers beim Zusammenstoß eines Wasserfahrzeugs mit einem der Betonpfeiler sofort detaillierte Informationen über den Schaden erhält und geeignete Maßnahmen ergreifen kann. Eine zentrale Rolle in dem Sicherheitskonzept spielen hochgenaue Beschleunigungssensoren von ASC und ein leistungsfähiges Datenerfassungssystem von Dewesoft. Zusammen ergeben sie eine optimal an das Bauwerk angepasste Komplettlösung für die Zustandsüberwachung der Brücke.

Gesamtpaket überzeugt

Den Auftrag für die Instrumentierung der Brücke erhielten die beiden Messtechnik-Spezialisten ein Jahr vor Fertigstellung des Bauwerks. Ein gemeinsamer chinesischer Vertriebspartner stellte den Kontakt zwischen ASC und Dewesoft damals her und die Entscheidung für eine Zusammenarbeit fiel schnell: „Unsere analogen Inertialsensoren verfügen über ein kompaktes sowie robustes Design und lassen sich sehr einfach mittels der Datenerfassungssysteme von Dewesoft betreiben“, begründet Dipl.-Ing. Markus Nowack von ASC den Schritt.

Der chinesische Brückenbetreiber entschied sich für die triaxialen kapazitiven Beschleunigungssensoren ASC CS-1611LN, weil sie das beste Preis-Leistungs-Verhältnis boten. Der Betreiber der Hong Kong – Zhuhai – Macau-Bridge verbaute 44 der ASC-Sensoren seitlich in den Köpfen der Brückenpfeiler, wo sie kleinste Abweichungen von der materialtypischen Schwingungsfrequenz bestimmen, die dann durch die Datenerfassungssysteme ausgewertet werden.

Bauwerksüberwachung durch kapazitive Beschleunigungssensoren

Die Hong Kong – Zhuhai – Macau-Brücke als erstes gemeinsames Projekt war gleich eine Mammutaufgabe: Schließlich müssen die Signale der in den Brückenpfeilern verbauten Sensoren über sehr weite Entfernungen verlustfrei übertragen werden. Mit den triaxialen Beschleunigungssensoren ASC CS-1611LN ist das immer gewährleistet, denn sie verfügen über einen Stromsignalausgang von 4-20 mA.

Typische Eigenfrequenzen von Bauwerken und deren Komponenten sind oftmals im niedrigen Frequenzbereich <10 Hz zu finden. Speziell im Hinblick auf das Langzeitmonitoring von Schwingungen in diesem unteren Frequenzbereich und kleinsten Amplituden sind höchste Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messdaten die Grundanforderungen für ein zuverlässiges Structural Health Monitoring-System. Beschleunigungssensoren auf Basis kapazitiver Technologie sind daher prädestiniert für die Analyse der strukturellen Integrität der Brücke sowie der Detektion kalendarischer oder zyklischer Einflüsse, Überlasten oder Materialfehlern.

Des Weiteren sind Seebrücken unterschiedlichsten Belastungen ausgesetzt. Niederfrequente, aerodynamische Schwankungen, welleninduzierte Einflüsse, hydrodynamische Kräfte und seismische Bewegungen des Meeresbodens lassen sich ebenfalls optimal mit kapazitiven Beschleunigungssensoren bestimmen. Diese Technologie ermöglicht die Messung von statischen (DC) und konstanten Beschleunigungen, wodurch die Geschwindigkeit und die Verschiebung von Komponenten zuverlässig erfasst wird.

Die ASC CS-Serie eignet sich daher ideal für den Einsatz im Structural Health Monitoring (SHM), da die Beschleunigungssensoren ein sehr niedriges Breitbandrauschen (<0,2 µA) über den genutzten Frequenzbereich von <100 Hz und eine hervorragende Langzeitstabilität aufweisen sowie in uniaxialer, biaxialer oder triaxialer Ausführung erhältlich sind. Die Sensoren verfügen zudem über ein integriertes Kabel, das in der Länge nach Kundenwunsch konfektioniert wird.

Leistungsfähige Datenerfassung

„Die Beschleunigungssensoren arbeiten mit einer Datenrate von 100 Hz – sie übermitteln also pro Sensor und Sekunde 100 Messpunkte“, berichtet Markus Nowack. Um die Signale dieser und vieler weiterer Sensoren synchronisieren und auswerten zu können, braucht es ein leistungsfähiges Datenerfassungssystem. Hier kommt Dewesoft ins Spiel, ein führender Hersteller dieser Systeme. Dewesoft fertigt modernste Test- und Messgeräte. Die Datenerfassungssysteme können Daten aus zahlreichen unterschiedlichen Kanälen synchronisieren und sind flexibel erweiterbar. Aufgezeichnet, analysiert und visualisiert werden die Daten mithilfe der Software Dewesoft X3, die sich einfach bedienen lässt und über eine Vielzahl von Funktionen verfügt.

Echtzeit-Auswertung möglich

Im Fall der Hong Kong – Zhuhai – Macau-Brücke wertet das Datenerfassungssystem SIRIUSie-8xLV von Dewesoft die Messsignale aus. Dieses System ist mit einem EtherCAT-LWL-Konverter ausgestattet, der eine niedrige Latenz aufweist und daher die Datenübertragung über Distanzen von mehreren Kilometern erlaubt. Das SIRIUSie-8xLV verfügt über Verstärker, die Daten von fast jedem handelsüblichen Sensor erfassen können. Es synchronisiert die Kanäle mit einer Präzision im Sub-Mikrosekunden-Bereich, sodass der Anwender die Daten einer tiefgreifenden Strukturanalyse unterziehen kann. Ein weiterer Vorteil des Systems ist die integrierte OPC-UA-Schnittstelle, die eine Live-Ausgabe der Daten und somit auch deren Echtzeit-Auswertung ermöglicht. Darüber hinaus können die Daten in verschiedenen Formaten exportiert werden.

Mehr als 200 über viele Kilometer verteilte Beschleunigungskanäle sind alleine für die Überwachung des Hong Konger Teils der Brücke nötig. Dewesoft hat die Kanäle in sechs voneinander unabhängigen Subsystemen gebündelt, die sich untereinander mit einer Latenz von <1 ms synchronisieren. Die von den Subsystemen erfassten Daten sind sowohl lokal als auch auf einem zentralen Server gespeichert.

Bedarf bei der Bauwerksüberwachung ist riesig

Das historisch bekannteste Beispiel stammt aus dem Jahr 1940, als die erste Tacoma-Narrows-Brücke (USA) nach wenigen Monaten Betriebszeit einstürzte. Ungünstige aerodynamische Verhältnisse führten dazu, dass die Brücke resonierte und auf Grund der Torsionsschwingung schließlich zusammenbrach. Aktuellstes Beispiel ist dagegen das Polcevera-Viadukt (Morandi-Brücke), wo es 2018 im Stadtgebiet von Genua zum Teileinsturz des insgesamt 1182 m langen Bauwerkes kam. Die Bauwerksüberwachung von Brücken mittels Sensorik wird daher in den kommenden Jahren immer mehr an Bedeutung gewinnen.

Der Grund liegt auch in der veralteten Infrastruktur: Allein in Deutschland sind tausende der Bauwerke sanierungsbedürftig. „Bis ein Ersatzneubau umgesetzt wird, dauert es aber. In der Zwischenzeit muss die alte Brücke so lange wie möglich sicher nutzbar sein“, so ASC-Applikationsingenieur Markus Nowack. „Das Structural Health Monitoring durch Sensoren macht genau das möglich.“ Durch die kontinuierliche Erfassung der Schwingungen an einer Brücke können Schäden in einem sehr frühen Stadium erkannt werden. So müssen marode Bauwerke nicht auf Verdacht gesperrt werden, sondern können solange in Betrieb bleiben, bis ihre Verkehrssicherheit wirklich nicht mehr gegeben ist.

Die Bauwerksüberwachung aus der Ferne hat aber noch zwei weitere große Vorteile: Zum einen kann der teure Einsatz von Ingenieursteams vor Ort stark reduziert werden. Zum anderen überwachen die Sensoren die Brücke rund um die Uhr, während die Begehungen durch Fachleute immer nur eine Momentaufnahme des Bauwerkszustands ermöglicht. Nicht nur in Asien, auch in Frankreich, Großbritannien und in der Bundesrepublik sammeln deshalb ASC-Sensoren an vielen Brücken wertvolle Daten.

Intelligente Sensoren

Inertialsensoren von ASC sind auch in einer smarten Ausführung erhältlich. Diese Sensoren analysieren die erfassten Daten selbstständig und werten sie auch aus, sodass Brückenbetreiber auf ein externes Post-Processing der erfassten Daten verzichten können. Der Aufwand bezüglich Analyse und Bewertung wird dadurch reduziert, da durch die integrierten Algorithmen eine Statusmeldung, etwa mittels Ampelprinzip, jederzeit möglich ist. Auch die Schadensentwicklungen lassen sich damit prognostizieren.

Mithilfe der smarten Sensoren wird es darüber hinaus möglich sein, virtuelle Abbilder von Brücken zu erstellen. An diesen digitalen Zwillingen lassen sich dann auf Basis der Sensordaten der realen Brücke die Auswirkungen von Umgebungsbedingungen auf die Bauwerksstruktur simulieren. Abweichungen zwischen tatsächlichem und erwartetem Systemverhalten können durch die Kombination von Messungen und Simulationen schnell erkannt werden. Der digitale Zwilling kann über den Gebäudelebenszyklus hinweg genutzt werden und erlaubt es, Brücken bereits bei ihrer Planung optimal anzupassen.

Von Renate Bay.

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