Methodenübersicht – Brückenmonitoring
Für die Überwachung von Brücken stehen unterschiedliche Messverfahren zur Verfügung. Dehnungsmessung, Beschleunigungsmessung, Temperaturmessung, faseroptische Sensorik, Acoustic Emission und Verformungsmessung erfassen unterschiedliche Aspekte des Bauwerksverhaltens.
Keines dieser Verfahren beschreibt allein den vollständigen Zustand eines komplexen Tragwerks.
Ein leistungsfähiges Structural Health Monitoring kombiniert deshalb Messgrößen, die unterschiedliche physikalische Informationen liefern. Entscheidend ist die Frage, welche Veränderung mit welchem Messverfahren zuverlässig beobachtet werden kann.
Unterschiedliche Messverfahren beantworten unterschiedliche Fragen
Ein Sensor misst zunächst eine bestimmte physikalische Größe an einem bestimmten Ort.
Ein Dehnungssensor erfasst lokale Dehnungen. Beschleunigungssensoren erfassen dynamische Bewegungen. Temperatursensoren beschreiben thermische Randbedingungen. Faseroptische Systeme können Dehnungen über größere Bereiche erfassen.
Eine globale Verformungsmessung beantwortet dagegen eine andere Frage:
Wie reagiert das Tragwerk als System auf eine reale Belastung?
Für ein Structural Health Monitoring können diese Informationen miteinander kombiniert werden.
Dehnungsmessung
Dehnungssensoren erfassen lokale Änderungen der Dehnung an definierten Positionen des Tragwerks.
Sie eignen sich insbesondere dort, wo Beanspruchungen an bekannten oder besonders relevanten Bereichen beobachtet werden sollen.
Die Aussage ist jedoch zunächst lokal. Eine Veränderung an einer anderen Stelle des Tragwerks muss sich nicht zwangsläufig am einzelnen Dehnungssensor eindeutig zeigen.
Beschleunigungsmessung
Beschleunigungssensoren erfassen dynamische Bewegungen und Schwingungen des Bauwerks.
Damit lassen sich beispielsweise Eigenfrequenzen, Schwingungsformen oder Veränderungen des dynamischen Verhaltens untersuchen.
Die Beschleunigungsmessung liefert damit wichtige Informationen über die Dynamik eines Tragwerks, beantwortet aber eine andere Frage als die direkte Messung seiner Verformung unter Last.
Temperaturmessung
Temperatur beeinflusst das Verhalten nahezu jedes Brückenbauwerks.
Temperatursensoren sind deshalb ein wichtiger Bestandteil vieler Monitoringsysteme. Sie helfen, thermisch bedingte Bewegungen und Veränderungen von lastbedingten Strukturreaktionen zu unterscheiden.
Temperatur ist dabei meist keine eigenständige Zustandsaussage, sondern eine wichtige Randbedingung für die Interpretation anderer Messgrößen.
Faseroptische Messverfahren
Distributed Fiber Optic Sensing und andere faseroptische Verfahren ermöglichen die Erfassung von Dehnungen beziehungsweise weiteren Messgrößen über längere Sensorstrecken.
Damit können räumlich verteilte Informationen gewonnen und lokale Veränderungen entlang eines überwachten Bereichs erkannt werden.
Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Messgrößen entlang der installierten Faser. Die globale Verformungsantwort des gesamten Tragwerks unter einer Verkehrslast ist eine andere Informationsebene.
Acoustic Emission
Acoustic-Emission-Verfahren erfassen elastische Wellen, die beispielsweise durch aktive Schädigungsprozesse im Material entstehen können.
Damit können Vorgänge beobachtet werden, die mit anderen Sensorverfahren nur schwer direkt erkennbar sind.
Auch hier handelt es sich um eine andere Betrachtungsebene als bei der Messung der globalen Tragwerksverformung.
Globale Verformungsmessung
Bei einer globalen Verformungsmessung wird beobachtet, wie sich ausgewählte Bereiche des Tragwerks unter einer Belastung bewegen.
Mehrere Messstrecken ermöglichen es, nicht nur einzelne Punkte, sondern räumliche Verformungsmuster zu betrachten.
Wiederkehrende Verkehrsereignisse liefern dabei immer neue Belastungsfälle. Werden vergleichbare Ereignisse über lange Zeiträume miteinander verglichen, kann untersucht werden, ob sich die Strukturantwort des Bauwerks verändert.
Die zentrale Frage lautet:
Verhält sich das Bauwerk unter vergleichbarer Belastung heute noch so wie in der Vergangenheit?
Was Bridge LDM beiträgt
Bridge LDM erfasst die globale Verformungsantwort eines Bauwerks unter realen Verkehrslasten.
Mehrere Lasermessstrecken erfassen ausgewählte Bereiche des Tragwerks berührungslos. Die Messdaten werden zeitlich synchronisiert und mit historischen Referenzzuständen verglichen.
Dadurch können unter anderem betrachtet werden:
- Verformungsverhalten unter Belastung
- räumliche Verformungsmuster
- Rückstellung nach Belastungsereignissen
- langfristige Nulllagen
- Lagerbewegungen
- Veränderungen des Bauwerksverhaltens über die Zeit
Bridge LDM ersetzt damit nicht Dehnungs-, Beschleunigungs-, Temperatur- oder materialbezogene Sensorik.
Es ergänzt diese Verfahren um eine weitere Informationsebene:
Die reale globale Verformungsantwort des Bauwerks unter Last.
Messverfahren im Vergleich
| Verfahren | Typische Messgröße | Betrachtungsebene | Typische Aussage |
|---|---|---|---|
| Dehnung | lokale Dehnung | lokal | Beanspruchung an definierten Bereichen |
| Beschleunigung | Schwingung / Dynamik | lokal bis global | dynamisches Bauwerksverhalten |
| Temperatur | Temperatur | lokal / verteilt | thermische Randbedingungen |
| DFOS / Faseroptik | verteilte Dehnung | lokal bis räumlich verteilt | Veränderungen entlang einer Sensorstrecke |
| Acoustic Emission | elastische Wellen | materialbezogen | aktive Materialprozesse |
| Bridge LDM | Verformung unter Last | räumlich / global | reale Strukturantwort und Veränderung über die Zeit |
Die Verfahren stehen damit nicht zwangsläufig im Wettbewerb. Ihre Kombination kann die Aussagekraft eines Monitorings erhöhen.
Vom einzelnen Sensor zum Structural Health Monitoring
Ein Structural Health Monitoring entsteht nicht dadurch, möglichst viele Sensoren zu installieren.
Entscheidend ist, dass die Messgrößen eine konkrete technische Fragestellung beantworten und gemeinsam interpretiert werden können.
Beispielsweise kann eine Veränderung der globalen Verformungsantwort Anlass geben, lokale Messgrößen genauer zu untersuchen. Umgekehrt kann eine lokale Auffälligkeit mit dem Verhalten des gesamten Tragwerks verglichen werden.
So entsteht eine mehrstufige Betrachtung:
lokale Messung → globale Strukturantwort → zeitliche Veränderung → technische Bewertung
Bridge LDM als SHM-Baustein
Bridge LDM ist deshalb bewusst modular aufgebaut.
Es kann als eigenständiges Monitoring eingesetzt oder in bestehende Structural-Health-Monitoring-Systeme integriert werden. Vorhandene Datenerfassung, weitere Sensorik, Server und Monitoringplattformen können weiter genutzt werden.
Bridge LDM Analysis verarbeitet die Lasermessdaten und stellt Kennwerte und Analyseergebnisse für die weitere Nutzung bereit. Über Schnittstellen können diese Informationen in übergeordnete Monitoring- und SHM-Systeme eingebunden werden.
Damit lautet die Rolle von Bridge LDM nicht:
alle anderen Messverfahren ersetzen
sondern:
die globale Verformungsantwort unter realer Belastung als zusätzlichen SHM-Baustein bereitstellen.