10.02.2021

Beschleunigungssensoren erhöhen Sicherheit von Brücken

Brücken-Monitoring

Brücken sind enormen Belastungen ausgesetzt und müssen regelmäßig auf ihre Betriebssicherheit überprüft werden. Die kontinuierliche Zustandsüberwachung der Bauwerke hat sich als Alternative zu teuren Begehungen vor Ort etabliert. Datenerfassungssysteme von Dewesoft und Inertialsensoren von ASC kommen bereits an vielen Brücken zum Einsatz, unter anderem an der gigantischen Hongkong-Zhuhai-Macau-Bridge in China.


Seit Oktober 2018 überspannt die längste Seebrücke der Welt die Mündung des Perlflussdeltas und verkürzt die Reisezeiten zwischen den drei Städten deutlich. Da sich die Brücke in einem Gebiet mit hohem Schiffsaufkommen befindet, mussten allerdings Vorkehrungen für den Fall einer Kollision getroffen werden. Ein Structural Health Monitoring-System (SHM) sorgt 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 Datenerfassungssystem von Dewesoft. Zusammen ergeben sie eine angepasste Komplettlösung für die Zustandsüberwachung der Brücke. Den Auftrag für die Instrumentierung der Brücke erhielten die beiden Messtechnik-Spezialisten ein Jahr vor Fertigstellung des Bauwerks. "Unsere analogen Inertialsensoren verfügen über ein kompaktes sowie robustes Design und lassen sich sehr einfach mittels der Datenerfassungssysteme von Dewesoft betreiben", erklärt Dipl.-Ing. Markus Nowack von ASC. Der chinesische Brückenbetreiber entschied sich für die triaxialen kapazitiven Beschleunigungssensoren CS-1611LN, weil sie das beste Preis-Leistungs-Verhältnis boten. Der Betreiber der Hongkong-Zhuhai-Macau-Bridge verbaute 44 der Sensoren seitlich in den Köpfen der Brückenpfeiler, wo sie kleinste Abweichungen von der materialtypischen Schwingungsfrequenz bestimmen, die dann durch die Datenerfassungssysteme ausgewertet werden.

Kapazitive Beschleunigungssensoren

Die Brücke als erstes gemeinsames Projekt war gleich eine Mammutaufgabe: Schließlich müssen die Signale der in den Brückenpfeilern verbauten Sensoren über weite Entfernungen verlustfrei übertragen werden.

Mit den triaxialen Beschleunigungssensoren CS-1611LN ist das gewährleistet, denn sie verfügen über einen Stromsignalausgang von 4 bis 20mA. Typische Eigenfrequenzen von Bauwerken und deren Komponenten sind oftmals im niedrigen Frequenzbereich <10Hz 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 SHM-System.

Beschleunigungssensoren auf Basis kapazitiver Technologie sind 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 mit kapazitiven Beschleunigungssensoren bestimmen.

Die Technologie ermöglicht die Messung von statischen (DC) und konstanten Beschleunigungen, wodurch die Geschwindigkeit und die Verschiebung von Komponenten zuverlässig erfasst wird. Die CS-Serie eignet sich daher ideal für den SHM-Einsatz, da die Beschleunigungssensoren ein sehr niedriges Breitbandrauschen (<0,2µA) über den genutzten Frequenzbereich von <100Hz und eine hohe Langzeitstabilität aufweisen sowie in uniaxialer, biaxialer oder triaxialer Ausführung erhältlich sind.

Analyse mit Echtzeit-Auswertung

"Die Beschleunigungssensoren arbeiten mit einer Datenrate von 100Hz, 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, deren Datenerfassungssysteme Daten aus zahlreichen unterschiedlichen Kanälen synchronisieren können und flexibel erweiterbar sind. Aufgezeichnet, analysiert und visualisiert werden die Daten mithilfe der Software Dewesoft X3.

Im Fall der Hongkong-Zhuhai-Macau-Brücke wertet das Datenerfassungssystem Siriusie-8xLV von Dewesoft die Messsignale aus. Das System ist mit einem Ethercat-LWL-Konverter ausgestattet, der eine niedrige Latenz aufweist und die Datenübertragung über Distanzen von mehreren Kilometern erlaubt. Das System 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 ist die 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 <1ms synchronisieren. Die von den Subsystemen erfassten Daten werden sowohl lokal als auch auf einem zentralen Server gespeichert.

Smarte Sensoren vereinfachen Monitoring

Die Inertialsensoren von ASC sind auch in einer smarten Ausführung erhältlich. Die 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 reduziert, da durch die integrierten Algorithmen eine Statusmeldung (z.B. Ampelprinzip) möglich ist.

Auch die Schadensentwicklungen lassen sich damit prognostizieren, wodurch frühzeitig Instandhaltungsbedarf erkannt wird und entsprechende Maßnahmen geplant werden können. 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 verschiedenster 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 gesamten Gebäudelebenszyklus hinweg genutzt werden und erlaubt es, Brücken bereits bei ihrer Planung gut an die topografischen und meteorologischen Verhältnisse an ihrem künftigen Standort anzupassen.

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