Optimale Sensorplatzierung: Methoden der optimalen Sensorplatzierung in der vibrationsbasierten Brückenüberwachung

Textprobe:

Kapitel 1, Einleitung:

"Deutschlands Brücken vor dem Kollaps", so der Titel eines Artikels, den die Tageszeitung Die Welt im Juni 2013 veröffentlichte. Von den etwa 150.000 Brücken in Deutschland seien, so die Autoren, viele strukturell schwach und reparaturbedürftig. Der schlechte Zustand der Brücken habe hauptsächlich zwei Ursachen: Zum einen das steigende durchschnittliche Alter der Konstruktionen, zum anderen die unerwartet hohen Lasten durch das erhöhte Verkehrsaufkommen der letzten Jahrzehnte [Krüger & Große 2009, S. 9].
Nicht nur im Brückenbau, sondern auch für andere Bauwerke gilt, dass das Versagensrisiko steigt, je schlechter der bauliche Zustand ist. Die Öffentlichkeit reagiert auf solches Versagen mit Empörung, insbesondere dann, wenn dies, wie etwa beim Einsturz der Eissporthalle in Bad Reichenhall im Januar 2006, den Verlust von Menschenleben nach sich zieht. Daran lässt sich leicht erkennen, wie hoch die Anforderungen der Bevölkerung in Deutschland an die Sicherheit von Bauwerken sind.
Problemstellung und Zielsetzung:

Um das Versagen von Brückenbauwerken zu verhindern, sind in Deutschland regelmäßige Prüfungen gemäß der DIN 1076 vorgeschrieben. Diese sind, je nach Zustand und Alter der Brücke, in unterschiedlichen zeitlichen Abständen und Prüfungsintensitäten vorgesehen. Des Weiteren können nach Unfällen oder besonderen Schadensereignissen, wie etwa nach einem Hochwasser, gesonderte Prüfungen angeordnet werden [Krüger & Große 2009, S. 10].
Während dieser Prüfungen kommen in der Regel die Methoden der zerstörungsfreien Prüfung zum Einsatz. Diese ermöglichen, wie etwa die Schallemissionsanalyse, Aufschluss über den Zustand besonders schadensanfälliger Konstruktionsteile zu erhalten. Solche Prüfungen sind sowohl zeit- als auch personalintensiv und verursachen damit hohe Kosten für die Betreiber. Des Weiteren können Inspektionen lediglich punktuelle Informationen über den Zustand des Bauwerks liefern.
In den letzten Jahren wurden daher zunehmend Methoden entwickelt, die die kontinuierliche Überwachung des Zustandes von Bauwerken, also das Structural Health Monitoring (SHM), ermöglichen. Dadurch wird die Voraussetzung geschaffen für einen Wechsel von der derzeit angewandten Prüfmethodik, die auf Zeitintervallen basiert, hin zu einer leistungsbasierten Philosophie, die nur dann Inspektionen durchführt, wenn die Erkenntnisse der kontinuierlichen Überwachung dazu Anlass geben. Dies ermöglicht eine Verringerung der benötigten Vor-Ort Inspektionen und damit verbunden die Reduktion des personellen, zeitlichen und monetären Aufwandes.
Die vom SHM genutzten Mittel greifen in der Regel auf Methoden zurück, die die Veränderung der dynamischen Eigenschaften eines Bauwerks beobachten. Aufgrund des Vergleichs des ursprünglichen mit dem nach einem entstandenen Schaden gemessenen Verhaltens, lassen diese Methoden Rückschlüsse auf potentielle Schäden zu. Diese Beobachtung setzt gleichzeitige, dauerhafte Messungen von untereinander verbundenen Sensoren an einer Vielzahl verschiedener Punkte voraus, deren gesammelte Daten schließlich zentral ausgewertet werden. Zwei Entwicklungen zeichnen sich in diesem Zusammenhang ab:
Zum einen werden die Anzahl und die Position der Sensoren bisher eher nach "Gefühl" beziehungsweise Ingenieursverstand gewählt. Der Einsatz algorithmischer Verfahren verspricht, dieses Vorgehen zu standardisieren bzw. zu optimieren.
Zum anderen werden die für die Verbindung der Sensoren untereinander üblicherweise genutzten Kabel zunehmend durch drahtlose Kommunikation ersetzt.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, ausgehend von den beiden genannten Punkten, ein kombiniertes Verfahren für den Einsatz von Mitteln der optimalen Sensorplatzierung (OSP) in Verbindung mit drahtlosen Sensornetzen zu erarbeiten.
Aufbau der Arbeit:

In Kapitel 2 werden zunächst die Grundlagen des Structural Health Monitoring erarbeitet. Im Anschluss daran folgt die Darstellung der Theorie der optimalen drahtlosen Sensorplatzierung. Dafür wird in Kapitel 3 auf die grundlegende Theorie der vibrationsbasierten Bauwerksüberwachung eingegangen, in Kapitel 4 folgen dann Erläuterungen zu drahtlosen Sensornetzen sowie in Kapitel 5 zu den Methoden der Algorithmik.
Der Kern der vorliegenden Arbeit beginnt mit Kapitel 6. Hier werden ausgiebig die Kriterien sowie iterative und optimierungsbasierte Methoden zur optimalen Sensorplatzierung vorgestellt. Auf dieser Basis werden einige der zuvor behandelten Methoden in Kapitel 7 anhand zweier Brückenprojekte dargestellt: Der Wilford Suspension Bridge in Nottingham, Großbritannien sowie die Xinghai Bay Bridge in Dalian, China.
In Kapitel 8 folgt darauf aufbauend die Vorstellung eines selbstentwickelten, integrativen Algorithmus, der die Prinzipien und Einschränkungen der drahtlosen Sensornetze mit den Methoden der optimalen Sensorplatzierung vereinen soll. Kapitel 9 und 10 schließen die Arbeit mit einem Fazit und eigenen Schlussfolgerungen des Autors ab.
2, Structural Health Monitoring:

Unter Structural Health Monitoring (SHM) versteht man die Implementierung eines Systems zur Überwachung von Bauwerken mit dem Ziel, sich entwickelnde Schäden frühzeitig erkennen zu können [Wenzel 2009, S. 1]. "The information obtained from monitoring is used to plan and design maintenance activities, increase safety, verify hypotheses, reduce uncertainty, and widen the knowledge concerning the structure being monitored" [Glisic 2012, S. 1]. Im Gegensatz zu den üblichen Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, die in der Regel nur manuell und punktuell zum Einsatz kommen, können SHM-Systeme also automatisiert und kontinuierlich Daten über die Entwicklung der Schäden an einem Bauwerkes geben und das Wissen um dessen Zustand verbessern.
Hierbei sind Implementierungen denkbar, die an einer bestimmten Struktur über einen relativ kurzen Zeitraum hinweg eingesetzt werden, beispielsweise um das berechnete Last-/Verformungsverhalten an der realisierten Struktur zu validieren oder um die durch temporäre und unplanmäßige Einwirkungen entstehende Belastung auf ein Bauwerk zu erfassen. Bestehen Bedenken im Hinblick auf die dauerhafte Sicherheit, können gegebenenfalls auch Systeme eingesetzt werden, die eine kontinuierliche Überwachung gewährleisten. Solche Sicherheitsbedenken können beispielsweise nicht erkannte Spannstahlbrüche oder Verkehrsunfälle sein [Krüger & Große 2009, S. 14].
Schäden werden im Bereich des SHM als Veränderungen der materiellen und/oder geometrischen Eigenschaften eines Systems definiert, die dessen aktuelle oder zukünftige Leistungsfähigkeit negativ beeinträchtigen können [Worden et al. 2007, S. 1639]. Noch detaillierter kann der Begriff des Schadens auf Basis der betrachteten Größenordnung differenziert werden: Fehler auf der Ebene der materiellen Struktur werden demnach als Defekt bzw. Mangel (defect/flaw) bezeichnet. Weiten sich diese aus, entstehen zunächst Schäden an Komponenten, aus welchen sich dann Schäden des gesamten Systems entwickeln können [Farrar & Worden 2006, S. 304].
Die grundlegende Aufgabe von SHM ist es also, "(.) to give, at every moment during the life of a structure, a diagnosis of the 'state' of the constituent materials, of the different parts, and of the full assembly of these parts constituting the structure as a whole" [Balageas 2007, S. 13]. Erweitert man diese dauerhafte Erfassung des Zustandes eines Bauwerks um die Beobachtung und Prognose von dessen Nutzung bzw. Belastung, lassen sich auch Aussagen über die Entwicklung von Schäden oder sogar die Restnutzungsdauer des Bauwerks treffen [ebd.].
Die Fähigkeit von Systemen des SHM lassen sich gemäß Rytter [1993] in mehrere Level aufteilen. Jedes der Level setzt das Vorhandensein der Schadenserkennungsfähigkeiten der ihm untergeordneten Level voraus.