Fakultät Bauingenieurwesen, Institut für Baustoffe, Prof. Dr.-Ing. Viktor Mechtcherine Modul 4-21, WS Bauen im Bestand – Instandsetzungsmethoden und –baustoffe Teil 5: Monitoring Institut für Baustoffe Monitoring Definition Monitor (lat.): Aufseher, Erinnerer Monitoring: unmittelbare systematischen Erfassung, Beobachtung oder Überwachung eines Vorgangs. wiederholte (regelmäßige) Durchführung zeitliche Entwicklung von Bauwerkseigenschaften Ergebnisvergleich ermöglicht qualitative oder quantitative Schlussfolgerungen www.bam.de TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring www.bam.de www.bam.de -2- Monitoring Ziel Untersuchung und Bewertung von bestehenden Bauwerken hinsichtlich - Tragfähigkeit oder - Gebrauchstauglichkeit zeitgerechte Beurteilung von Instandhaltungsmaßnahmen hinsichtlich - Notwendigkeit, - Wirtschaftlichkeit oder - Wirksamkeit Methoden - diskret & in-situ (Bauwerksbeprobung zu festgelegten Zeiten) - kontinuierlich & in-situ (Installation von regelmäßig und häufig auszulesenden Sensoren am Bauwerk) - diskret & ex-situ (Beprobung von Vergleichsbauteilen) - kontinuierlich & ex-situ (Installation und Auslesen von Sensoren an Vergleichsbauteilen) TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring -3- Diskontinuierliche Messung (Beispiel) Längenänderung Gipsmarke über Riss Rissbreiten-Lineal • für Risse mit Tendenz zum Aufweiten • für Rissaufweitung und Rissbreitenverringerung • gute Genauigkeit • Messung mit Rissmaßstab / Risslupe subjektiver Fehler beim Messen • gute Genauigkeit • gute Reproduzierbarkeit durch feste Skale www.bam.de www.baulinks.de Gipsmarke über Riss TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring Rissbreiten-Lineal über Riss -4- Kontinuierliche Messung (Beispiel) Längenänderung Instrumentierung mit elektrischen Sensoren • hohe bis sehr hohe Genauigkeit • kein subjektiver Fehler www.mahr.de • quasi-kontinuierliche Auslesung Messuhr Induktiver Wegaufnehmer Extensometer www.asm.de Wegband-Sensor TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring -5- Kontinuierliche Messung – Methoden Längenänderung Digitale Messuhr • Inkrementelle Messung an Glasmaßstab (optisch) • Auflösung 1 µm • Reproduzierbarkeit 3 µm • hohe Langzeitstabilität (keine Drift) • Temperatureinfluss (Glasdehnung) www. wikipedia.org Schema einer Abtasteinheit mit Glasmaßstab: 1-Lichtquelle (LED), 2-optischer Kondensator, 3-Abtastplatte, 4-Glasmaßstab, 5-Photoelemente TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring www. mahr.de • z.B. USB-Anschluss -6- Kontinuierliche Messung – Methoden Längenänderung Induktiver Wegaufnehmer • Veränderung der induktiven Kopplung mehrer Spulen • Auflösung theoretisch unbegrenzt • Hysterese bei Richtungsumkehr (materialabhängig) • gute Langzeitstabilität (geringe Drift) • Temperatureinfluss • Anschluss am Messverstärker (Trägerfrequenz i.d.R. 5 kHz) primary winding ferro magnetic core ferro magnetic core secondary coils Messprinzip Transformator (LVDT) Messprinzip gekoppelte Spulen TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring -7- Kontinuierliche Messung – Methoden Längenänderung Extensometer • Dehnungsänderung einer Federzunge Dehnmessstreifen (DMS) • Auflösung theoretisch unbegrenzt • Hysterese bei Richtungsumkehr • hinreichende Langzeitstabilität (Drift durch Relaxation Federzunge, Kleber, DMS) www. hbm.de • Temperatureinfluss (Federzunge, Kleber, DMS) • Anschluss am Messverstärker (Gleichspannung oder Trägerfrequenz) www. hbm.de Messgitter eines Dehnmessstreifen TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring Wheatstone - Brückenschaltung -8- Kontinuierliche Messung – Methoden Längenänderung Wegseilsensor / Linearsensor • inkrementelle Messung (optisch, magnetisch) • Auflösung systemabhängig • sehr hohe Langzeitstabilität (keine Drift) • geringer Temperatureinfluss (Temperaturdehnungen) www. usinenovelle.com www. asm.de inkrementelle magnetische Positionsmessung TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring -9- Kontinuierliche Messung – Methoden www. hbm.de Dehnung Dehnmessstreifen • Widerstandsänderung • Auflösung theoretisch unbegrenzt • Hysterese bei Richtungsumkehr • hinreichende Langzeitstabilität (Drift durch Relaxation Kleber, Trägerfolie, Widerstandsdraht) • Temperatureinfluss (Kleber, Trägerfolie, Widerstandsdraht) • Anschluss am Messverstärker (Gleichspannung oder Trägerfrequenz) www. hbm.de Messgitter eines Dehnmessstreifen TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring Wheatstone - Brückenschaltung - 10 - www. prozesstechnik-online.de Kontinuierliche Messung – Methoden Dehnung Faser-Bragg-Sensoren • optische Interferenzfilterung an einem in eine Glasfaser eingeschriebenem Gitter • Reflektion von Licht am Gitter, Auswertung der Änderung der reflektierten Lichtfrequenz (proportional Gitterdehnung) • Auflösung theoretisch unbegrenzt • sehr gute Langzeitstabilität www. tu-dortmund.de • ausgeprägter Temperatureinfluss • mechanische empfindlich! www. hbm.de Faser-Bragg-Sensor auf Trägerfolie Messprinzip am Faser-Bragg-Sensor TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 11 - Kontinuierliche Messung – Methoden Feuchtigkeit Multi-Ring-Elektrode • Messung Elektrolytwiderstandes stationäre Ionenkonzentration! für vertrauenswürdige Messung ! • starke Temperaturabhängigkeit www.ibac.rwth-aachen.de TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 12 - Kontinuierliche Messung – Methoden Feuchtigkeit Kapazitiver Feuchtesensor www. hygrosens.com • Änderung der Kapazität eines Kondensators mit hygroskopischem Dielektrikum • Dielektizitätskonstante = f (Feuchte) www. wikipedia.org • Messschaltung: Multivibrator mit Verstimmung durch kapazitiven Feuchtesensor Funktionsschema kapazitiver Feuchtesensor verschiedene Bauformen kapazitiver Feuchtesensoren TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 13 - Kontinuierliche Messung – Methoden pH-Wert Glaselektrode • Messung des elektrischen Potentials zwischen Glas- und Referenzelektrode • Kalibrierung in Lösungen mit bekanntem pH-Wert • begrenzte Lebensdauer des Sensors www. hamilton-messtechnik.de • Erfassung der der Wasserstoffionenaktivität Einstabmesskette aus Referenz- und Glaselektrode TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 14 - Kontinuierliche Messung – Methoden pH-Wert Faseroptische Chemosensoren • Einsatz pH-sensitiver Indikatoren (Farbindikator, Fluoreszenzindikator) • spektrale Eigenschaften abhängig von Protonierungsgrad • geringe Bandbreite (ca. 3 pH-Einheiten) • begrenzte Lebensdauer des Sensors Flachsbarth et al. 2004 Flachsbarth et al. 2004 • Aufwändige optische Messkette Schema optischer Chemosensor Abhängigkeit Fluoreszenzintensität vs. pH-Wert TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 15 - Kontinuierliche Messung – Methoden Potential Referenzelektroden • Betonstahl im Beton Anode • Referenzelektrode (Edelstahl, Titan, ...) Kathode • nach Depassivierung Betonstahl galvanisches Element • Potentialwert bei Beginn der anodischen Eisenauflösung abhängig von Kathodentyp • Strom- und Potentialverteilung in komplexen Bauteilgeometrien schwer einzuschätzen numerische Vorhersagemodelle für Strom und Potential auf Basis FE-Methode • Temperaturabhängigkeit der Messung! www. wikipedia.org Elektrochemische Stahlkorrosion TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring Prinzip der Potentialmessung - 16 - Kontinuierliche Messung – Methoden Korrosionsgeschwindigkeit LPR-Sensor (LPR- Linearer Polarisationswiderstand) • Messung des Polarisationswiderstandes • Betonstahl(oberfläche) Elektrode 1 • Edelmetall mit bekannter, großer Oberfläche Elektrode 2 • Polarisationswiderstand hängt von Stromdichte ab • Stromdichte ist Funktion der Oberfläche der Elektroden • Veränderung der Stromdichte Veränderung der Betonstahloberfläche Korrosion • Art der Korrosion kann abgeschätzt werden (Flächen- oder Lochkorrosion) TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 17 - Kontinuierliche Messung – Methoden Zeit bis Korrosionsbeginn Makroelement-Leitern • Bestimmung des Zeitpunktes der Depassivierung (am Betonstahl) • günstig: konstant zunehmende Abstände der Sensoren (Bewehrungsstahlstücke) von Bauteiloberfläche • Potentialmessungen (1 … 2/Jahr genügt i.d.R) • Extrapolation der Depassivierungsfortschrittskurve bis zum Betonstahl möglich www.ibac.rwth-aachen.de Messprinzip für Depassivierungsfortschritt TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring Anodenleiter (vor Betonage) - 18 - Monitoring des SYSTEMS GRÖTZ BSO/MK 1.0 Spannung [N/mm²] 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Zeit t -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 Schotterschüttung -1.0 TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 19 - Monitoring des SYSTEMS GRÖTZ BSO/MK Temperaturverteilung Temperaturfühler Temperaturfühler Feuchteverteilung Multi-Ring-Elektrode Dehnung infolge mechan. Belastung Dehnmessstreifen (DMS) Spannungsmesser für Eigen- und Zwangsspannungen Dehnmess streifen Zuganker Stahlrohr + Gleitfuge Beton umgebender Beton TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 20 - Kabelloses und kabelgebundenes Monitoring Dauerüberwachung: Structural Health Monitoring • • • • • • Prof. Ch. Große TU München Möglichkeit der Ferndiagnose und Fernwartung Einfache Installation und Handhabung Einfaches Umsetzen von Sensoren (Flexibilität) Verwendung von Sensoren der Mikrosystemtechnik (MEMS) Nutzung von modernen Auswerteverfahren (Arraytechnik) Kosten pro Mote (Sensorknoten) mit MEMS 100-500 € Anforderungen: • einfache, handliche Installation; • benutzerfreundlich, anwendbar durch technisches Personal, • integrierte Datenanalyse und -interpretation (automatisiert); • stabiles Langzeitverhalten; • minimalinvasive Installation: Miniaturisierung, Ästhetik (bei Kunstobjekten, Denkmalen etc.); • offen für verschiedene Sensorplattformen (Multi-Sensor-Plattform); • preiswert. TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 21 - Kabellose Sensorik: Konzept Prof. Ch. Große TU München Anforderungen an Dauerüberwachung: Zuverlässigkeit (Datenaufzeichnung) Sicherheit (Datenübertragung) Robustheit (Ausfallsicherheit) Lebensdauer (Stromversorgung) Installationsaufwand und -kosten; Betriebskosten Eigenschaften: • Kostengünstig (preiswerte Sensorik - MEMS) • Programmierbare Sensorknoten (“motes”) • Einfache flexible Inbetriebnahme/Konfiguration (Selbstkonfiguration) • Selbstkalibrierung • Drahtlose Multi-hop-Datenübertragung TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 22 - Beispiele für MEMS-Sensoren Beschleunigung (Si-Flex SF1500L) Beschleunigung (Ereignisdetektion); (Bosch SMB380) Neigung (VTI SCA830-D07) Luftgeschwindigkeitsmesser (Hot wire) Sonnenstrahlungsdichte (Pyranometer SP-212) UV-B Sensor (Genicom GUVA-T10GD) Prof. Ch. Große TU München TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 23 - Dauerüberwachungskonzepte Prof. Ch. Große TU München Methode der Datenanalyse hängt ab von der Art der Daten Quasistatische Daten Temperatur, Dehnungen, Feuchte, Lichtintensität Tragen wenig zur Energiebilanz bei (kritisch sind dynamische Daten) Dynamische Daten Schwingungsanalyse Ultraschall Schallemissionsanalyse Detektion und Lokalisierung von Schäden SEA ist direkt mit dynamischen Lasten verknüpft (Bruchprozesse) TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 24 - Sensorkombinationen: warum? Prof. Ch. Große TU München • Robustheit der Interpretation (Kombination z.B. von Temperatur, Dehnung und Schallemissionsaktivität) • Zuverlässige Extraktion relevanter Daten; Daten-Kluster-Analyse • Adaptive Genauigkeit Dehnung ! Temperatur [Anderegg et al. 1999] TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 25 - Sensorknoten vs. Telemetriesysteme Telemetrische Systeme: Prof. Ch. Große TU München • Übertragung aller Daten (auch noise) • Pro: Keine Datenvorverarbeitung oder Datenkomprimierung notwendig • Contra: große Datenmengen müssen übertragen werden; Energieverbrauch Sensorknoten: • Kontrollierte Datenübertragung “aussagekräftiger” Daten (z.B. durch Vorverarbeitung) • Pro: Reduzierung des Energieverbrauchs und der Datenmenge • Contra: Algorithmen für zuverlässige Datenkompression; möglicher Verlust von Informationen; Anzahl “ähnlicher” Konstruktionen ist gering lernende Algorithmen (KI, Mustererkennung, neuronale Netze) TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 26 - Anwendungen beim Brückenmonitoring Prof. Ch. Große TU München Anforderungen: • • • Dauerüberwachung zur Schadenswarnung (kein Falschalarm!) Robust & zuverlässig Flexibel und preiswerte Techniken (kabellos) Zusammenarbeit mit: Registrierung physikalischer Messgrößen: •Eigenschwingungen •Dehnungen •Temperatur + Feuchte TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 27 - Bauwerksdiagnose und -überwachung Prof. H. Budelmann Monitoring-Beispiele: Herrenbrücke Lübeck (BJ 1962) Messstellenplan Randträger 1 (Ost): TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – EIPOS-Kurs “Sachkundiger Planer für Betonerhaltung” 2013 - 28 - Bauwerksdiagnose und -überwachung Prof. H. Budelmann Monitoring-Beispiele: weitere Betonbrücken (Bestand) a) Spannbetonbrücke Bad Gandersheim Überwachung Rissbildung Alarmauslösung bei Einsturzgefahr tägliche Statusmeldung Untersicht Messkette TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – EIPOS-Kurs “Sachkundiger Planer für Betonerhaltung” 2013 - 29 - Bauwerksdiagnose und -überwachung Prof. H. Budelmann Monitoring-Beispiele: Betonbrücken (Bestand) b) Spannbetonbrücke A23 Durchbiegungsüberwachung Temperatur Alarmauslösung Wegaufnehmer im Schutzrohr Steg 1 (Süd) Steg 2 (Nord) T11 Süd T5 (T12),T4 Solarpanel T3 T1 T9, (T13) Nord T8 T2 OK westl. Schiene T10 T7 WA 1 (Wegaufnehmer) Betonsockel T6 WA 2 Betonsockel TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – EIPOS-Kurs “Sachkundiger Planer für Betonerhaltung” 2013 - 30 - Bauwerksdiagnose und -überwachung Prof. H. Budelmann Monitoring-Beispiele: Brücken (Neubau): dynam. Mess. a) Talbrü Talbrücke Reichenbach (A71) DMS TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – EIPOS-Kurs “Sachkundiger Planer für Betonerhaltung” 2013 - 31 - Bauwerksdiagnose und -überwachung Prof. H. Budelmann Monitoring-Beispiele: Brücken (Neubau): dynam. Mess. b) Talbrücke Albrechtsgraben (A71) DMS Zuggurt Anker TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – EIPOS-Kurs “Sachkundiger Planer für Betonerhaltung” 2013 Seite 32 - 32 - Bauwerksdiagnose und -überwachung Prof. H. Budelmann Monitoring-Beispiele: Schleusenbauwerke Schleuse Heidelberg hier: Temperatur-, Dehnungs- und Spannungsmessungen Dehnungssaufnehmer iBMB/MPAiBMB/MPASpannungsaufnehmer Temp . TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – EIPOS-Kurs “Sachkundiger Planer für Betonerhaltung” 2013 Seite 33 - 33 - iBMB/MPA-Messverfahren & Sensorik Prof. H. Budelmann Messparameter Messprinzip / Verfahren Stand, Potential Stahlspannung, Querschnittsabtrag Magnetoelastische Methode (Spulensensor) abgeschlossen, Praxiseinsatz +++ Bewehrungskorrosion Drahtsensoren in Spannstahlumgebung abgeschlossen, SensorPraxiseinsatz draht +++ Spannstahlkorrosion Reflektometrische Spektroskopie – HF-Reflexionsmessung abgeschlossen (Labor) Prinzipbild −− Spannstahlbruch Elektromagnetische abgeschlossen Resonanzmessung – Praxiserprobung + HF-Reflexionsmessung Spannstahlbruch HochfrequenzFeldstärkemessungen Forschung ++ Legende: −− praxisungeeignet (restriktiv), + eingeschränkt praxisgeeignet, ++ prinzipiell geeignet, +++ bestens geeignet (großes Anwendungspotential) TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – EIPOS-Kurs “Sachkundiger Planer für Betonerhaltung” 2013 Seite 34 - 34 - Zusammenfassung und Ausblick ZfP- und SHM-Methoden haben viele Anwendungsmöglichkeiten Komplexe Konstruktionen und Schadensbilder erfordern komplexe ZfP-Techniken • Kombination verschiedener ZfP-Verfahren • Kombination von Messdaten und Simulation Wirtschaftlichkeit (kosteneffiziente Techniken; Automatisierung) Woran wird gearbeitet? •Begleitung von Bauwerken „von der Wiege zur Bahre“ •Speicherung von ZfP-Daten im Bauwerk (RFID) •Kombination von ZfP und SHM • SHM ohne ZfP (Bestandsaufnahme): unmöglich • ZfP ohne SHM-Konzept: ineffizient Performance assessment + Lebensdauerprognose Prof. Ch. Große TU Dresden, Prof. Viktor Mechtcherine – Vorlesung BIB - Monitoring - 35 -
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