Digitale Bewertung der Eigenfrequenzen von Brücken mit mobilen Geräten

Für die Vereinfachung der Qualitätsüberwachung von Brücken soll ein einfach handhabbares Standalone Schwingungsmess- und Auswertesystem zur Analyse des Schwingverhaltens und damit verbundener Schädigungen entwickelt werden.

Steckbrief

  • Lead-Departement Architektur, Holz und Bau
  • Weitere Departemente Technik und Informatik
  • Institut Institut für Holzbau IHB
  • Forschungseinheit Fachgruppe Holztragwerke FGH
  • Förderorganisation BFH
  • Laufzeit 01.01.2021 - 03.11.2022
  • Projektverantwortung Prof. Dr. Steffen Franke
  • Projektleitung Prof. Dr. Steffen Franke
  • Schlüsselwörter Schwingungsmesssystem, Holzbrücken, Eigenfrequenz, Qualitätssicherung

Ausgangslage

Brücken sind unverzichtbar im Verkehrsraum und unterliegen einer überwiegend manuellen Qualitätsüberwachung. Digitale Hilfsmittel fehlen und sind nicht speziell auf den Werkstoff oder Zweck abgestimmt. Hier soll die Entwicklung eines Messsystems von Schwingungssensoren inkl. Online-Analyse zur Überwachung des Schwingungsverhaltens während der täglichen Nutzung unterstützen. Jedes Tragwerk schwingt durch natürliche Anregungen oder Benutzung in seiner Eigenfrequenz, die von der Masse und Steifigkeit abhängig ist. Tritt eine Schädigung auf, ändert sich die Steifigkeit und damit die Eigenfrequenz. Die stetige Erfassung kann für einen systematischen Erkenntnisgewinn nutzbar sein. Die ständig auftretenden Messdaten (Beschleunigungen, Schwingungen) müssen digital erfasst, gefiltert und analysiert werden, so dass Unterschiede im Schwingverhalten erkannt werden können. Im Holzbau liegen Kenntnisse zur reinen Schwingungsbewertung von Holzdecken vor. Die Applizierung auf Holzbrückentragwerke zur Zustands¬erfassung ist noch nicht bekannt. Für die Messung der Schwingung sind verschiedene Messmittel am Markt verfügbar. Deren technischer Einsatz ist u. a. zeitintensiv, komplex und fehleranfällig. Demgegenüber stehen einfach anwendbare Apps für das Smartphone, die aber in der Messdatenerfassung und Genauigkeit Nachteile haben. Der Konsens zwischen Handling und Genauigkeit ist das Ziel in der Entwicklung.

Vorgehen

Im Projekt wurden in einem ersten Schritt die Grundlagen zur Entwicklung eines Standalone Schwingungsmesssystems erarbeitet. Es wurde geprüft, welche Anforderungen an den Sensor bestehen, wie zum Beispiel die Messgrösse (Geschwindigkeit/Beschleunigung), die benötigte Genauigkeit und ob 1- oder 3-axiale Sensoren zum Einsatz kommen können. Insbesondere die Erfassung und Übertragung der Messdaten (Digitalisierung) mit möglichst geringem Energieverbrauch von Sensor und HUB wurde in die Entwicklung mit einbezogen. Anschliessend wurde das System angewendet und dabei sowohl die einfache Handhabung als auch die Genauigkeit geprüft. Hierzu wurde es mit verschiedenen bestehenden Messsystemen verglichen. Ausserdem wurde in Versuchen mit dem entwickelten System herausgearbeitet, welchen Einfluss verschiedene Schädigungen auf die Eigenfrequenz von Holzbauteilen haben und inwiefern diese mit dem neuen System detektierbar sind. Das Ergebnis sind Prototypen, die die Anforderungen erfüllen und in einer ersten Pilotmessung eingesetzt werden können.

Ergebnisse

Die Forschenden der AHB und TI entwickelten ein Standalone-Schwingungsmess¬system; einfach in der Handhabung, kabellos und batteriebetrieben (Laufzeit 0.5 Jahr). Der entwickelte Sensorknoten beinhaltet die 3-axiale Erfassung der Beschleunigungen und der Datenübertragung der Messdaten direkt an einen PC oder einen HUB. Die Rohdaten werden lokal gespeichert und an eine Zeitreihendatenbank gesendet. Der Hub steuert und überwacht die Sensorknoten. Als Alternative zum Hub kann mit einem Adapter und Notebook eine Zustandsaufnahme erstellt werden. Dazu wird die eigens entwickelte Software zur Steuerung der Sensorknoten und Visualisierung der Beschleunigungsdaten verwendet. Die Sensordaten können sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich dargestellt werden. So ist es möglich, die Eigenfrequenzen darzustellen. An der AHB wurden verschiedene experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die Auswirkungen von Schädigungen auf die Eigenfrequenz von Tragwerken zu quantifizieren und die Genauigkeit und Handhabung des entwickelten Messsystems zu prüfen. Die Untersuchungen zeigen, dass Frequenzen mit einer Genauigkeit von 0.05 Hz messbar sind und das Handling sehr einfach ist. Die umfassende Auswertung der Auswirkungen von Schädigungen auf die Eigenfrequenz von Tragwerken findet sich im Forschungsbericht.

Ausblick

Das erreichte Schwingungsmesssystem ist erfolgsversprechend für die Qualitätsüberwachung von Holztragwerken und Holzbrücken. In einem anschliessenden Folgeprojekt unter Einbezug von Wirtschaftspartnern, kann die Marktreife des Messsystems erreicht werden. Ferner können weitere Anwendungsgebiete auf andere Tragwerke oder Materialien geprüft werden. Begleitende langfristigere Aufzeichnungen an realen Bauwerken sind wichtig, um Schwankungen der Eigenfrequenz (Tag – Nacht; Jahreszeiten) unabhängig von Schädigungen kennen zu lernen. Mit diesem Wissen können Auffälligkeiten und Unregelmässigkeiten noch zuverlässiger detektiert werden. Alternativ kann das Schwingungsmesssystem im Rahmen von Dienstleistungen für das Monitoring von Holzbauwerken, insbesondere von Holzbrücken angeboten bzw. eine Direktvermarktung angestrebt werden.

Jedes Tragwerk schwingt durch natürliche Anregungen oder Benutzung in seiner Eigenfrequenz.
Jedes Tragwerk schwingt durch natürliche Anregungen oder Benutzung.
Der Sensor-Hub steuert und überwacht den Sensorknoten.
Der Sensor-Hub steuert und überwacht den Sensorknoten.