Wie Structural Health Monitoring (SHM) zum Schutz der Infrastruktur beiträgt

Der Klimawandel führt zu Wetterextremen wie Temperaturschwankungen, Starkregen und starkem Wind, so dass die Wahrscheinlichkeit steigt, dass wertvolle Infrastrukturen an ihre Grenzen stoßen. Obwohl alternde Brücken besonders anfällig für strukturellen Verfall sind, kann Structural Health Monitoring (SHM) auch zum Schutz von Bauwerken aller Art beitragen – von Windkraftanlagen bis hin zu historischen Denkmälern. Geeignete Sensoren zur Messung von Parametern wie der Beschleunigung sind unerlässlich, um Daten zu sammeln, die Aufschluss über den tatsächlichen Zustand eines Bauwerks geben.

Genau diese Lösung wurde für die Brücke über den Großen Belt ("Storebæltsbroen") in Dänemark gewählt. Der als Ostbrücke bekannte Abschnitt ist eine der längsten Hängebrücken der Welt, mit einer freien Spannweite von 1.624 Metern und zwei Pylonen, die 254 Meter hoch sind. Dank ihrer lichten Höhe von 65 Metern ist die Ostbrücke ("Østbroen") gerade hoch genug, damit die aktuell größten Kreuzfahrtschiffe unter ihr hindurchfahren können.

SHM mit speziellen Sensoren zur Messung niedriger Frequenzen

Wie ist es möglich, die strukturelle Integrität eines so großen Objekts zu überwachen? Und was waren die Herausforderungen? Erik Nielsen, Vertriebsingenieur bei Kistler, erzählt die Geschichte:

„Wir haben damals zwei Messsysteme für das Structural Health Monitoring installiert: ein System zur Messung der Eigenfrequenz der vertikalen Tragseile und ein weiteres im Inneren des Hauptspannwerks. Sowohl die Frequenzen als auch die g-Kräfte sind hier sehr niedrig, so dass die größte Herausforderung darin bestand, die Signale von anderen Schwingungen zu isolieren – z.B. von denen der Fahrzeuge, die die Brücke überqueren.“

Erik Nielsen, Vertriebsingenieur bei Kistler

Die Lösung von Kistler erfüllte diese Anforderungen durch die Kombination spezieller niederfrequenter K-Beam-Beschleunigungssensoren mit Tiefpassfiltern, um Frequenzen von 1 Hz innerhalb der Brücke und 10 Hz an den Tragseilen abzudecken. Zur weiteren Isolierung der Signale von verkehrsbedingten Schwingungen wurden mechanische Dämpfer für die in der Hauptspannweite integrierten Sensoren hinzugefügt. Nielsen weiter: „Anwendungen zur Zustandsüberwachung sowie SHM-Lösungen erfordern im Allgemeinen einen starken Fokus auf die Signalaufbereitung. Um wertvolle Daten zu gewinnen, braucht man nicht nur die richtigen Sensoren, sondern muss auch die gesamte Messkette optimieren, nicht nur in Bezug auf Signalqualität und -übertragung, sondern auch bei der Datenerfassung und -auswertung.“

Robustheit und Signalaufbereitung entscheidend für Structural Health Monitoring

Um den rauen Witterungsbedingungen am Großen Belt standzuhalten, wurden die Sensoren, Filter und Sender in ein spezielles glasfaserverstärktes Gehäuse eingebaut (siehe Bild). „Diese extrem robusten Gehäuse sind auch nach 25 Jahren noch in gutem Zustand“, fügt Nielsen hinzu. Die Übertragung der Signale an das Datenerfassungssystem im Kontrollzentrum erfordert eine Umwandlung in ein Stromsignal (4-20 mA). „Einige der Sensoren benötigten Kabellängen von über 800 Metern, so dass wir spezielle, rauscharme Kabel und eine ausgeklügelte Elektronik verwenden mussten. Die gesamte Kabellänge für diese Installation beträgt sogar mehr als fünf Kilometer!“

Die Messergebnisse geben Aufschluss über das strukturelle Verhalten der Brücke. Das System der vertikalen Tragseile, die das Stahlseil für die Hauptspannweite tragen, ähnelt einer riesigen Harfe. Nielsen fasst zusammen: „Das Wichtigste ist, dass der Wind auf diesen ‚Saiten` keine Melodie spielt. Um dies zu erreichen, wurde die Brückenkonstruktion gleich zu Beginn des Projekts geändert. Veränderungen der Eigenfrequenz und des Schwingungsverhaltens können auch auf einen Verfall der Brückenkonstruktion und den Verlust ihrer strukturellen Integrität hinweisen.“

Komplettlösungen für SHM vom Sensor bis zur Software

In den 25 Jahren, die seit der Installation der Sensortechnologie auf der Brücke über den Großen Belt vergangen sind, hat Kistler Brücken auf der ganzen Welt mit Lösungen für die Zustandsüberwachung und Structural Health Monitoring ausgestattet. Der Einsatzbereich dieser Technologie beschränkt sich aber nicht nur auf Brücken, sondern kann auch zum Schutz von Gebäuden und Bauwerken vieler anderer Arten beitragen. Typische Anwendungen sind Kraftwerke, Windkraftanlagen und historische Gebäude. Als Gesamtlösungsanbieter bietet die Kistler Gruppe heute schlüsselfertige SHM-Systeme von der Sensorik über Signalkonditionierung und Messwerterfassung bis hin zu Software und automatisiertem Reporting. Darüber hinaus bietet Kistler einen umfassenden Service für seine Produkte an, von der Konzeption über die Inbetriebnahme vor Ort bis zu einem 24/7-Betriebs- und Wartungsservice.

Im Kloster Hosios Loukas in Mittelgriechenland überwacht ein Structural-Health-Monitoring-System von Kistler kontinuierlich die Integrität der alten Gebäude. Diese Region ist häufig Mikrobeben ausgesetzt, die an der Oberfläche nicht wahrnehmbar sind und die Struktur unbemerkt schwächen können. Die K-Beam-Beschleunigungsmesser erfassen präzise jede Veränderung des baulichen Zustands der Gebäude. Die Signale werden an das Datenerfassungssystem KiDAQ (ebenfalls von Kistler) übertragen, das den Datenaustausch mit Athen ermöglicht. Dank dieser Lösung gewährleistet das 24/7-Echtzeitüberwachungssystem – einschließlich automatischer Berichterstattung – eine rechtzeitige Benachrichtigung, falls Eingriffe zur Erhaltung der historischen Gebäude erforderlich sind.