Verformungen und Verschiebungen
Zeitliche Veränderungen von Form und Position der Tragwerkselemente.
Technischer Leitfaden · Übersichtsseite
Strukturüberwachung und SHM: Systeme, Sensoren und Dateninterpretation
Das Verhalten von Bauwerken und Infrastrukturen über die Zeit beobachten, um Messungen, Veränderungen und Schwingungen in entscheidungsrelevante Informationen zu verwandeln.
Strukturüberwachung ist kein einzelnes Prüfverfahren: Sie ist ein organisiertes System zur Beobachtung des Verhaltens eines Bauwerks über die Zeit mithilfe von Sensoren, Datenerfassung, Verarbeitung und Interpretation. Anders als eine punktuelle diagnostische Untersuchung, die einen Zustand festhält, erstellt die Überwachung eine Zeitreihe.
„Eine diagnostische Untersuchung hält einen Zustand fest. Die Überwachung erstellt eine Zeitreihe und ermöglicht es, Entwicklung, Veränderungen und Reaktion des Bauwerks zu beobachten.“
Warum ein Bauwerk überwachen?
Viele Fragen des Bauwerksmanagements lassen sich nicht durch eine einzelne Inspektion beantworten: Ist ein Riss stabil oder entwickelt er sich weiter? Wie reagiert eine Fahrbahnplatte auf den Verkehr? Wie verändert sich das Verhalten eines historischen Gebäudes im Laufe der Zeit?
Die Strukturüberwachung (SHM — Structural Health Monitoring) beantwortet diese Fragen, indem sie aussagekräftige Größen kontinuierlich oder wiederholt beobachtet und Messungen in interpretierbare Informationen umwandelt.
- Die Entwicklung eines beobachteten Phänomens überprüfen
- Die Reaktion des Bauwerks auf Lasten und Betriebsbedingungen kontrollieren
- Instandhaltungs- und Managemententscheidungen unterstützen
- Das dynamische Verhalten des Bauwerks charakterisieren
Bauwerk
Zu beobachtende Größe
Sensoren
Datenerfassung
Analyse
Interpretation
Entscheidung
Was kann überwacht werden?
Die zu beobachtenden Größen werden anhand der Fragestellung ausgewählt: Überwacht wird nicht „alles“, sondern das, was für die Entscheidung relevant ist.
Risse
Rissöffnung und Rissentwicklung, erfasst mit Dehnungs- und Rissmessgeräten.
Neigungen und Verdrehungen
Verdrehungen von Bauteilen und Auflagern, kontrolliert mit Klinometern und Inklinometern.
Schwingungen und dynamische Reaktion
Beschleunigungen, Eigenfrequenzen und Eigenformen des Bauwerks.
Umgebungsparameter
Bei Bedarf Umgebungsgrößen, die zur korrekten Interpretation der Bauwerksdaten beitragen.
Weitere Bauwerksgrößen
Zusätzliche Parameter, die anhand der spezifischen Überwachungsfrage festgelegt werden.
Statische und dynamische Überwachung
Die Wahl zwischen statischer und dynamischer Beobachtung hängt von der diagnostischen und betrieblichen Fragestellung ab: Sie verfolgen unterschiedliche Phänomene und verwenden unterschiedliche Sensoren.
Statisch
Langsame zeitliche Entwicklung
Verfolgt langsam ablaufende Phänomene: Verformungen, Verschiebungen, Verdrehungen und Rissöffnung. Verwendet Sensoren wie Klinometer, Dehnungs- und Rissmessgeräte mit zeitlich verteilten Messungen.
VerformungenVerschiebungenVerdrehungenRisse
Dynamisch
Reaktion auf Schwingungen
Beobachtet, wie das Bauwerk schwingt: Beschleunigungen, Eigenfrequenzen und Eigenformen. Verwendet Beschleunigungssensoren und ermöglicht die Identifikation der dynamischen Reaktion des Bauwerks.
SchwingungenBeschleunigungenEigenfrequenzenEigenformen
Vom Sensor zu den Daten: Wie ein Überwachungssystem entsteht
Ein wirksames Überwachungssystem beginnt mit der Fragestellung, nicht mit der verfügbaren Messtechnik.
01
Zieldefinition
Die betriebliche oder diagnostische Frage, die die Überwachung beantworten soll.
02
Auswahl der Messgrößen
Identifikation der für das Ziel tatsächlich relevanten Parameter.
03
Auswahl der Sensoren
Sensorik, die zu den Messgrößen, dem Bauwerk und den Betriebsbedingungen passt.
04
Installation
Einbau und Konfiguration des Datenerfassungssystems.
05
Datenerfassung und Datenmanagement
Erfassung und Kontrolle der Messungen über die Zeit.
06
Verarbeitung und Interpretation
Analyse der Zeitreihen und technische Auswertung der Ergebnisse.
07
Ergebnisbereitstellung
Berichte, Unterlagen und mit dem Kunden definierte Aufmerksamkeitsschwellen.
Dynamische Identifikation
Modalanalyse und dynamische Identifikation
Jedes Bauwerk schwingt auf charakteristische Weise: Eigenfrequenzen und Eigenformen beschreiben sein dynamisches Verhalten. Die Modalanalyse ermöglicht ihre Identifikation anhand gemessener Schwingungen, auch unter Betriebsbedingungen (OMA — Operational Modal Analysis, mit Verfahren wie OMA-SSI).
Die identifizierten Parameter können mit einem numerischen Modell (FEM) verglichen werden, um es zu kalibrieren, oder über die Zeit verfolgt werden, um Veränderungen des dynamischen Verhaltens zu beobachten.
- Eigenfrequenzen des Bauwerks
- Eigenformen und Dämpfungen
- Dynamische Identifikation unter Betriebsbedingungen (OMA-SSI)
- Vergleich und Kalibrierung mit numerischen Modellen, sofern relevant
Fallbeispiele und Anwendungen
Reale Beispiele unterschiedlicher Fragen, die die Überwachung beantworten kann, aus dokumentierten Erfahrungen von Novatest Engineering.
Überwachung ab der Bauphase
Vor dem Betonieren in die Bewehrung integrierter Sensor: den Spannungszustand des Bauteils bereits ab der Bauphase verfolgen.
Kontrolle von Verdrehungen und Verschiebungen
Klinometer und Datenlogger zur zeitlichen Verfolgung von Verdrehungen und Verschiebungen des Bauwerks.
Rissentwicklung
Elektronischer Dehnungs-/Rissmesser zur Prüfung, ob ein Riss stabil ist oder sich weiterentwickelt.
Dynamische Reaktion einer Fahrbahnplatte
Operationelle Modalanalyse (OMA-SSI) mit Artemis: Identifikation von Frequenzen und Eigenformen einer Brückenfahrbahnplatte.
Kalibrierung eines numerischen Modells
FEM-Modalanalyse mit Midas an einem historischen Turm: Vergleich zwischen gemessenen Frequenzen und numerischem Modell.
Zerstörungsfreie Prüfung
Erkenntnisse zu einem bestimmten Zeitpunkt
Zerstörungsfreie Untersuchungen liefern Informationen zu Materialien, innerer Geometrie und Anomalien zu einem bestimmten Zeitpunkt: Sie sind eine Momentaufnahme des Bauwerkszustands.
Strukturüberwachung · SHM
Zeitliche Entwicklung
Die Überwachung beobachtet das Verhalten über die Zeit: Zeitreihen aussagekräftiger Größen dienen dazu, die Entwicklung und Reaktion des Bauwerks zu verfolgen.
Diagnostik und Überwachung sind nicht dasselbe, können aber gemeinsam eingesetzt werden, wenn die Fragestellung es erfordert.
Eine diagnostische Untersuchung kann eine Überwachung veranlassen; Überwachungsdaten können neue gezielte Untersuchungen lenken.
Vertiefende Themen
Vertiefungen zur Strukturüberwachung
Spezielle Leitfäden zu den wichtigsten Bereichen der Strukturüberwachung.
Modalanalyse und dynamische Identifikation
Eigenfrequenzen, Eigenformen und dynamische Reaktion von Bauwerken.
Statische Überwachung
Verformungen, Verschiebungen, Verdrehungen und Rissentwicklung über die Zeit.
Dynamische Überwachung
Schwingungen, Beschleunigungen und Identifikation der dynamischen Reaktion.
Sensornetzwerke und SHM
Planung des Sensorsystems, Datenerfassung und Datenmanagement.
Der Ansatz von Novatest Engineering
Novatest plant und betreibt durchgängige Strukturüberwachungssysteme, von der Erstberatung bis zur Dateninterpretation: Jedes System beginnt mit der betrieblichen Fragestellung des Kunden.
01
Betriebliche Fragestellung
Was muss bekannt sein und warum?
02
Definition der Messgrößen
Die für die Beantwortung der Frage aussagekräftigen Parameter.
03
Systemplanung
Sensoren, Datenerfassung und Konfiguration passend zum Bauwerk.
04
Installation und Datenerfassung
Installation vor Ort und Erfassung der Messungen.
05
Verarbeitung
Analyse der Zeitreihen und dynamischen Parameter.
06
Interpretation
Technische Auswertung der Ergebnisse im Kontext des Bauwerks.
07
Entscheidungsunterstützung
Berichte, Unterlagen und Begleitung bei Managemententscheidungen.
Häufig gestellte Fragen
- Was unterscheidet Strukturüberwachung von zerstörungsfreier Prüfung?
- Zerstörungsfreie Prüfungen (ZfP) sind punktuelle Untersuchungen, die den Zustand eines Bauteils zu einem bestimmten Zeitpunkt erfassen: innere Geometrie, Materialien und Anomalien. Die Strukturüberwachung beobachtet hingegen die zeitliche Entwicklung von Größen wie Verformungen, Verschiebungen, Rissen und Schwingungen und erstellt eine Zeitreihe des Bauwerksverhaltens.
- Was bedeutet SHM?
- SHM steht für Structural Health Monitoring: ein organisiertes System aus Sensoren, Datenerfassung, Verarbeitung und Interpretation, mit dem Zustand und Verhalten eines Bauwerks über die Zeit verfolgt werden können, um Management- und Instandhaltungsentscheidungen zu unterstützen.
- Welche Größen können überwacht werden?
- Je nach diagnostischer und betrieblicher Fragestellung: Verformungen und Verschiebungen, Rissöffnung und Rissentwicklung, Neigungen und Verdrehungen, Schwingungen und dynamische Reaktion sowie bei Bedarf Umgebungsparameter. Die Auswahl der Messgrößen ist der erste Schritt bei der Planung des Überwachungssystems.
- Was unterscheidet statische von dynamischer Überwachung?
- Die statische Überwachung verfolgt langsame Phänomene: Verformungen, Verschiebungen, Verdrehungen und Rissentwicklung. Die dynamische Überwachung beobachtet die Reaktion des Bauwerks auf Schwingungen: Beschleunigungen, Eigenfrequenzen und Eigenformen. Die Wahl hängt von der Frage ab, die die Überwachung beantworten soll.
- Wozu dient die Modalanalyse?
- Die Modalanalyse ermöglicht die Identifikation der Eigenfrequenzen und Eigenformen eines Bauwerks, also seiner charakteristischen Schwingungsweise. Sie dient zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens, zur Bewertung zeitlicher Veränderungen und gegebenenfalls zur Kalibrierung numerischer Berechnungsmodelle.
Möchten Sie ein Bauwerk oder eine Infrastruktur über die Zeit überwachen?
Die Planung eines Überwachungssystems beginnt mit der Frage, die es beantworten soll. Die Fachleute von Novatest unterstützen Sie dabei, die wirksamsten Messgrößen, Sensoren und Erfassungsstrategien festzulegen.