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Schwingungsmessung an Brücken zur Bauwerksüberwachung mit Piezoelektrischen Vibrationsaufnehmern

Messaufgabe:

Schwingungen, verursacht durch den Verkehr, Umwelteinflüsse und den konstruktiven Aufbau, beeinflussen über einen längeren zeitraum hinweg die Sichrheit von Brücken. Die Vibrationen und andere Beanspruchung erzeugen über die Zeit Risse und Brüche in Beton und Stahlkonstruktion. Die Einwirkungen von Wind, Regen, Hitze, Kälte und andere natürliche Ereignisse verursachen Korrosion, die sich ebenfalls auf die Standsicherheit auswirkt. Wird die Brücke nicht messtechnisch überwacht und bleiben die Veränderungen unbemerkt, können sich daraus Katastrophen entwickeln. Dies war zum Beispiel der Fall, als 2007 die Interstate 35W Brücke über den Mississippi in Minneapolis / USA während der Hauptverkehrszeit zusammengebrochen ist. Dutzende Autofahrer sind in den Fluß gestürzt, das Ergebniss waren 13 Tote. Als Ursache für den Zusammenbruch wurde ein Konstruktionsfehler ausgemacht, der durch die Montage entsprechender Messtechnik frühzeitig zu erkennen gewesen wäre.

Lösung:

Um solche Katastrophen wie im Falle der I-35W Brücke zu verhindern, sollte eine permanente messtechnische Überwachung des Bauwerkes durchgeführt werden. Ein solches Messsystem wird häufig als Struktur-Überwachungs-Sytem (englisch: SHM – Structural Health Monitoring) bezeichnet und hat weltweite Akzeptanz. SHM wird als zuverlässiges und preiswertes System eingesetzt, um Sicherheitstechniker frühestmöglich über Warnzeichen, die eine Bauwerksstruktur schwächen, zu informieren. Dadurch lassen sich rechtzeitig Wartungsmaßnahmen ergreifen.

SHM-Systeme bestehen aus niederfrequenz oder seismischen Vibrationsaufnehmer und dazu passenden Aufzeichnungs- und Auswertungssysteme. Durch die Aufzeichnung, Auswertung und den verlgeich mit älteren Messdaten, sind die Sicherheitstechniker jederzeit in der Lage, den Anstieg von Schwingungen zu erkennen und damit möglichen Katastrophen vorzubeugen. Die die kontinuierliche Analyse der Vibrationsdaten können Schwächen und Risse in der Konstruktion frühzeitig erkannt werden, Wartungsarbeiten effizient durchgeführt und die Kosten minimiert werden.

Die seismischen Vibrationsaufnehmer der Serie 731 mit einer Empfindlichkeit von 10 V/g sind in Verbindung mit dem Vibrationsmesssystem VibroMatrix die idealen Produkte für eine solche Messaufgabe. Ebenfalls in Frage kommen Niederfrequenzufnehmer mit einer Empfindlichkeit zwischen 1 V/g und 5 V/g. Alle Vibrationssensoren sind vollständig aus Edelstahl gefertigt und hermetisch dicht. Zwischen den Aufnehmern und dem Messdatenerfassungssystem VibroMatrix können bis zu 500 m Kabel liegen, sodass die Messdatenerfassung an zentraler Stelle erfolgen kann.

Bedingt duch das Edelstahlgehäuse und die Kableschirmung ist das Messsystem umempfindlich gegenüber EMV-Störungen. Die Sensoren können, zur Vermeidung von Erdschleifen, isoliert an der Bauwerkskonstruktion montiert werden. In Verbindung mit geeigneten Kabeln und Steckverbindungen lässt sich eine komplett tauchfähige Sensormontage realisieren.