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Dauerüberwachung von Bauwerken

Dem Bauwerksmonitoring, das heißt der fortlaufenden Überwachung von Bauwerken mittels geeigneter Technologien, kommt insbesondere im Zusammenhang mit einem zunehmenden Alter von Bauwerken wie auch ansteigender Anforderungen an Tragfähigkeit und Dauerhaftigkeit eine immer größere Bedeutung zu. Bisher wird an ausgewählten Bauwerken bereits eine Vielzahl von charakteristischen Kennwerten mit konventioneller Sensorik erfasst und ausgewertet. Zu diesen Kennwerten gehören beispielsweise die Luft- und Bauteiltemperatur und -feuchte oder Bauteildehnungen, -verschiebungen und -schwingungen. Eine Modal- und Schallemissionsanalyse kann für die Charakterisierung des Bauwerkszustandes herangezogen werden. Zukünftig sollen durch zerstörungsfreie Prüfmethoden ermittelte Kennwerte dazu beitragen, genauere Aussagen über die Veränderungen des Tragwerks und die Restlebensdauer zuzulassen.



Drahtlose Bauwerksüberwachung Drucken
Dienstag, den 11. Januar 2011 um 08:59 Uhr

Ziele und Aufgaben der kontinuierlichen Bauwerksüberwachung

Die kontinuierliche Bauwerksüberwachung erlangt in Verbindung mit der zunehmenden Verfügbarkeit von geeigneten Systemen immer mehr an Bedeutung. Vor einem Einsatz von Systemen zur Dauerüberwachung sind allerdings zunächst verschiedene Anwendungsszenarien zu unterscheiden.

So kann die Überwachung der maßgebenden Bauwerkseigenschaften – hier dürfte hauptsächlich die Tragfähigkeit und die Tragwerkssicherheit im Vordergrund stehen – die Messaufgabe bestimmen, wobei insbesondere äußere Einwirkungen wie klimatische Einflüsse, chemische Beanspruchungen und/oder statische und dynamische Beanspruchungen berücksichtigt werden.

Andererseits kann die kontinuierliche Bauwerksüberwachung auch als begleitende Maßnahme in Verbindung mit einem Bauwerksmanagement in Erwägung gezogen werden. Die Ergebnisse des Monitorings finden dann Eingang in Methoden zur Lebensdauerprognose oder zur differenzierteren Instandsetzungsplanung. Hierbei könnten auch Ergebnisse von einzelnen Bauwerken auf ganze Bauwerkstypen übertragen werden.

Restriktionen drahtloser Sensornetze

Bevor ein Einsatz drahtloser Sensornetzwerke für die Bauwerksüberwachung in Erwägung gezogen wird, sollten zunächst auch Einschränkungen solcher Systeme berücksichtigt werden. Eine der größten Einschränkungen ergibt sich aus dem Umstand der drahtlosen Kommunikation und der damit verbundenen Autarkheit eines einzelnen Sensorknotens, das heißt der fehlenden externen Stromversorgung. Als geeignete Stromversorgungen haben sich Industriebatterien, wieder aufladbare Batterien oder Kondensatoren in Verbindung mit Solarzellen und geeigneten Ladeelektroniken bewährt. Verschiedentlich werden auch weitere Ansätze zu Energieversorgung erforscht, wie beispielsweise Energiegewinnung basierend auf Bewegungsenergie. Insgesamt ist jedoch die zu Verfügung stehende Energie bei allen autarken Systemen beschränkt, weswegen der Strombedarf eines Sensorknotens maßgebend den Einsatzbereich bestimmt. Den weitaus höchsten Strombedarf weist bei heutigen drahtlosen Sensornetzwerken die drahtlose Kommunikation selbst auf. Daher sind geeignete Maßnahmen zur Minimierung der drahtlosen Kommunikation zu ergreifen. Die Minimierung des Strombedarfs bedingt im Allgemeinen aber auch, sich über die Messaufgabe selbst genaue Gedanken zu machen, das heißt der notwendigen Messrate, der Wichtigkeit der zu übertragenden Messwerte und damit der benötigten Übertragungssicherheit. Zu bedenken ist hier insbesondere, dass eine hundertprozentige Sicherheit bei der Datenübertragung nie gewährleistet werden kann. Die Übertragungssicherheit ist bei drahtlosen Sensornetzwerken vielmehr ein Steuerparameter, der maßgeblich den Strombedarf und damit die Betriebsdauer eines drahtlosen Sensornetzwerks bestimmen kann. Insbesondere der mit dem Bauobjekt beauftragte Ingenieur bzw. Sachverständige ist aufgrund der vorhandenen Restriktionen angehalten, den eigentlichen Messbedarf und die Messaufgabe zu definieren bzw. zu optimieren. Dies hat weiterhin auch vor dem Hintergrund Bedeutung, dass eine schlichte Erfassung und Speicherung von vielen Messdaten grundsätzlich noch keine Bewertung des Zustandes eines Bauwerkes impliziert. Es stellt sich daher die Frage, wie die Messwerte einen Nutzen bzw. einen Mehrwert für das Bauwerk darstellen können. Es sind daher intelligente Methoden zu implementieren, die diesen Mehrwert generieren können.

Technologien für die drahtlose Bauwerksüberwachung

Primäre Aufgabe eines Systems zur Bauwerksüberwachung ist zunächst die Erfassung von relevanten Messwerten wie beispielsweise Temperatur, Feuchtigkeit, Dehnungen und Spannungen oder auch Verschiebungen usw.. Bei drahtlosen Sensornetzwerken werden solch relevante Daten mittels drahtloser Sensorknoten (Motes) an verschiedenen Stellen des Bauwerks erfasst und dann per Funk an einen oder mehrere Zentralrechner versendet. Ein Zentralrechner, meist ein einfacher Industrie-PC, dient vornehmlich der Datenspeicherung und der erweiterten Datenanalyse. Ausgestattet mit einer geeigneten Netzverbindung stellt der Zentralrechner zudem eine Kommunikationsmöglichkeit zum Nutzer bzw. zum zuständigen Ingenieur her.

Zuletzt aktualisiert am Donnerstag, den 13. Januar 2011 um 22:50 Uhr
 
Sensorknoten Drucken
Dienstag, den 11. Januar 2011 um 08:52 Uhr

wireless sensorDer Sensorknoten (Mote)

Neben der reinen Erfassung verschiedener Messwerte weist ein Mote insbesondere Funktionalitäten auf, die auf eine Verminderung des Strombedarfs abzielen, da bei drahtlosen Systemen der Strombedarf der Komponenten von entscheidender Bedeutung für die Anwendbarkeit in der Praxis ist. Den höchsten Stromverbrauch weist in der Regel die Datenübertragung per Funk auf, weswegen die Funkkommunikation auf ein Minimum zu beschränken ist. Eine Minimierung kann zunächst durch eine effiziente, bereits auf dem Mote ausgeführte Datenanalyse und –reduktion erreicht werden. Ein Mote besteht daher im Allgemeinen aus einem Mikroprozessor mit angepasster Rechen- und Speicherkapazität, einem Funkmodul, geeigneten Signalkonditionierungsmodulen und A/D-Wandlern, einer adäquaten Stromquelle sowie einem oder mehreren Sensoren. Alle diese Komponenten sind im Hinblick auf einen geringen Stromverbrauch zu wählen, wobei insbesondere die Unterstützung von verschiedenen Möglichkeiten zur Reduzierung des Stromverbrauchs erforderlich ist. Ein drahtloses Sensornetzwerk unterscheidet sich damit von üblichen Telemetriesystemen, welche beispielsweise in der Automobilindustrie für die reine Messdatenübermittlung eingesetzt werden.

Wesentliche Merkmale des SmartmoteWS

  • Kostengünstige und baustellengerechte Ausführung (staub- und spritzwassergeschützt, sowie netzunabhängiger Betrieb über mehrere Jahre)
  • Einfache Handhabung und Applikation
  • Kabellose Datenfernübertragung inkl. Alarmfunktionen
  • Reprogrammierbarkeit der einzelnen Sensorknoten
Zuletzt aktualisiert am Donnerstag, den 20. Januar 2011 um 12:04 Uhr
 
Sensorik für die Bauwerksüberwachung Drucken
Dienstag, den 11. Januar 2011 um 22:43 Uhr

Sensorik und Signalkonditionierung

Ein entscheidender Kostenfaktor bei der Messwerterfassung ist oftmals die verwendete Sensorik bzw. die dafür benötigten elektronischen Komponenten. So können beispielsweise hochgenaue Seismometer, welche für eine Modalanalyse verwendet werden, je Stück bereits 5000 Euro und mehr kosten. Solch kostspielige Sensoren für eine Dauerüberwachung von Bauwerken einzusetzen ist in der Regel zu teuer. Es sind daher Alternativen zu nutzen, die mit geringem finanziellem Aufwand eine Ermittlung von verwertbaren Messwerten ermöglichen, wobei die einzusetzende Sensorik mit den vorhandenen Energieressourcen so sparsam wie möglich umgehen sollte.

Werden die vorhandenen Restriktionen beim Strombedarf berücksichtigt, so lassen sich für drahtlose Sensornetzwerke eine Vielzahl konventioneller Sensoren einsetzen. Eine wesentliche Weiterentwicklung im Hinblick auf geeignete Sensorik stellen allerdings MEMS-Sensoren dar. MEMS sind mikroelektromechanische Systeme, bei denen elektrische und mechanische Komponenten auf kleinen Chips integriert werden [Krü2005], [War2005]. Bei Massenfertigung sind solche MEMS mit Preisen von wenigen Euro sehr kostengünstig. Viele MEMS-Sensoren verfügen weiterhin über eine integrierte Temperaturkompensation sowie Kalibrierungsmechanismen, weshalb sich deren Anwendung recht einfach gestaltet. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Integration der Signalkonditionierung auf dem Chip und der Optimierung hinsichtlich des Stromverbrauchs. Dieser liegt bei einigen MEMS nur bei wenigen Mikro- bzw. Milliwatt.

Für Temperatur- und Feuchtemessungen sowie für diverse andere Einsatzmöglichkeiten ist bereits eine Vielzahl von zweckmäßigen MEMS-Sensoren verfügbar. Auch für Schwingungsmessungen im niedrigen Frequenzbereich beispielsweise für die Modalanalyse sind verschiedene MEMS-Sensoren erhältlich. Im Bereich der Schwingungsmesstechnik für mittlere bis hohe Frequenzen sind hingegen häufig nur proprietäre MEMS-Sensoren verfügbar, wie beispielsweise Schocksensoren für die Automobilindustrie. Zudem besteht hier noch die Problematik der nutzbaren Bandbreite, der Empfindlichkeit sowie des Stromverbrauchs. Die Entwicklungen im Bereich der MEMS-Sensorik schreiten jedoch rasant voran, so dass zukünftig preisgünstige MEMS-Sensorik für zahlreiche weitere Messaufgaben erhältlich sein wird.

Sensor- und Signalkonditionierungsmodule für den SmartmoteWS

Der SmartmoteWS ist als Multisensorplatform konzipiert. D.h., eine Vielzahl von verschiedenen Sensoren können integriert bzw. angeschlossen werden. Hierzu gehören Sensoren für:

  • Temperatur- und Feuchtebestimmung (sowohl Luft als auch Bauteil)
  • kombinierte Feuchte- und Salzgehaltsbestimmung in mineralischen Baustoffen, Naturstein oder Holz
  • Bauteildehnung bzw. Verformungen
  • Vibrationen, Beschleunigung
  • Neigung
  • Schadgase
  • Licht und Lichtspektrum
  • Windgeschwindigkeit
  • Regendetektion

 

Zuletzt aktualisiert am Donnerstag, den 13. Januar 2011 um 22:53 Uhr
 
Basisstation Drucken
Dienstag, den 11. Januar 2011 um 23:02 Uhr

Smartgate: Basisstation für drahtlose Sensornetze

Die Basisstation "Smartgate" dient der Datenfernübertragung zum Enduser über das Internet mittels GSM-Modem. Die robuste Asuführung und der niedrige Stromverbrauch erlauben den Einsatz des Smartgates im Außenbereich sowie die Verwendung von Solarzellen zur komplett autonomen Verwendung, ohne dass ein Stromanschluss benötigt wird.  

Zuletzt aktualisiert am Freitag, den 15. April 2011 um 06:39 Uhr