Sensorsysteme: Bauwerke effizient planen, erstellen und überwachen

Der Pfaffenhofener Sensorspezialist ASC bietet der Bauindustrie seit langem ein breites Portfolio an Messlösungen für die Überwachung von Fahrzeugen, Maschinen und Gebäuden. Dazu gehören neben Beschleunigungs-, Neigungs- und Drehratensensoren auch Inertial Measurement Units (IMU). Sensorsysteme wie IMUs kommen zum Beispiel in Mobile-Mapping-Systemen zum Einsatz. Mit deren Hilfe lassen sich aktuelle Zustandsinformationen gewinnen, die als Basis für die Erstellung von Karten und virtuellen Modellen von Straßen oder Gebäuden dienen.

Sensorsysteme sparen bares Geld

In Baumaschinen und an Rohbauten erfassen die Inertialsensoren zudem geringste Veränderungen der materialtypischen Schwingungsfrequenzen und ermöglichen so Rückschlüsse auf den Zustand von Fahrzeugkomponenten, Fundamenten oder Stahlarmierungen. Bauunternehmen sind dadurch in der Lage, Instandhaltungs- oder Ausbesserungsarbeiten im Voraus zu planen und teure Stillstände zu vermeiden.

Längste Seebrücke der Welt

m Bauwesen kommen besonders die robusten kapazitiven Beschleunigungssensoren von ASC zum Einsatz. Sie übernehmen etwa eine zentrale Funktion in der langfristigen Überwachung der strukturellen Integrität von Bauwerken, dem Structural Health Monitoring (SHM).

Die Inertialsensoren erfassen selbst kleinste Vibrationen und Schwingungen an Brücken oder Gebäuden. Ein prominentes Beispiel ist die Hongkong-Zhuhai-Macau-Brücke, die 2018 im chinesischen Perlflussdelta eröffnet wurde. Das Bauwerk gilt als die längste Seebrücke der Welt und liegt in einer vielbefahrenen Wasserstraße. Der Schutz der Brücke vor Unfällen mit Wasserfahrzeugen hat deshalb eine hohe Priorität.

Triaxiale kapazitive Beschleunigungssensoren vom Typ ASC CS-1611LN unterstützen die Behörden dabei, die Auswirkungen eines Schiffsaufpralls an den Pfeilern zu erkennen und die dynamischen Eigenschaften der Brückenstruktur zu bestimmen. Die Sensoren haben einen Messbereich von ±5 g und einen Stromsignalausgang von vier bis 20 mA für eine verlustfreie Signalübertragung über lange Entfernungen garantiert.

Hochgenaue Inertialsensoren von ASC sind aber auch in Baufahrzeugen zu finden – unter anderem in Rammgeräten für Untersuchungen oder zum Einbringen von Stahlwandpro-filen. Diese Geräte verfügen über Hydraulikrüttler mit fünf Tonnen Gewicht und 500 kW Leistung. Zur Überwachung dienen Beschleunigungssensoren der ASC-OS-Serie, die gerade einmal 31 g wiegen. Die Sensoren werden zur Erfassung der am Rüttler auftretenden Schwingungen genutzt und beugen mit ihren Messungen plötzlichen Ausfällen vor. Bei der Konstruktion der Sensoren legt ASC nicht nur großen Wert auf die Präzision der ausgegebenen Messsignale. Die Ingenieure sorgen auch für eine hohe Schockfestigkeit der Sensoren und berücksichtigen die enorme Krafteinwirkung auf die Kabelverbindungen an Baumaschinen.

Echtzeitmonitoring

Es besteht sogar die Möglichkeit, die Sensordaten künftig in Echtzeit zu nutzen. So wird beispielsweise das Baustellenmanagement weiter optimiert: Unternehmen können Veränderungen an Fundamenten oder Fahrzeugen jetzt sofort erkennen und entsprechende Instandhaltungsmaßnahmen rechtzeitig planen.

Die Sensorsysteme besitzen aber nicht nur alle Eigenschaften der jeweiligen herkömmlichen analogen und digitalen Varianten. Sie können darüber hinaus deutlich größere Datenmengen erfassen und die Messwerte direkt auswerten. Damit entfällt die aufwändige externe Datenerfassung und -analyse. Der Bauunternehmer bekommt von den Sensoren lediglich ein Statussignal wie bei einer Ampel. So sieht sein Personal auf einen Blick, ob und wann Handlungsbedarf besteht.

Mithilfe der kundenspezifischen Algorithmen erstellen die Sensorsysteme zudem Prognosen zur weiteren Entwicklung des Betriebszustands der Baumaschine. So kennt der Unternehmer nicht nur den Echtzeitstatus seines Fuhrparks, sondern weiß auch weit im Voraus, wann welche Komponente ausgetauscht werden sollte. Wartungsarbeiten sind so optimal in die Betriebsabläufe zu integrieren und plötzliche Maschinenausfälle gehören der Vergangenheit an.

Je nach Kundenwunsch

Intelligente Sensorsysteme sind kein Produkt von der Stange. „Wir entwickeln unsere Lösungen in enger Abstimmung mit den Kunden, denn sie kennen die Anforderungen ihrer Anwendung am besten“, so ASC-Applikationsingenieur Markus Nowack. Auf der Basis einer Requirement-Analyse konzipieren die Messtechnikspezialisten das Gesamtsystem und nutzen dafür das bewährte ASC-Baukastenprinzip. Es umfasst nicht nur die Auswahl an hochwertigen Komponenten der Sensorik in Sachen Auflösung sowie Mess- und Frequenzbereiche, sondern auch die Datenauswertung und -kommunikation. Jedes Sensorsystem kann daher ein Unikat sein – genau wie die implementierten Algorithmen, die als Grundlage für die Analyse und Bewertung der erfassten Daten dienen.

Mittels Vorverarbeitung wird in der ersten Stufe eine Datenreduktion durchgeführt. Auf deren Basis werden etwa durch die Anwendung von FFTs (Fast Fourier Transformation), Wavelets oder Time-Series-Merkmalsvektoren extrahiert. Die folgende Trend-analyse und/oder das Clustering der Ergebnisse führen somit zur Information des Anwenders über den Status der Komponente oder des Systems.

Die Datenhoheit liegt immer beim Kunden. Der Hersteller stellt zwar die APIs zur Verfügung, über die sich kundenspezifische Algorithmen einbinden lassen. Die Rechenleistung der Sensoren ist aber frei verwendbar, so dass der Anwender die Algorithmen für die Merkmalsextraktion exakt an seine Bedürfnisse anpassen kann.

Sensorsysteme: Bauwerke besser planen

Intelligente Sensorsysteme haben für die Bauwirtschaft aber noch weitere Vorteile, etwa das Erstellen realitätsnaher virtueller Architekturmodelle. Die an Gebäuden installierten Sensoren liefern große Mengen an Daten, die in die Planung neuer Bauprojekte einfließen. Aus diesen wird ein Digitaler Zwilling des realen Gebäudes modelliert (Building Information Modeling/BIM), an dem simuliert wird, wie sich unterschiedliche Witterungs- und Umgebungsbedingungen mittel- und langfristig auf die Bauwerksstruktur auswirken. Gebäude lassen sich so deutlich besser als bisher an ihren künftigen Standort anpassen.

Von Renate Bay.

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