Schwingungsanalyse von schwingungsfähigen Bauwerken mit mobiler Messbasis

// Bautechnik // Maschinenbau // Mess- und Regeltechnik // Sensorik und Messgeräte
Ref-Nr: 16630

Einleitung / Abstract

Bauwerke wie Hochhäuser, Brücken, Türme, Windenergieanlagen, Krane werden durch Wind oder auch durch die sie benutzenden Fahrzeuge zu Schwingungen angeregt. Zu-nehmende Höhen von Windenergieanlagen und höhere Geschwindigkeiten im Eisenbahnverkehr führen zu stark erhöhten dynamischen Lasten auf die Bauwerke. Deshalb sind bei derartigen Objekten regelmäßig messtechnische Untersuchungen des individuellen Schwingungsverhaltens durchzuführen.

Abb. 1: Funktionsprinzip am Beispiel einer Windenergieanlage

Hintergrund

Aktuell werden messtechnische Untersuchungen an schwingenden Bauwerken im Rahmen des Structural Health Monitoring (SHM) durchgeführt, indem an einzelnen Messpositionen eine physikalische Schwingungsgröße in einer oder mehreren Richtungen eines globalen kartesischen Koordinatensystems gemessen wird. Um diese Messungen auszuführen, werden die dafür not-wendigen Sensoren gemäß eines Messstellenplans an festen Positionen installiert oder auf feste Messpositionen an der Struktur ausgerichtet. Zur Schwingungsanregung der Struktur werden definierte Kraftanregungen in die Struktur eingetragen, die messtechnisch erfasst werden, sodass es sich um eine experimentelle Modalanalyse handelt.

Problemstellung

Die temporäre Positionierung von Sensoren an festen Punkten oder auch das Anbringen einer festen Referenzmessbasis ist bei den genannten, in der Regel schwer zugänglichen Bauwerken, arbeits- und kostenintensiv.

Lösung

Die Erfindung betrifft die messtechnische Systemidentifikation von Schwingungseigenfrequenzen und Schwingungseigenformen bzw. Betriebsschwingungsformen und deren zugehörige Dämpfungen von elastomechanischen Strukturen im Bauingenieurwesen. Ein oder mehrere, ggf. verschiedenartige, berührungslos arbeitende Sensoren zur Schwingungsmessung werden durch ein unmanned aerial vehicle (UAV) so ausgerichtet und positioniert, dass Relativschwingungen zwischen der sich dynamisch bewegenden Konstruktion und dem dynamisch bewegen-den UAV gemessen werden. Um das alleinige Schwingungsverhalten der Konstruktion zu identifizieren, werden die Relativschwingungen um die störenden Flugbewegungen des UAV bereinigt. Dazu werden die Bordsensorik des UAV sowie zusätzliche an den Sensoren zur Schwingungsmessung installierte Beschleunigungs- und Drehratensensoren einbezogen. Durch ein zusätzliches digitales Bauwerksmodell kann die Genauigkeit der Schwingungsanalyse verbessert werden, indem die Form der Konstruktion im Messsignal berücksichtigt wird. Bei einer Messung positioniert sich das UAV an einer Messposition eigenständig. Mehrere Messungen an unterschiedlichen Positionen derselben oder verschiedener Konstruktionen werden durch autonome Verbindungsflüge verknüpft. Die Eigenschwingungsformen der Konstruktion wird durch ein autonomes Abfliegen bei gleichzeitiger kontinuierlicher Messung aller Teilkomponenten der Konstruktion bestimmt. Das kontinuierlich aufgezeichnete Schwingungssignal wird durch Verknüpfung mit GPS-Positionen einzelnen Bereichen der Konstruktion zugeordnet. Durch periodische Wiederholungen dieser Messungen kann auf Veränderungen im Tragverhalten der Konstruktion geschlossen werden.

Vorteile

Modalanalysen können ohne aufwändige Installation von Sensorik an schwer zugänglichen Konstruktionen durchgeführt werden. Schwingungseigenfrequenzen und -dämpfungen werden durch autonome punktuelle Messungen identfiziert. Schwingungseigenformen werden durch eine kontinuierliche Messung während des autonomen Abfliegens der gesamten Konstruktion ermittelt. Die Auswertung des Schwingungsmesssignals kann im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich erfolgen. Der gemessene Signalverlauf kann um alle signifikanten Störeinflüsse bereinigt und die Amplituden können ausreichend genau erfasst werden. Reduzierung von Arbeitsaufwand in Verbindung mit Kosteneinsparungen

Anwendungsbereiche

An allen schwingungsfähigen Strukturen im Bereich des Bauingenieurwesens.

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