Bild 1: MEMS-Inertialsensor zur Detektion von Beschleunigungen und Vibrationen.

Bild 1: MEMS-Inertialsensor zur Detektion von Beschleunigungen und Vibrationen. First Sensor

Bild 2: Mikromechanisches Silizium-Sensorelement mit einer Strukturhöhe von 50 µm.

Bild 2: Mikromechanisches Silizium-Sensorelement mit einer Strukturhöhe von 50 µm. First Sensor

Inertialsensoren werden seit rund 25 Jahren auf Basis von Silizium-Mikrosystemen entwickelt und vermarktet. Seitdem haben sich die Sensor-Technologien stetig weiterentwickelt. First Sensor fertigt Inertialsensoren (Bild 1) mit kapazitivem Wirkprinzip. Diese Sensoren basieren auf einkristallinen Silizium-Sensorelementen und mikromechanischen Herstellungsverfahren (MEMS, Bild 2). Das ermöglicht eine hohe Temperaturstabilität der Sensorelemente, wodurch sich komplexe Kalibrierverfahren deutlich vereinfachen lassen. Des Weiteren haben die Sensoren ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis und erzielen zum Beispiel bei der Neigungsmessung sehr gute Genauigkeiten von kleiner als einem Tausendstel Grad.

Neben der Messung kleinster Winkeländerungen eignen sich Inertialsensoren auch für die Beschleunigungs- und Vibrationsmessung. Mittels Schwingungsmessungen lassen sich zum Beispiel Aussagen über die Eigenfrequenzen und Eigenformen treffen. Dadurch ist es wiederum möglich, Veränderungen der Steifigkeit oder Massenverteilung infolge von Schädigungen im Material zu bestimmen.

Schwingende Gebäude

Im Bauwesen treten typischerweise sehr tieffrequente Schwingungen auf. Auch die ersten Eigenfrequenzen der zu überwachenden Gebäude liegen in der Regel unter 10 Hz. Die neuen Inertialsensoren von First Sensor verfügen über konfigurierbare Filter-, Verstärkungs- sowie Offseteinstellungen und können je nach Messbereich auch Schwingungsamplituden zwischen 5 und 100 µg bei einer Bandbreite von 3 bis 420 Hz zuverlässig auflösen. Durch diese Flexibilität lassen sich die Sensoren optimal an spezifische Anforderungen anpassen und ermöglichen sehr effiziente Structural-Health-Monitoring-Systeme (SHM).

Eckdaten

Wann muss man eine Brücke sanieren? Statt sich nur auf Rechenmodelle zu verlassen, können Structural-Health-Monitoring-Systeme mithilfe moderner Inertialsensoren den tatsächlichen Zustand des Tragwerks ermitteln.

Als SHM bezeichnet man Verfahren, welche die Überwachung von Strukturen und die Diagnose des Zustandes der entsprechenden Bestandteile zu jedem Zeitpunkt während der Lebensdauer ermöglichen. Das Versagen eines Tragwerks (zum Beispiel bei Türmen, Brücken, Windkraftanlagen oder historischen Gebäuden) kann gravierende Umweltschäden und schwere volkswirtschaftliche Konsequenzen zur Folge haben und im schlimmsten Fall Menschenleben kosten. Insbesondere die Tragwerksschädigung durch Abnutzung, chemische Alterung, Materialermüdung oder außergewöhnliche Beanspruchungen, aber auch erhöhte klimatische Einwirkungen oder geotechnische Prozesse wie Setzungen oder Hangrutschungen können die Ursache für ein unvorhergesehenes Verhalten von Tragwerken sein. Mit Neigungssensoren lassen sich beispielsweise Verdrehungen an Tragwerken messen und damit der Verformungs- und Beanspruchungszustand detektieren. So kann man frühzeitig auf ein Versagen der Bestandteile schließen und rechtzeitig entsprechende Instandhaltungsmaßnahmen ergreifen.

Integrationsarbeit

Die Integration der Sensoren in Monitoringsystemen zur Zustandsüberwachungen von Gebäuden ist Gegenstand der aktuellen Entwicklungen von First Sensor und ihrer Kooperationspartner. Die im Rahmen dieser Projekte gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich effizienter Gesamtsysteme können Kunden parallel auf eine Vielzahl weiterer SHM-Applikationen anwenden. So befinden sich zum Beispiel rund 9500 der kommunalen Brücken in Deutschland in einem baufälligen Zustand, wobei nur etwa die Hälfte dieser Brücken bis 2030 tatsächlich ersetzt wird. Nach der aktuellen Gesetzeslage müssen jedoch alle Brücken gemäß der 2012 eingeführten „Nachrechnungsrichtlinie“ auf ihre Tragfähigkeit hin nachgerechnet werden.

Einer der Gründe für die Nachrechnung sind angepasste Lastmodelle aufgrund des enorm gewachsenen Schwerlastverkehrs. Die tatsächliche Lebensdauer von Brücken lässt sich aber nur durch den Einsatz von Monitoringsystemen ermitteln: diese überwachen dauerhaft den Zustand des Bauwerks. In vielen Fällen ist die gemessene Lebensdauer größer als die berechnete, womit sich Ressourcen schonen lassen. Aber auch gefährliche Zustände erkennen die Systeme rechtzeitig.