Feldversuche mit dem akustichen Überwachungssystem Soundprint

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2002/009
• Projekttitel Englisch: Site Installation and Trials of the Acoustic Monitoring System Soundprint

Schlüsselwörter (Deutsch)

Schallemissionsanalyse, Schallemission, Zerstörungsfreie Prüfung, Brückenüberwachung, Zustandserfassung, Korrosion, Risse, Vorspannung

Schlüsselwörter (Englisch)

Acoustic Emission Analysis, Acoustic Emission, Non Destructive Testing, Bridge Condition Assessment, Inspection Methods, Corrosion, Fractures, Post-tensioning

Kurzbeschreibung (Deutsch)

SoundPrint wurde in Kanada entwickelt und wird in Europa von der Firma Advitam vertrieben. Systematisch am Bauwerk angebrachte Sensoren registrieren und lokalisieren die bei einem Kabelbruch freigesetzte Energie, die sich umgewandelt in Schwingungen durch das Bauwerk ausbreitet. Da jede Erregung ein charakteristisches Spektrum hat, lassen sich die nicht relevanten Daten ausfiltern. Die Analyse und Auswertung erfolgt mit speziellen EDV-Programmen. Drahtbrüche können somit erfasst und weitere Brüche oder Folgeschäden dadurch unter Kontrolle gebracht werden.
SoundPrint wird in Nordamerika zur Überwachung von Monolitzen in Flachdecken bereits kommerziell angewendet. Über die Anwendung bei Brücken gibt es Erfahrungen aus Grossbritannien.
Die zu betrachtende Brücke über die Moesa in Roveredo im Kanton Graubünden wurde 1952 erbaut. Das Bauwerk besteht aus einer Platte mit Hohlkörpern über eine Spannweite von je ca. 30 m und ist in Längsrichtung mit insgesamt 84 Spanngliedern System Freyssinet à 12 Drähten mit einem Durchmesser von 7 mm vorgespannt. Verschiedene Ursachen haben zu Schäden und auch zu
Drahtbrüchen geführt.
Für dieses Objekt sollen zwei Reihen à 8 Akustikmessgeräte (insgesamt 16 Stück) an die
Tragkonstruktion geklebt und einzeln mit einem Zentralcomputer verkabelt werden. Advitam installiert
und betreibt das Messsystem, wertet die Messungen aus und interpretiert sie.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Soundprint was developed in Canada and is distributed in Europe by Advitam. Sensors, systematically attached to the structure register and localize energy induced by wire breaks and transfered through the structure as oscilation. Since every oscilation got a characteristic spectrum irrelevant data can be filtered out. The analysis and interpretation is done by a special software. Thus wirebreaks can be detected and subsequent wire breaks or detoration ca be controlled.
In North America Soundprint is commercially used to monitor monostrands in flatslabs. Experiences with bridge-monitoring were made in Great Britain. The considered bridge in Roveredo, canton Graubünden spans over the river Moesa and was built in 1952. It is a slab with hollowcores and each of the two spans is 30 m long. In the longitudinal direction it is prestressed with 84 strands system Freyssinet. Every tendon contains 12 wires of 7 mm diameter each. Different causes led to deterioration and to wire breaks. The 16 acoustic sensors are attached in two rows, hence one row contains 8 sensors. They are glued onto the structure and each of them is connected with a central processing computer.
Advitam installs and runs the system and evaluates the measurements.

Projektbeschreibung (Deutsch)

Siehe Anhang 1 AGB2002/009 zum Forschungsgesuch

Methoden (Deutsch)

Feldversuche

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

16 Sensoren, Typenbezeichnung "Overmoulded Standard Sensors SP 201"
Zentralcomputer mit 16 Kanälen ohne Multiplexing

Stand der eigenen Forschung (Deutsch)

Die Forschungsstelle befasst sich insbesondere mit der Schallemissionsanalyse (SEA), die dieselben Phänomene beobachtet wie Soundprint, jedoch auf einem wesentlich tieferen Energieniveau.
Das vom Schweizerischen Nationalfonds unterstützte Forschungsprojekt "Schallemissionsanalyse zur Zustandserfassung von Betontragwerken" ermöglichte die 2002 abgeschlossene Promotionsarbeit von Stefan Köppel und die laufende von Barbara Schechinger.
Köppel untersuchte, welche bestehenden Analyseverfahren für die Überprüfung von realen
Tragwerken geeignet sind und welche neuen Möglichkeiten durch den Einsatz moderner Schallemissions-Messgeräte entstehen.
Einerseits dienten Experimente mit künstlichen Schallquellen zur Untersuchung des Wellenausbreitungsverhaltens in Stahlbeton. Andererseits wurden Experimente durchgeführt, bei denen verschiedene Versuchskörper aus Stahlbeton mechanisch belastet und die dabei entstandenen Schallemissionen (SE) aufgezeichnet wurden. Diese Versuche bestanden aus drei kleinen Serien von Spaltzug-, Auszieh-, und Biegeversuchen sowie einem Grossversuch an einem 21 m langen vorfabrizierten und vorgespannten Träger einer demontierten Brücke.
Die Auswertung erfolgte in einem ersten Schritt anhand qualitativer Analysen, wobei Anzahl und
Amplitude der SE mit dem Schädigungsfortschritt verglichen wurden. In einem zweiten Schritt wurden die
Quellen der SE lokalisiert, wobei die Ortungsresultate im Allgemeinen eine zufriedenstellende
Übereinstimmung mit den Erwartungen bzw. den an der Oberfläche der Versuchskörper beobachteten
Rissen aufwiesen. Die Beurteilung weitergehender, quantitativer Analyseverfahren erfolgte im Rahmen
der Dissertation (IBK Bericht Nr. 272). Im Versuchsbericht Schallemissionen, entweder aus der Belastung
von Stahlbetonprüfkörpern erzeugt oder künstlich an deren Oberfläche erzeugt, wurden aufgezeichnet
und anschliessend untersucht. Verschiedene Analyseverfahren wurden auf ihre Fähigkeit hin untersucht,
die Ursache der Schallemission richtig zu erkennen und zu beschreiben. Besonderes Gewicht wurde
dabei auf die Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Verfahren im Hinblick auf deren Anwendung zur
zerstörungsfreihen Zustandserfassung von Stahlbetontragwerken gelegt.
Das Spektrum der betrachteten Analyseverfahren reicht vom qualitativen Zusammenhang zwischen
Signalratenentwicklung und Schädigungsfortschritt über die Ortung einzelner Schallemissionen bis zu
deren Charakterisierung anhand von Wellenformanalysen oder mittels der relativen
Momententensorinversion. Die Möglichkeiten und Anwendungsgrenzen der einzelnen Verfahren werden
sowohl anhand theoretischer Überlegungen als auch der Versuchsresultate ermittelt.

Projektziele (Deutsch)

Praxisbezogene Prüfung eines Überwachungssystems
Das Verfahren Soundprint soll erstmals in der Schweiz praxisbezogen aber unter wissenschaftlicher Begleitung an einem Objekt angewendet werden. Dabei wird evaluiert, wie sich das System unter kontinentaleuropäischen und alpinen Verhältnissen verhält.
Durch das Erzeugen von künstlichen Signalen mit und ohne Zusammenhang mit der Vorspannung soll die Diagnosefähigkeit des Systems getestet werden (Blindversuch). Bewusst herbeigeführte und allfällige spontan ablaufende Spannstahlbrüche sollen erkannt werden. Andere für die Tragsicherheit nicht kritischer Ereignisse werden ausgefiltert.
Erkenntnisgewinn über ein gefährdetes Tragwerk
Da das Objekt bezüglich Dauerhaftigkeit kritisch ist, würde eine rapide Zustandsverschlechterung während der Überwachungszeit erkannt. Sollte sich das Verfahren im praktischen Einsatz bewähren, kann die Nutzungsdauer des Pilotobjekts mit minimalem Aufwand massgeblich verlängert werden.
Erfahrungsgewinn für allfällige ausgedehntere Anwendung
Für die Anwendung bei anderen, wesentlich grösseren Objekten sollen Erfahrungswerte bezüglich
Kosten, Nutzen, Grenzen und Voraussetzungen gesammelt werden.

Projektziele (Englisch)

Practice related evaluation of a monitoring system
The acoustic monitoring system Soundprint will be applied to a structure under site condition and scientific attendance for the first time in Switzerland. The system will be tested and evaluated under continental-european and alpine conditions.
Artificial signals with and without correlation to post-tensioning will be generated in a blind trial arrangement and the diagnostic skills of the system will be tested. Deliberately created and spontaneous occuring wire breaks are supposed to be identified by the system. Other events not evident for the structural resistance will be filtered out.
Increasing knowlwdge on a structure close to collapse
Because the bridge is in a critical condition in respect to its structural integrity, the event of serious deterioration could be detected during the monitoring. In case the monitoring system passes the trials successfully, the physical life of the monitored structure could be extended significantly with minimum effort.
Gaining experience for expanded applications in the future
For future applications with other essentially larger structures, experience in respect to cost, use, limits and
requirements will be gained.

Forschungsplan (Deutsch)

Organisation
Die Projektleitung liegt bei der Forschungsstelle (IBK, ETH Zürich), die die wissenschaftlich korrekte Methodik zu verantworten hat. Sie organisiert die Spannstahlbrüche und andere akustische Ereignisse ohne Wissen des Anbieters des Verfahrens und wertet die Ergebnisse aus.
Der Anbieter des Verfahrens (Advitam Suisse) installiert und betreibt das Messsystem, wertet die Messungen aus und interpretiert sie. Zum Schlussbericht steuert er jene fachspezifischen Informationen bei, die nicht dem Betriebsgeheimnis unterliegen (Anhang 2, Tabelle1).
Für bauseitige Leistungen werden lokale Unternehmer beigezogen. Bauherren- und Bauleitungsaufgaben sollen innerhalb der ohnehin vorhandenen, regionalen Strukturen abgewickelt werden (Anhang 2, Bild 2).
Projektablauf
Grundlage des Projektablaufs ist eine Messdauer von 12 Monaten (Anhang 2, Tabelle 2). Eine Verlängerung der Messdauer wäre problemlos möglich; die zusätzlichen Kosten werden als Eventualpositionen aufgeführt und fliessen als solche nicht in den beantragten Kredit ein.
Instrumentierung der Brücke
Für dieses Objekt sollen 2 Reihen à 8 Akustikmessgeräte (insgesamt 16 Stück) in einem Abstand von
ca. 8.50 m seitlich an die Tragkonstruktion geklebt werden. Die Sensoren folgen dem Höhenverlauf der
Spannglieder (Anhang 2, Bild 3). Sie sind einzeln mit dem Zentralcomputer verkabelt, der zusammen mit
einem Verstärker und einem Trigger, geschützt vor Umwelteinflüssen in einem Gebäude in der Nähe der
Brücke untergebracht ist.
Mögliche akustische Signale
Während der Überwachungszeit muss Soundprint relevante von nicht relevanten Signalen unterscheiden und
auswerten.
Spontane Spannstahlbrüche
Nach Aussagen des projektierenden Ingenieurs ist während des geplanten Überwachungszeitraums nicht mit
spontanen Spannstahlbrüchen zu rechnen. Sollten trotzdem welche auftreten, sollen sie erkannt werden.
Provozierte Spannstahlbrüche
Um auf jeden Fall Spannstahlbrüche detektieren zu können, sollen chemisch/korrosiv Drahtbrüche provoziert
werden. Sie simulieren spontane Drahtbrüche am realistischen, da sie sich nicht durch andere Geräusche
ankündigen.
Mechanisch oder thermisch ausgelöste Brüche sind denkbar, wären aber mit dem Nachteil behaftet, dass
sie sich durch die erforderlichen Vorkehrungen ankündigen.
Andere Ereignisse
Beim Überfahren der Fahrbahnübergänge erzeugen Personen- und Lastwagen Verkehrsgeräusche. Sie müssen,
wie auch die Signale, die durch Raupenfahrzeuge und Schneepflüge mit Seitenberührung ausgelöst werden, von
der Software ausgefiltert werden.
Bei Bauarbeiten am Objekt werden insbesondere durch Presslufthämmer akustische Signale erzeugt.
Diese sind vom System als nicht relevante Signale zu identifizieren.
Auch unvorhersehbare Ereignisse ( z.B. ein Fahrzeuganprall auf das Brückengeländer ) oder
Naturereignisse (z.B. Schwemmgut, welches gegen den Brückenpfeiler getrieben wird) müssen
von der Software ausgefiltert werden.
Finanzierung
Das Forschungsprojekt umfasst lediglich die Anwendungen für die Forschungsstelle (IBK ETH Zürich)
und Advitam Suisse und die bauseitigen Leistungen für Installation und Betrieb (Gerüste, Strom,
Unterbringungsmöglichkeit EDV, Telefonanschluss mit Modem und Internetanschluss).
Bauliche Aufwendungen zur Erzeugung der Ereignisse (leichte Gerüste, Kernbohrungen, Überfahrten
diverse Baumaschinen und Geräte etc.) sollten vom Werkeigentümer übernommen werden.

Abstract (Deutsch)

.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die kontinuierliche akustische Überwachung war bis vor kurzen wegen der hohen Kosten nicht praktikabel. Erst die Entwicklung von leistungsfähigen und gleichzeitig kostengünstigen Rechnern und Sensoren und einer speziellen Software sowie die schnelle Datenübertragung über das Internet erschlossen neue Perspektiven.
Die akustische Überwachung ermöglicht dem verantwortlichen Ingenieur genauere Aussagen über die Schädigung eines Bauwerks zu treffen und hilft bei der Entscheidung, ob kostspielige Unter-haltsmassnahmen durchgeführt werden sollen. Statistische Untersuchungen bzw. Risikoanalysen der festgestellten Spanndrahtbrüche können sehr hilfreich sein bei der Vorhersage von zukünftigen Schadensfällen. Mit den gewonnenen Informationen ist es auch möglich, die Budgets für zukünftige Reparaturmassnahmen effektiver zu nutzen. Die konventionelle Methode, periodisch Untersuchun-gen durchzuführen und dabei Inspektionsfenster zu öffnen, um gebrochene Spanndrähte zu finden, ist immer ein Kompromiss.
Je öfter und je gründlicher die Inspektionen stattfinden, desto höher sind die Kosten. Um den momentanen Zustand eines Bauwerks zu erfassen, beruht die Entscheidung, an welchen Stellen und auf welche Länge
der Spannstahl freigelegt wird, immer auf den Erfahrungswerten des verantwortlichen Ingenieurs.
Bei grossen Brücken kann der Zeitraum zwischen Inspektionen Jahre betragen. Dies macht eine auf
Statistiken beruhende Risikoanalyse schwierig, wenn nicht sogar unmöglich. Als Folge beruht der
Umfang der nächsten Unterhaltsmassnahme auf den Ergebnissen der letzten Inspektion, bei der
möglicherweise nicht alle geschädigten Drähte gefunden wurden.
Die kontinuierliche akustische Überwachung hingegen versorgt den für den Unterhalt der Brücke
zuständigen Ingenieur mit zusätzlichen Informationen und ermöglicht neue Optionen und
finanzielle Spielräume für die Instandsetzung und Dauerhaftigkeit des Bauwerks.

Berichtsnummer (Deutsch)

609

Literatur (Deutsch)

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