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Überwachung von Tragwerken mit Profilscannern

Schill, Florian Johannes :
Überwachung von Tragwerken mit Profilscannern.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Überwachung von Tragwerken mit Profilscannern
Language: German
Abstract:

Die Überwachung der Tragwerke von Ingenieurbauwerken ist ein wichtiger Grundstein zur Gewährleistung einer sicheren technischen Infrastruktur. Aufgrund der alternden Infrastruktur und der vielfach gesteigerten Belastung nimmt dabei sowohl die Anzahl an zu überwachenden Ingenieurbauwerken als auch der Umfang der jeweiligen Überwachungsaufgaben zu. Um die daraus entstehenden Herausforderungen zu bewältigen, ergibt sich der Bedarf nach einer effizienten Erfassung von Deformationen unter dynamischer Belastung.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung eines Monitoringsystems zur Überwachung von Tragwerken auf Basis eines Profilscanners. Die berührungslose Erfassung mit Profilscannern verringert zunächst den Aufwand für Personal und Instrumentierung im Vergleich zu klassischer, für die Überwachung von Tragwerken eingesetzter Sensorik und ermöglicht zusätzlich das Anmessen von nicht zugänglichen Stellen. Durch die Verfügbarkeit von Informationen entlang eines ganzen Tragwerkprofils können darüber hinaus Analysen flexibel an variierende Fragestellungen angepasst werden. Mit einer Messrate von mindestens 50 Hz können typische Tragwerksdeformationen zuverlässig erfasst und ausreichend Datenmaterial zur Charakterisierung der Deformationsprozesse gesammelt werden.

Für den Einsatz von Profilscannern zur Überwachung von Tragwerken wurde neben instrumentenspezifischen Adaptionen, wie der Sensorbefestigung, einer Anzielvorrichtung sowie einer autonomen Stromversorgung, ein universell einsetzbares Prozessierungs- und Auswertekonzept entwickelt. Diese sogenannte raumzeitliche Prozessierung kann durch den Einsatz der diskreten Wavelet- Transformation nahezu vollständig automatisiert werden. Dadurch wird die Analyse der Messreihen in der Orts-Frequenz- bzw. Zeit-Frequenz-Ebene ermöglicht und so die Lokalisierung und Charakterisierung von Unstetigkeitsstellen durchgeführt. Die zentralen Bestandteile der raumzeitlichen Prozessierung sind dabei:

• die automatische Korrektur von Fehlmessungen,

• die strukturorientierte Segmentierung und Approximation der Messprofile,

• die Unsicherheitsbestimmung in Zeitreihen.

Obwohl das Messrauschen eines Profilscanners im Vergleich zu traditionell für die Überwachung von Tragwerken eingesetzter Sensorik, wie z. B. induktiven Wegaufnehmern, um ein Vielfaches höher ist, gelingt durch den Einsatz der raumzeitlichen Prozessierung die Ableitung nahezu vergleichbarer Ergebnisse für die Deformationssignale. Insgesamt gesehen wird somit ein automatisierter und effizienter Auswerteprozess realisiert, der durch den Einsatz der diskreten Wavelet-Transformation Ausreißer erkennen und eliminieren bzw. kompensieren kann. Neben der Ergebnisableitung ist so auch eine Qualitätsbewertung unter umfassender Einbeziehung der redundanten Informationen als in situ Unsicherheitsbestimmung möglich.

Durch den Einsatz der raumzeitlichen Prozessierung wird an verschiedenen Beispielen das gesamte Anwendungsspektrum von Profilscannern für die Überwachung von Tragwerken gezeigt. Diese reichen von Eisenbahnbrücken bis hin zu Windenergieanlagen und decken den typischerweise bei Tragwerken auftretenden Frequenzbereich bis 10 Hz ab. Durch die nahezu kontinuierliche Erfassung der Tragwerksoberfläche können direkt Deformationsprofile entlang der Tragwerksstruktur abgeleitet werden. Damit wird u. a. die Aufdeckung von Unstetigkeitsstellen der Tragwerksstruktur, wie Risse oder Brüche sowie die Reduktion der Abhängigkeit von Vorwissen für die Messplanung ermöglicht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The monitoring of supporting structures is an important cornerstone for ensuring a solid technical infrastructure. Due to the ageing of supporting structures and the often increased mechanical load, the number of engineering structures to be monitored as well as the extent of the respective monitoring tasks are increasing. In order to cope with the resulting challenges, there is a need for an efficient acquisition of deformations under dynamic load. The aim of this thesis is the realisation of a monitoring system for supporting structures on the basis of a profile laser scanner. The contact-free acquisition method of profile laser scanners reduces the expense for personnel and instrumentation compared to conventional sensors used for the monitoring of civil engineering structures. It furthermore enables the measurement of non-accessible areas of the monitored supporting structures. In addition, the availability of information along an entire structural profile can be used to flexibly deal with a wide variety of problems. With a measurement rate of at least 50 Hz, typical structural deformation signals can be recorded and sufficient data can be collected to characterize the underlying deformation processes dependably. In addition to instrument-specific adaptations such as the sensor mounting, a special targeting accessory and an autonomous power supply, a universally applicable processing and evaluation concept was developed for the use of a profile laser scanner for the monitoring of supporting structures. The established processing and evaluation concept is based on the spatiotemporal resolution of the measurement data and is nearly automated due to the use of the wavelet transform. This enables the analysis of the measurement series in the spatial-frequency- or time-frequency-domain and thus performs the localization and characterization of discontinuities. The central components of the spatiotemporal processing scheme are: • automatic correction of erroneous measurements, • the structure-oriented segmentation and approximation of the measurement profiles, • the determination of the uncertainty of the measured time series. Altough the measurement noise of a profile laser scanner is higher in comparison to conventional sensors used for the monitoring of civil engineering structures, such as inductive displacement sensors, the use of the spatiotemporal processing scheme results in the derivation of almost comparable deformation signals. Overall, an automated and efficient evaluation process is thus realized, which can detect and eliminate outliers by using the discrete wavelet transform. In addition to the derivation of displacements, a quality assessment with comprehensive integration of the redundant information is possible as an in situ uncertainty determination. Various examples of the use of the spatiotemporal processing scheme show different applications of profile laser scanners for the monitoring of supporting structures. These range from railway bridges to wind power plants and cover the typical frequency bandwith up to 10 Hz which occur at supporting structures. Based on the almost continous acquisition of the supporting structures surface, deformation profiles can be derived directly. This enables, among other things, the detection of discontinuities of the supporting structure, such as cracks or fractures as well as the reduction of the dependence on previous knowledge for measurement planning.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Geodesy > Geodetic Measuring Systems and Sensor Technology
Date Deposited: 22 May 2018 07:31
Last Modified: 22 May 2018 07:31
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-72679
Referees: Eichhorn, Prof. Dr.-Ing. Andreas and Neuner, Prof. Dr.-Ing. Hans and Schneider, Prof. Dr.-Ing. Jens
Refereed: 16 February 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7267
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