Zezelj Bridge, Novi Sad.
Die neue Zezelj Bridge in Novi Sad (im Bau). Quelle: Shutterstock.com

Brückenüberwachung mit Messtechnik von HBM

Überwachungslösung mit 472 Sensoren ermöglicht Langzeitsteuerung der Leistungsmerkmale der Brücke

Die Žeželj-Brücke in Novi Sad, Serbien, war eine Bogenbrücke für den Schienen- und Straßenverkehr über die Donau. Erbaut wurde sie 1961 von Branko Žeželj, einem bekannten Bauingenieur. Die Konstruktion mit vorgespanntem Beton war zu dieser Zeit einmalig und es gab viele, die Zweifel an der Haltbarkeit der Konstruktion hatten. Um die Zweifler zu beruhigen, ruderte Branko während des Aufbringens der Prüflasten mit einem Boot unter die Brücke. 

Die Brücke wurde jedoch während der NATO-Luftangriffe 1999 zwölf Mal bombardiert und schließlich, nach mehreren direkten Treffern, am 23.4.1999 zerstört. Sie war die letzte der Donau-Brücken Novi Sads, die dem NATO-Einsatz im Rahmen der „Operation Noble Anvil“ zum Opfer fiel.

Eine neue Brücke, die Menschen, Länder und Wirtschaftsräume verbindet

Nun wird wieder eine neue Žeželj-Brücke gebaut, die Ende 2017 fertiggestellt sein soll. Die Konstruktion wird ähnlich der alten Brücke sein, als Werkstoff werden jedoch Stahlbögen verwendet. Sie wird 474 m lang sein, mit zwei Bahngleisen für einen internationalen Korridor sowie zwei Fahrspuren für den Straßenverkehr und zwei Spuren für Radfahrer und Fußgänger.

Die Europäische Union ist an der Finanzierung dieses Projekts beteiligt, da es sich hier um eine lebenswichtige Verkehrsader für die Balkanstaaten und die EU handelt.


Mechanical structure of a bridge
Mechanische Konstruktion der neuen Brücke (Grafik: TRC)

Moderne Konstruktionen erfordern leistungsstarke Konzepte für die Überwachung

Aufgrund der unterschiedlichen Arten und Intensitäten der Lasten und weil die sichere Konstruktion einer Brücke im täglichen Leben von großer Bedeutung ist, erfordert die Zustandsüberwachung von Brücken für den Bahn- und Autoverkehr höchst komplexe Systeme.

Der Fachbereich für Bauwesen und Geodäsie (FTN - The Faculty of Technical Sciences, Novi Sad) in Zusammenarbeit mit TRC PRO (Technical Research Center) setzte Messtechnik von HBM ein, um eine sichere Konstruktion der neuen Brücke für den Schienen- und Straßenverkehr zu gewährleisten.

Structural Health Monitoring (SHM - Strukturüberwachung) erfolgt über eine Reihe von Aktivitäten wie beispielsweise Beobachtung, Datenerfassung sowie Übertragung und Auswertung der durch Langzeitmessungen während der Nutzungsdauer der Brücke erfassten Daten. Das Ziel der Zustandsüberwachung der Brücke ist der Aufbau einer Datenbank zur Nachverfolgung des Verhaltens der Brückenkonstruktion, um jegliche Verschlechterung der Sicherheit und Leistungsmerkmale der Brücke zu verhindern (Tragkraft, Steifigkeit, Nutzbarkeit und Haltbarkeit).


PMX Data Acquisition System
Datenerfassungssystem PMX

Zuverlässige Sensortechnik

Zum Grundinstrumentarium für Messungen gehören Dehnungsmessstreifen, die direkt an der Brückenkonstruktion oder als messende Elemente in Kraftaufnehmern installiert werden. DMS-basierte Sensoren bieten den Vorteil einer hohen Langzeitstabilität. Dies ist wichtig für dieses Projekt, da sie während der gesamten Nutzungsdauer der neuen Brücke in Betrieb sind und es unmöglich wäre, die Überwachung für eine Rekalibrierung zu stoppen.

Zusätzlich bieten die in dieser Anwendung eingesetzten Dehnungsmessstreifen der Serie LY41 von HBM eine gute Temperaturkompensation. Dies ist unbedingt erforderlich, da die Konstruktion unterschiedlichsten Wetter- und Temperaturbedingungen ausgesetzt ist.

Zur Datenerfassung wird das System PMX von HBM eingesetzt. 

Nach der Installation wird die Messstelle mit einer Abdeckung versehen, um Schäden und elektromagnetische Störungen (EMI) zu verhindern.

Kritische Brückenabschnitte

Dieses Projekt umfasst eine dezentrale Konfiguration mit mehreren Kanälen für die dauerhafte Beobachtung kritischer Abschnitte der Brücke:

  • Experimentelle Spannungsanalyse (Betriebsfestigkeitsprüfung): 4 Bereiche in der Mitte der Spannweite, 8 Tragwerksbereiche und 2 Bereiche während der Inbetriebnahme
  • Kraftmessung in den Hängern: 12 Hänger
  • Vertikale Verschiebewege: 12 Bereiche in der Mitte der Spannweite und 8 Tragwerksbereiche
  • Längsverschiebewege: 4 Tragwerksbereiche
  • Neigungen: 12 Bereiche in der Mitte der Spannweite und 9 Tragwerksbereiche
  • Beschleunigung, Frequenz und Dämpfungsparameter: 12 Bereiche in der Mitte der Spannweite und 9 Tragwerksbereiche
  • Temperaturmessung an der Brückenkonstruktion: 12 Bereiche in der Mitte der Spannweite und 9 Tragwerksbereiche
Installed strain gauge on a bridge
Direkt an der Brückenkonstruktion angebrachter DMS-Aufnehmer mit Temperaturkompensation (Bild: TRC)
Protected strain gauge
DMS-Messstelle mit Messstellenschutz (Bild: TRC)
PMX Data Acquisition System on the bridge
Position des Mess- und Steuerungssystems PMX auf der neuen Brücke
Bridge structure with PMX
Brückenkonstruktion mit Position des Überwachungssystems PMX (rot markiert)
Construction and monitoring detail
Konstruktions- und Überwachungsdetail in einem Tragwerksbereich

472 installierte Sensoren

Insgesamt sind 472 Sensoren und Aufnehmer installiert:

  • 328 Dehnungsmessstreifen (Serie LY41) von HBM in 14 Abschnitten (experimentelle Spannungsanalyse)
  • 80 Kraftaufnehmer (Überwachung der Kraft in den Hängern)
  • 12 Wegaufnehmer in 4 beweglichen Tragwerksabschnitten (horizontale Verschiebewege)
  • 32 zweiachsige Neigungsmesser (Neigung in zwei Achsen und vertikale Verschiebewege aus Beschleunigungsmessungen) mit eingebetteten dreiachsigen Beschleunigungsmessern
  • und Temperatursensoren in 20 Abschnitten der Konstruktion und einem Abschnitt im Bereich des Mittelpfeilers

Einstellungen können direkt an der Messstelle vorgenommen werden

Einstellungen können direkt an der Messstelle vorgenommen werden

Das System für die Messung und Datenerfassung sowie Steuerung muss verschiedene Aufgaben erfüllen: schnelle und zuverlässige Messungen, einfaches Einrichten, Echtzeitberechnungen, Diagnoseinformationen, keine Installation zusätzlicher Software und günstiger Preis.  Dies alles kann durch Einsatz des Mess- und Steuerungssystems PMX erreicht werden.

Um es zusätzlich gegen Staub und elektromagnetische Störungen zu schützen, wurde das Datenerfassungssystem PMX in einen Schaltschrank eingebaut – eine kostengünstige Lösung, die auch das Netzteil beinhaltet.

Im ersten Schritt, werden alle Signale mit einer Messrate von 19,2 kHz abgefragt, was eine hohe Messbandbreite und die Auswertung der Messsignale garantiert. Alle Einstellungen am PMX‐System erfolgen über die Standard-Ethernet-Schnittstelle und den internen PMX-Server.

Diese Lösung bietet einen großen Vorteil: Einstellungen können direkt an der Installationsstelle oder über das Ethernet-Netzwerk in der Anlagenwarte oder, wenn zusätzlich WLAN vorhanden ist, sogar aus der Ferne vorgenommen werden. So hat jeder Ingenieur in Echtzeit Einblick in die Anwendung und den Status der Prüfung. Eine integrierte Bedienersteuerung verhindert unsichere Bedienvorgänge.

PMX mounted in a cabinet
In einem Schaltschrank in der Brückenkonstruktion installiertes Überwachungssystem PMX (Bild: TRC)
Screenshot of the PMX webserver
PMX-Webserver-Übersicht mit Messsignalen, berechneten Signalen und Eingangs-/Ausgangssignalen (HBM)

Konzept für die Datenspeicherung

Die Anforderungen umfassten verschiedene Aufgaben: Im Rahmen der Langzeitüberwachung werden alle Daten von den PMX‐Systemen über das Ethernet-Netzwerk in der Brücke an einen Datenserver für die Auswertung und Steuerung übertragen. Als Backup verfügt jedoch jedes PMX über einen internen Datenlogger und legt die Daten mit einem Zeitstempel in seinem internen Speicher ab. So gehen die Messdaten im Falle eines Zusammenbruchs des Ethernet-Netzwerks nicht verloren. Nach Wiederherstellung der Netzwerkverbindung können die Daten von jedem PMX an den Datenserver übertragen werden.

Aufbau eines Netzwerks für die Zustandsüberwachung

Die PMX-Systeme für die Überwachung sind über die ganze Brücke verteilt aufgestellt, d.h. über eine Entfernung von circa 500 Metern. Um verwertbare Messergebnisse zu erhalten, muss jedoch die Messrate jedes einzelnen PMX-Systems und jedes Messkanals synchronisiert werden. Daher bietet jedes PMX-System eine Möglichkeit zur Synchronisation.

 

 

Leistungsstarke Echtzeitberechnung mit den „Smart Functions“ von PMX

Im zweiten Schritt müssen die gewünschten und relevanten Informationen in Echtzeit berechnet werden. Das kann mit Hilfe der Smart Functions von PMX geschehen. Die Arbeit mit diesen Funktionen ist auch für Bediener ohne weitergehende Softwarekenntnisse kein Problem. Zu den Smart Functions gehören verschiedene mathematische Funktionen wie ein Taschenrechner, Logikfunktionen und Prozessauswertungen bis zu Regelfunktionen wie ein PID-Regler.

Diagnose in Echtzeit mit dem Überwachungssystem PMX

In der PMX-Logdatei ist eine detaillierte, tiefer gehende Diagnose gespeichert. Die Datei ist im internen Speicher des PMX abgelegt. Sie enthält alle aufgetretenen Geräte- und Messfehler sowie jegliche Änderungen der Parametrierung durch den Bediener. Dadurch kann der gesamte Prüf- und Messvorgang zu 100% abgedeckt werden.

Datenerfassung und -auswertung

Im Pflichtenheft hatte das Ingenieursteam eine einfach zu bedienende, robuste und leistungsstarke Software für die Datenerfassung und Auswertung definiert. „ Das Teilsystem für die Datenverarbeitung (Mehrzweck-Computersystem für Erfassung, Übertragung und Verarbeitung von Daten), das die PMX-Geräte von HBM bieten, verwendet eine kundenspezifisch entwickelte, anwenderfreundliche Software von HBM für die Darstellung der Daten in catman von HBM", sagt Hotimir Licen von TRC PRO.

Mit catman lässt sich die gesamte Datensicherung und -visualisierung realisieren. Für unterschiedliche Überwachungsaufgaben können verschiedene grafische Nutzerfenster und Datenlogger eingerichtet werden. Zusätzlich ist auch ein System für die Ereignisüberwachung in Kombination mit der Aussendung von E-Mails oder Push-Benachrichtigungen an ein Mobiltelefon möglich. Dies bietet eine unmittelbare Rückmeldung von der Überwachungsaufgabe und die Brückensteuerung kann reagieren und das richtige Verkehrssignal setzen, um den Verkehr auf der Brücke zu regeln und die Beanspruchung zu reduzieren.

Data logging with PMX
Data logging with PMX

„Der PMX-Webserver hat sich für uns als ein sehr nützliches Werkzeug für Parametrierung, Konfiguration und Steuerung erwiesen. Wir haben keine zusätzliche Software benötigt und konnten den Standard-Webbrowser auf unserem PC, Tablet oder Smartphone nutzen. Darüber hinaus ist er in Echtzeit überall im Bereich der Brücke verfügbar.“

Hotimir Licen von TRC PRO

Gute Ergebnisse, auch mit kleinem Budget

Da das Budget für die Strukturüberwachung begrenzt war, entschied man sich für die Plattform PMX als Lösung mit einem ausgezeichneten Preis-/Leistungsverhältnis. Hotimir Licen von TRC PRO zufolge bietet es folgende Vorteile:

  • Beste Genauigkeit und hohe Auflösung
  • Die Möglichkeit sowohl statische als auch dynamische Ereignisse zu messen
  • Ein Universalsystem für DMS- und induktive Brückensensoren
  • Spannungsanalyse mit Temperaturkompensation jedes Kanals in Halbbrückenschaltung durch die Geräte
  • Verteiltes System mit Ethernet-Schnittstelle
  • Synchrones Messen aller Kanäle dank NTP-Zeitsynchronisation
  • Autonomer Betrieb mit Datensicherung auf lokales USB-Laufwerk im PMX‐System und Fernzugriff auf einen PC mit der Software catman von HBM