Robuste Deformationsüberwachung von Brückenstrukturen unter Verwendung von MEMS-Accelerometern und bildgestützten Totalstationen
Dokumentinformationen
| Autor | Mohammad Omidalizarandi |
| Schule | Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover |
| Fachrichtung | Geodäsie und Geoinformatik |
| Veröffentlichungsjahr | 2020 |
| Ort | München |
| Dokumenttyp | dissertation |
| Sprache | German |
| Seitenanzahl | 260 |
| Format | |
| Größe | 44.80 MB |
- Brückenüberwachung
- Geodäsie
- Strukturgesundheitsüberwachung
Zusammenfassung
I. Einleitung
Die Robuste Deformationsüberwachung von Brückenstrukturen ist ein zentrales Thema im Bereich des Structural Health Monitoring (SHM). Diese Dissertation behandelt die Herausforderungen und Lösungen, die mit der Überwachung von Brücken verbunden sind. Insbesondere wird die Verwendung von MEMS-Accelerometern und bildgestützten Totalstationen hervorgehoben. Die Notwendigkeit einer kosteneffizienten und zuverlässigen Überwachung ist evident, da Brücken eine kritische Infrastruktur darstellen. Die Arbeit zeigt, dass die Überwachung nicht nur auf die Erkennung von Schäden abzielt, sondern auch auf die kontinuierliche Bewertung der strukturellen Integrität. Ein zentrales Anliegen ist die Entwicklung eines robusten Verfahrens zur Schwingungsanalyse, das die dynamischen Reaktionen von Brücken erfasst. Die Dissertation bietet einen umfassenden Überblick über die aktuellen Methoden und Technologien, die in diesem Bereich eingesetzt werden.
1.1 Hintergrund und Motivation
Die Überwachung von Brücken ist entscheidend für die Sicherheit und Langlebigkeit dieser Strukturen. Die Dissertation beginnt mit einer Analyse der bestehenden Methoden zur Deformationsüberwachung. Es wird festgestellt, dass traditionelle Methoden oft teuer und zeitaufwendig sind. Daher wird die Verwendung von MEMS-Accelerometern als vielversprechende Alternative vorgestellt. Diese Sensoren bieten eine hohe Abtastrate und sind kostengünstig, was sie ideal für die Überwachung von Brücken macht. Die Motivation hinter dieser Arbeit ist es, eine Methode zu entwickeln, die sowohl effektiv als auch wirtschaftlich ist. Die Dissertation zielt darauf ab, die Lücken in der aktuellen Forschung zu schließen und neue Ansätze zur Überwachung von Brücken zu präsentieren.
II. Methodik
Die Methodik dieser Dissertation umfasst mehrere Schritte zur Auswahl und Implementierung geeigneter MEMS-Accelerometer. Zunächst wird ein robustes Kalibrierungsverfahren entwickelt, um systematische Fehler zu modellieren. Diese Fehler können durch Bias, Skalierungsfaktoren und nicht-orthogonale Winkel zwischen den Achsen verursacht werden. Ein kontrolliertes Erregungsexperiment wird durchgeführt, um die Reaktion der Brücke auf definierte Stimuli zu testen. Die Dissertation beschreibt auch die Implementierung eines Robusten Zeitbereichs-Modalanalyseverfahrens (RT-MPI), das eine automatische Identifizierung von Eigenfrequenzen ermöglicht. Diese Methodik ist besonders wichtig, da die Schwingungsmessungen oft durch Farbrauschen beeinträchtigt werden. Die Dissertation hebt hervor, dass die Kombination von MEMS-Accelerometern und bildgestützten Totalstationen eine präzise Überwachung ermöglicht.
2.1 Kalibrierungsverfahren
Das Kalibrierungsverfahren ist ein kritischer Bestandteil der Methodik. Es wird ein dreistufiges Szenario vorgeschlagen, um die besten MEMS-Accelerometer auszuwählen. Zunächst erfolgt die Kalibrierung, gefolgt von einem kontrollierten Erregungsexperiment und schließlich einem statischen Test über einen längeren Zeitraum. Diese Schritte sind notwendig, um die Genauigkeit der Messungen zu gewährleisten. Die Dissertation zeigt, dass die RT-MPI-Methode eine robuste Schätzung der modalen Parameter ermöglicht, selbst wenn die Messungen durch externe Faktoren beeinflusst werden. Die Ergebnisse dieser Methodik sind entscheidend für die Validierung der verwendeten Sensoren und die Genauigkeit der Überwachung.
III. Ergebnisse und Diskussion
Die Ergebnisse der Dissertation zeigen, dass die MEMS-Accelerometer in der Lage sind, alle relevanten Eigenfrequenzen der Brückenstrukturen zu identifizieren. Die Schwingungsanalyse zeigt, dass die Amplituden mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich geschätzt werden können. Die Dissertation vergleicht die Ergebnisse mit den Werten, die von Referenzsensoren wie Geophonen und Lasertrackern erhalten wurden. Diese Vergleiche bestätigen die Effektivität der vorgeschlagenen Methoden. Die Analyse zeigt auch, dass die RT-MPI-Methode überlegen ist im Vergleich zu traditionellen Ansätzen wie der SSI-COV-Methode. Die Dissertation schließt mit der Feststellung, dass die Fusion von IATS und MEMS-Messungen zu hochgenauen Zeitreihen führt, die für die Überwachung von Brücken von entscheidender Bedeutung sind.
3.1 Praktische Anwendungen
Die praktischen Anwendungen der in dieser Dissertation entwickelten Methoden sind vielfältig. Die Ergebnisse können in der realen Welt zur Überwachung von Brücken eingesetzt werden, um deren strukturelle Integrität zu gewährleisten. Die Dissertation beschreibt mehrere Fallstudien, die die Anwendbarkeit der Methoden in verschiedenen Umgebungen demonstrieren. Diese Fallstudien umfassen sowohl Simulationen als auch reale Anwendungen an Fußgängerbrücken und synthetischen Brücken. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelten Verfahren nicht nur theoretisch fundiert, sondern auch praktisch umsetzbar sind. Die Dissertation hebt die Bedeutung der kontinuierlichen Überwachung hervor, um potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen und die Sicherheit der Brücken zu gewährleisten.
Dokumentreferenz
- Robust Deformation Monitoring of Bridge Structures Using MEMS Accelerometers and Image-Assisted Total Stations (Mohammad Omidalizarandi)
- Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Geodäsie und Geoinformatik der Universität Hannover
- Covariance Driven Stochastic Subspace Identification (SSI-COV)
- Kalman Filter
- Generalised Expectation Maximisation Algorithm