Forschungsprojekt "HiPreSAT"

Die Randbedingungen für klassische DMS-Installationen können auf Grund schwieriger Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Schmutz, Feuchtigkeit am Bauwerk oft nicht eingehalten werden. Damit wird es im Vergleich zu Laborbedingungen anspruchsvoller, die für zuverlässige Messungen erforderliche Qualität der Messstellen zu erreichen und es entsteht oft ein unverhältnismäßig hoher Aufwand für die Schaffung geeigneter Randbedingungen mit unmittelbaren Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit. Die in der Praxis umgesetzten Installationen sind strenggenommen nur bedingt geeignet, um zuverlässige DMS-Langzeitinstallationen zu realisieren.

Das Projekt zielt auf die Entwicklung einer hochgenauen, langzeitstabilen Methode zur Dehnungsanalyse für das Bauwerksmonitoring ab. Dabei sollen die Grenzen bisheriger Lösungen überwunden werden, insbesondere in Bezug auf Genauigkeit, Langzeitstabilität und Wirtschaftlichkeit unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen wie Temperaturwechsel, Feuchtigkeit und erschwertem Zugang.

Leistungsanfragen im Bereich Bauwerksmonitoring fordern häufig die Installation von DMS-Messstellen ohne Berücksichtigung der dafür erforderlichen Randbedingungen. Als Lösungsansatz bietet die Industrie vorgefertigte anschweißbare DMS an, die einen technologisch einfacheren Installationsprozess versprechen. Bisherige Erfahrungen zeigen, dass unter diesen Umständen realisierte Projekte im späteren Verlauf häufig Qualitätsmängel in den Messdaten zeigen, welche aufwändige Reparaturen bedingen und das erhoffte Messergebnis bzw. Messziel gefährden. Zwei der wesentlichen Problemfelder betreffen die Langzeitstabilität des Messsignals und die Messgenauigkeit. Diese werden durch das Forschungsprojekt adressiert mit dem Ziel, in einer Kombination aus theoretischen und praktischen Untersuchungen eine substanzielle Verbesserung zu erreichen.

Das Projektziel besteht in der Entwicklung eines neuen Sensorkonzepts auf Basis anschweißbarer Dehnungsmessstreifen (DMS), das individuell gemessene Temperaturgänge berücksichtigt und eine zerstörungsfreie Übertragung auf das Bauwerk ermöglicht. Durch die Reduktion exemplarabhängiger Abweichungen im Temperaturverhalten der DMS soll die Messgenauigkeit deutlich erhöht werden. Gleichzeitig sollen aufwendige klassische DMS-Installationen vermieden werden, da diese häufig an physikalische und wirtschaftliche Grenzen stoßen. Ergänzend wird ein Schutzkonzept für die Messstellen erarbeitet, um eine langfristig stabile Signalqualität gegenüber Umwelteinflüssen sicherzustellen. Zudem dient das Konzept der Validierung und Verifizierung von Auslegungsberechnungen und Zustandsanalysen von Bauwerken.

Der Arbeitsplan gliedert sich in mehrere Arbeitspakete, die schrittweise aufeinander aufbauen. Zu Beginn steht die Sensorkonfiguration und die Anordnung der Schweißpunkte. Dabei werden zunächst geeignete Dehnungsmessstreifen (DMS) ausgewählt und angeordnet, wobei auch eine Erweiterung auf T-Rosetten vorgesehen ist. Anschließend erfolgt die Festlegung des Trägerwerkstoffs, der Trägergeometrie sowie der Schweißpunkte und Klemmbereiche, unterstützt durch eine Finite-Elemente-Analyse.

Darauf folgt das Arbeitspaket zur Präparations- und Fügetechnologie. Hier werden die Folien-DMS und Zwischenträger vorbereitet, die Punktschweißparameter optimiert, um eine qualitativ hochwertige Anbindung zu erreichen, und die Fügequalität durch mechanische Tests und metallografische Analysen überprüft.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der langzeitstabilen Abdeckung der Messstellen. Zunächst werden verschiedene Varianten für die Grund- und Zusatzabdeckung recherchiert, um anschließend geeignete Konfigurationen für beide Abdeckungen festzulegen.

Für den Nullpunktbezug wird eine Referenzmessmethode entwickelt. Dazu werden verschiedene Verfahren, etwa Faser-Bragg-Gitter-Sensoren oder Moiréinterferometrie, getestet. Die am besten geeignete Methode wird ausgewählt und für den Einsatz am Bauwerk angepasst.

Im Bereich der Charakterisierungsmethoden werden Biegeversuche konfiguriert, um die Sensoren zu kalibrieren. Es wird eine Klemmvorrichtung entwickelt, mit der exemplarbezogene Temperaturgänge erfasst werden können, gestützt durch Finite-Elemente-Analysen. Zudem wird eine Methode zur Untersuchung der Langzeitstabilität unter Laborbedingungen entwickelt, bei der Temperatur-, Feuchtigkeits- und Zeitregime im Klimaschrank getestet werden. Ergänzend entstehen Konzepte und Tests zur Charakterisierung der Fügequalität.

Das anschließende Arbeitspaket widmet sich der Charakterisierung des Sensors mit Abdeckung sowie der Dehnungsanalyse im Feldversuch. Hierzu werden Sensoren und Probekörper gefertigt und die Sensoren mittels Punktschweißen sowohl im Labor als auch im Feld aufgebracht. Danach erfolgt die umfassende Charakterisierung der Sensoren im Labor – einschließlich Kalibrierung, Temperaturgang und Langzeitstabilität – sowie unter Realbedingungen im Feld. Im Rahmen einer Dehnungsanalyse werden die Messwerte der Sensoren an Probekörpern im Feld mit bisherigen Methoden verglichen. Abschließend werden Validierungen durchgeführt, bei denen Temperaturgänge, Langzeitstabilität und Analysemethoden zwischen Labor und Feld sowie mit der Referenzmessmethode abgeglichen werden.

Ein weiteres Ziel ist die Ausweitung der Einsatzmöglichkeiten und die Stärkung der wirtschaftlichen Verwertungsbasis. Dazu werden bestehende Anwendungsfälle recherchiert und spezifische Vorschriften analysiert. Es werden die Vorteile der neuen Methode gegenüber aktuell verwendeten Verfahren herausgearbeitet und bisherige Untersuchungen ergänzt. Zudem wird eine verallgemeinerte Musterargumentation für den praktischen Einsatz entworfen. Darüber hinaus werden institutionelle Ansprechpartner identifiziert, um regulatorische Vereinfachungen zu fördern, und es werden Einschätzungen von Entscheidungsträgern zu Zertifizierungs- und Normungsmöglichkeiten eingeholt.

Zum Abschluss erfolgt die Ergebniszusammenführung und Evaluation. Dabei werden Zwischenergebnisse bewertet, mit den Projektzielen abgeglichen und ein Zwischenbericht erstellt. Nach der finalen Bewertung werden die Projektergebnisse zusammengeführt und im Abschlussbericht dokumentiert. Die Projektkoordination begleitet alle Phasen übergreifend und stellt den reibungslosen Ablauf sicher.

Mit der erfolgreichen Entwicklung der neuen Messmethode ist die Verwendung punktgeschweißter DMS mit langzeitstabiler Abdeckung vorgesehen, welche die Aufnahme exemplarbezogener Temperaturgänge zulassen. Dadurch werden die Kompensation von Temperatureffekten und präzise Langzeitmessungen insbesondere unter dem Einfluss von Feuchtigkeit ermöglicht. Dabei sollen Dehnungen über einen Zeitraum von mehreren Jahren mit einer höheren Genauigkeit als derzeit üblich gemessen werden können. Die Verwendung von anschweißbaren DMS reduziert darüber hinaus Aufwand, Komplexität und Fehleranfälligkeit des Installationsprozesses.

Für das Projekt HiPreSAT haben sich folgende Partner aus Wissenschaft und Praxis zusammengeschlossen:

• MKP GmbH: Erfahrungsträger auf dem Gebiet des messtechnischen Bauwerksmonitorrings mit umfangreichen Wissen von der Konzepterstellung, Planung, Installation und Betrieb von Monitoringsystemen

• Technische Universität Chemnitz, Professur Festkörpermechanik

Die AiF Projekt GmbH ist eine Tochtergesellschaft der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) und verantwortet die administrative Durchführung öffentlich geförderter Forschungsprogramme, insbesondere im Bereich der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF). Sie unterstützt Forschungsvereinigungen und Unternehmen bei Projektmanagement, Förderabwicklung und Qualitätssicherung.