AT506144B1 - Verfahren zur bestimmung von kritischen betriebszuständen - Google Patents

Description

oiteüsäisd'is patenuintt AT06 144 B1 2009-09-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Derartige Verfahren werden im Bereich der automatisierten Überwachung von Bauwerken, insbesondere Brücken, sowie zur Vorhersage von eventuellen Schäden an Bauwerken verwendet.

[0003] Hintergrund der Erfindung ist die in letzter Zeit verstärkte Verwendung von Messbzw. Überwachungsanlagen von Schwingungszuständen von Bauwerken.

[0004] Ausgangspunkt der Erfindung ist die Erfassung von Schwingungen an Brücken mittels Schwingungssensoren zur Messung von Eigenschwingungen und Eigenfrequenzen. Die entsprechenden Schwingungsfrequenzen werden mit unterschiedlichen Umwelteinflüssen para-metrisiert bzw. modelliert werden.

[0005] Problematisch ist in diesem Zusammenhang eine exakte Indikation und Identifikation von schadhaften Betriebszuständen, da Struktur und die damit einhergehenden Statistiken und dynamischen Eigenschaften jedes einzelnen Bauwerks unterschiedlich sind. Ziel der Erfindung ist es, schadhafte Betriebszustände zu identifizieren sowie eine Schädigung des entsprechenden Bauwerks möglichst frühzeitig zu prognostizieren und die Anpassungen des Prognoseverfahrens an einzelne Bauwerke möglichst zu automatisieren.

[0006] Die Erfindung löst dieses Problem mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1.

[0007] Erfindungsgemäß wird erreicht, dass sowohl eine Kalibrierung als auch die tatsächliche Vermessung des entsprechenden Bauwerks mit derselben Messanordnung bzw. Messkonfiguration durchgeführt werden kann. Weiters ist von Vorteil, dass ein einzelner Indikatorfunktionswert ermittelt wird, welcher über den Zustand des entsprechenden Bauwerks Aufschluss gibt. Es ist somit möglich, eine binäre Schadensidentifikation zu bestimmen.

[0008] Weiters betrifft die Erfindung einen Datenträger, auf dem ein Programm zur Durchführung eines der erfindungsgemäßen Verfahren gespeichert ist.

[0009] Ein Verfahren gemäß dem Anspruch 2 hat den Vorteil, dass eine entsprechende statistische Verteilungsfunktion einfach und schnell gebildet werden kann.

[0010] Mit einem Verfahren gemäß Anspruch 3 kann auf einfache Weise eine Schadensidentifikation vorgenommen werden.

[0011] Ein Verfahren gemäß dem Anspruch 4 ist effizient und mit geringem Aufwand durchzuführen.

[0012] Ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 5 oder 6 verhindert das Auftreten von Fehlalarmen durch falsche Schadensmeldungen.

[0013] Fig. 1 zeigt schematisch das Bauwerk, z. B. eine Brücke, mit entsprechenden Messeinrichtungen.

[0014] Fig. 2a, 2b zeigen schematisch die Verteilung der Messwerte Mm um einen gegebenen Sollwert mit zwei unterschiedlichen Sollwert-Modellen.

[0015] Fig. 3 zeigt eine eindimensionale Wahrscheinlichkeits-Verteilungsfunktion mit unterschiedlichen Radien R der entsprechenden Raumbereiche Ώ.

[0016] Fig. 4 zeigt die Ermittlung des Indikatorfunktionswerts.

[0017] Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Indikatorfunktionswerts.

[0018] Zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden an einem Bauwerk, insbesondere einer Brücke, Messgeräte zur Ermittlung von Messwerten m, angebracht. Die gemessenen Größen können entweder direkt am Bauwerk bestimmt werden, insbesondere die 1/7 tarssÄiies patemt AT06144B1 2009-09-15

Messung der Bauwerkstemperatur, von Schwingungen des Bauwerks sowie der Belastung, vorzugsweise die Belastung von Brücken durch den Autoverkehr. Ferner können Messgrößen auch in der Umgebung des Bauwerks bestimmt werden, insbesondere die Lufttemperatur rund um das Bauwerk oder der Schall in unmittelbarer Nähe des Bauwerks etc.

[0019] Grundsätzlich wird zwischen äußeren oder externen Einflüssen und mechanischen Reaktionen des entsprechenden Bauwerks unterschieden. Wird als Bauwerk eine Brücke betrachtet, sind äußere Einflüsse beispielsweise die Gewichtsbelastung durch den KFZ-Verkehr, Temperatur und Witterung, vorzugsweise Sonneneinstrahlung.

[0020] Zur Bestimmung des Verhaltens bzw. der Reaktion der Brücke werden die entsprechenden mechanische Messgrößen in Bezug auf äußere Umwelteinflüsse ermittelt. Dies geschieht insbesondere durch Messung von Schwingungen, welche an einzelnen Punkten des Bauwerks abgegriffen oder bestimmt werden.

[0021] Für die Klassifikation bzw. die Unterteilung in kritische und unkritische Zustände wird ein Modell zur Bestimmung eines Soll-Werts oder eines Soll-Zustandes verwendet. Ein derartiges Modell kann beispielsweise durch eine Finite-Elemente Simulation gewonnen werden, oder aber durch Anpassung entsprechender Modellparameter an gegebene Messwerte festgelegt werden. Je nach Detailtreue des entsprechenden Modells können einzelne auf den Zustand des Bauwerks bezogene Messwerte in Abhängigkeit von einer Anzahl unterschiedlicher aufgenommener Einflussparameter bestimmt werden. Je detaillierter ein derartiges Modell ist, desto mehr Einflussparameter können berücksichtigt werden, wodurch die entsprechenden Soll-Wertabweichungen einzelner Messwerte während des unkritischen Betriebszustandes verringertwerden.

[0022] Aus zum selben Zeitpunkt aufgenommenen Messwerten wird ein Vektor Mm gebildet. Weiters werden Umgebungsvariablen, insbesondere Temperatur T und Belastung ε aufgenommen und in das, die Bauelemente charakterisierende Modell eingesetzt. Nach der Auswertung des Modells erhält man einen Vektor von Sollwerten Ms. Der Vektor Με der aufgenommenen Messwerte und der Vektor Ms der aus dem Modell ermittelten Sollwerte werden verglichen und die Abweichung ΔΜ wird festgestellt.

[0023] Obwohl eine genaue Übereinstimmung zwischen dem Sollwert-Vektor Ms und dem gemessenen Vektors Mm typischerweise nicht erzielt werden kann, ist während eines unkritischen Betriebszustandes eine ungefähre Übereinstimmung weitestgehend gegeben und die Abweichung AM=||MS -Mm|| ist relativ gering.

[0024] Die entsprechenden Abweichungen der einzelnen Messwerte Mm von dem vorgegebenen Sollwerten Ms können in einem, insbesondere mehrdimensionalen, Verteilungsdiagramm gemäß Fig. 2a dargestellt werden. In diesem Diagramm sind die Abweichungen der ersten sowie der dritten Eigenfrequenz vom Soll-Wert aufgetragen. Gemäß Fig. 2b ist ersichtlich, dass eine Berücksichtigung unterschiedlicher Einflussparameter die Varianz der entsprechenden Verteilungsfunktionen pdf verringert. Eine besonders einfache Formel zur Auffindung einer normierten Verteilungsfunktionen ergibt sich aus der Formel pdf(A)=. Die Anzahl der Dimensionen der Verteilungsfunktion ergibt sich aus der Anzahl der gemessenen Eigenfrequenzen.

[0025] Fig. 3 zeigt die Anwendung dieser Formel bei einem Vektor umfassend zwei Messwerte. Hierbei ist N die Anzahl der Messungen, Ώ ein festgelegter Raumbereich der Vektoren rund um den Wert der Abweichung ΔΜ vom Soll-Wert und ΝΏ(ΑΜ) die Anzahl der Abweichungen ΏΜ vom Sollwert, welche sich innerhalb des Raumbereiches Ώ befinden. Entsprechende Raumbereiche Ώ können beispielsweise Hyperkugeln mit vorgegebenem Radius R sein. Selbstverständlich ist es möglich, Anpassungen, insbesondere an die Verteilung der entsprechenden Messwerte, vorzunehmen. Die Normierung durch entsprechende Division durch die Anzahl N der Messungen sowie durch die Fläche des Raumbereichs Ώ hat den Vorteil, dass in der weiteren Behandlung keine Skalierung mehr vorgenommen werden muss.

[0026] Fig. 4 zeigt, wie aus der Verteilungsfunktion pdf eine Funktion P oder ein Funktional P bestimmt wird, deren statistische Verteilung ein Maß dafür liefert, ob ein Betriebszustand als 2/7

Claims (7)

1. iKte-fcscsstiiö pafeiat AT06144B1 2009-09-15 kritisch angesehen wird. Es kann hierbei für einen beliebigen Vektor Mm mit einer Abweichung ΔΜ vom Sollwert Ms sowie mit einer Verteilungsfunktion pdf eine entsprechende Funktion P(pdf, ΔΜ) gebildet werden. Es wird das Integral der Verteilungsfunktion pdf über jenen Bereich Γ gebildet, in dem der entsprechende Wert der Verteilungsfunktion pdf kleiner ist als das entsprechende, für den Vektor M mit der Abweichung AM ausgewertete Ergebnis der Verteilungsfunktion pdf. Der Wert der Indikatorfunktion bzw. Funktion P kann entsprechend der Gleichung P(pdf, ΔΜ) = JJ/rpdf(A) dl", wobei T(A) = {A: pdf(AM) > pdf(A)}, für eine Verteilung eines drei Werte umfassenden Vektors bestimmt werden. Für einzelne aufgenommene Vektoren M von Messwerten m wird die Funktion Ρ(ΔΜ) der Abweichung AM gebildet. Im unkritischen Betriebszustand weist die Funktion Ρ(ΔΜ) eine uniforme statistische Verteilung bzw. Gleichverteilung zwischen den Werten 0 und 1. [0027] Aus den Funktionswerten Ρ(ΔΜ) wird ein Indikator p(P) gebildet, der über den Betriebszustand des Bauwerkes aussagt. Indikator μ(Ρ) ist der Mittelwert der Funktionswerte Ρ(ΔΜ) aus dem aktuell beobachteten Zeitraum, insbesondere 12 bis 90 Stunden, vorzugsweise die letzten 48 Stunden. [0028] Fig. 5 zeigt, wie die resultierenden Werte des Indikators p(P) mit einem vorbestimmten Schwellwert Z verglichen werden, wobei das Unterschreiten des Schwellenwertes Z als Vorliegen eines Schadens am Gebäude angesehen wird. [0029] Als Schwellenwert Z kann dabei ein Wert zwischen 1 % und 50% des zeitlichen Mittelwertes jener Funktionswerte angesehen werden, welche während eines Zeitintervalls aufgenommen worden sind, in welchem der Zustand des Bauwerkes, insbesondere durch verfahrensunabhängige Überprüfungen, für unkritisch angesehen wird. Der Schwellenwert Z wird aus den vorliegenden Messungen so festgelegt, dass beim unkritischen Betriebszustand keine oder minimale Schwellenunterschreitungen stattfinden. [0030] Ferner ist in Fig. 5 ein entsprechender Vergleich der einzelnen ermittelten Indikatorfunktionswerte P mit dem Schwellenwert Z dargestellt. Es sind der zeitliche Verlauf P2 der Funktion P bei einem intakten Bauwerk, der zeitliche Verlauf Indikatorfunktion P bei einem defekten Bauwerk P3 sowie der zeitliche Verlauf P5 bei einem weiteren Bauwerk dargestellt, welches zu bestimmten Zeitpunkten bzw. bei bestimmten Umgebungsparametern schadhaft sein kann. Kritisch Ereignisse Ekrit werden gemeldet, wenn der entsprechende Schwellenwert Z unterschritten ist. Bei diesem Bauwerk wird der Schwellenwert Z zu einzelnen Zeitpunkten Ekrit unterschritten und ein Schaden wird gemeldet. Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung von kritischen Betriebszuständen mit statistischen Verfahren, insbesondere mittels einer Schwingungsmessanlage, bei Bauwerken, vorzugsweise Brücken, an welchen Vektoren (M) umfassend eine Reihe von auf das Bauwerk bezogenen oder am Bauwerk gemessenen Messwerten (m,), insbesondere Eigenfrequenzen (fe) oder Eigenschwingungen, sowie Einflussparameter, vorzugsweise Temperatur (T) oder die Belastung (ε), ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, - dass ein mathematisches Modell zur Bestimmung eines Sollwertes für die einzelnen Messwerte (m,) in Abhängigkeit unterschiedlicher aufgenommener Einflussparameter ermittelt oder vorgegeben wird, - dass einzelne Messwerte (m,) ermittelt werden und aus Messwerten, welche zur selben Zeit aufgenommen worden sind, ein Vektor (Mm) gebildet wird, - dass zum Zeitpunkt der Aufnahme der jeweiligen Vektoren Mn Einflussparameter gemessen werden und diesen Vektoren zugeordnet werden, - dass für eine vorgegebene Anzahl von Vektoren (Mm) von Messwerten (m,) die zugeordneten Einflussparameter in das Modell eingesetzt werden, die einzelnen, durch Auswertung bestimmter Ergebnisse der Modellfunktion als Sollwerte für die entsprechende Messwerte angesehen werden und Sollwerten (s) ein Vektor (Ms) gebildet wird 3/7 toHÄsche fHtemt AT06144B1 2009-09-15 - dass für aufgenommene Vektoren (Mm) die Abweichung (ΔΜ) zwischen dem aus dem Modell bestimmten Vektor (Ms) von Sollwerten und dem tatsächlichen gemessenen Vektor (Mm) gebildet wird, - dass eine statistische Verteilungsfunktion (pdf(AM)) gebildet wird, welche die Verteilung der entsprechenden Abweichungen (AM) der gemessenen Vektoren (Mm), insbesondere normiert, wiedergibt, - dass eine Funktion (P) zur Indikation von kritischen Betriebszuständen gebildet wird, welche für einen beliebigen Vektor (M) mit der Abweichung (ΔΜ) vom Sollwert das Integral der Verteilungsfunktion (pdf) über jenen Bereich (I") bildet, in dem der entsprechende Wert der Verteilungsfunktion (pdf) kleiner ist als das entsprechende, für den Vektor (M) ausgewertete Ergebnis der Verteilungsfunktion (pdf) entsprechend der Gleichung P(pdf, ΔΜ) = [ [ [rpdf(A) dl”, wobei Γ(Δ) = {Δ: pdf(AM) > pdf(A)}, - dass für eine vorgegebene Anzahl von aufgenommen Vektoren (M) von Messwerten (m,) die Funktion P (pdf, Ρ(ΔΜ)) der Abweichung (ΔΜ) vom Sollwert gebildet wird, und - dass ein Wert der Funktion (P) unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts (Z) als Vorliegen eines Schadens am Bauwerk angesehen wird.
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Bildung der Indikatorfunktion (P) eine Normierung der Verteilungsfunktion (pdf) mittels der Formel pdf(A)= Γ^Δ) N ·Ω erfolgt, wobei (N) die Anzahl der Messungen ist, (0) ein festgelegter Raumbereich im Raum der Vektoren rund um den Wert der Abweichung (ΔΜ) vom Sollwert ist und ΝΩ(ΔΜ) die Anzahl der Abweichungen (ΔΜ) vom Sollwert ist, welche sich innerhalb des Raumbereichs (Ω) befinden.
3. 3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwellenwert (Z) gewählt wird, der zwischen 1% und 50% des Mittelwertes der mit im unkritischen Zustand gemessenen Vektoren (M) beaufschlagten Indikatorfunktionen liegt.
4. 4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumbereich (Ω) eine Hyperkugel mit vorgegebenem Radius (R) ist.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Indikatorwert (μ(ρ)) als zeitlicher Mittelwert der Funktion (P) bestimmt wird, und - dass bei Unterschreiten des Schwellwertes (Z) durch den Indikatorwert (μ) ein Schaden als erkannt angesehen wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall zur Bildung des Mittelwertes bei der Berechnung des Indikatorwertes 12 bis 90 Stunden beträgt.
7. 7. Datenträger, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Programm zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 gespeichert ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 4/7