Eine neue Generation von miniaturisierten, sensorbasierten Monitoringsystemen nutzt hochgenaue MEMS-Inertialsensoren, um strukturelle Veränderungen, Schädigungen und kritische Beanspruchungszustände von Gebäuden und Bauwerken frühzeitig zu erkennen.

Inertialsensoren werden seit rund 25 Jahren auf Basis von Silizium-Mikrosystemen entwickelt. Seitdem haben sich die Sensortechnologien stetig weiterentwickelt. First Sensor verfügt über eine neuartige Technologieplattform zur Herstellung von Inertialsensoren mit kapazitivem Wirkprinzip.

Hohe Temperaturstabilität
Die Sensoren basieren auf einkristallinen Silizium-Sensorelementen und werden mit neuesten mikromechanischen Verfahren hergestellt. Einer der Vorteile liegt in der hohen Temperaturstabilität der Sensorelemente, durch welche sich komplexe Kalibrierverfahren deutlich vereinfachen lassen. Weiterhin bieten die Sensoren ein sehr hohes Signal-Rausch-Verhältnis und erzielen beispielsweise bezüglich der Neigungsmessung sehr hohe Auflösungen beziehungsweise Genauigkeiten von kleiner als einem Tausendstel Grad. Neben der Messung kleinster Winkeländerungen werden in Anwendungen der Überwachung des Zustands von Strukturen auch Beschleunigungs- und Vibrationssensoren eingesetzt, um mittels Schwingungsmessungen Aussagen über die Eigenfrequenzen und Eigenformen zu treffen. Dadurch ist es wiederum möglich, Veränderungen der Steifigkeit oder Massenverteilung infolge von Schädigungen im Material zu bestimmen.

Fürs Bauwesen entwickelt
Im Bauwesen sind auftretende Schwingungen typischerweise sehr tieffrequent. Auch die ersten Eigenfrequenzen der zu überwachenden Gebäude liegen in der Regel bei unter 10 Hz. Die neuen Inertialsensoren von First Sensor verfügen über konfigurierbare Filter-, Verstärkungs- sowie Offseteinstellungen und können in Abhängigkeit des Messbereichs Schwingungsamplituden zwischen 5…100 µg bei einer Bandbreite von 3…420 Hz zuverlässig auflösen. Durch diese Flexibilität lassen sich die Sensoren optimal an spezifische Anforderungen anpassen und ermöglichen sehr effiziente Structural-Health-Monitoringsysteme (SHM). Als SHM bezeichnet man Verfahren, welche die Überwachung von Strukturen und die Diagnose des Zustandes der entsprechenden Bestandteile zu jedem Zeitpunkt während der Lebensdauer ermöglichen. Das Versagen eines Tragwerks (zum Beispiel bei Türmen, Brücken, Windkraftanlagen, historischen Gebäuden) kann im schlimmsten Fall zum Verlust von Menschenleben führen und darüber hinaus gravierende Umweltschäden und schwere volkswirtschaftliche Konsequenzen zur Folge haben. Insbesondere die Tragwerksschädigung durch Abnutzung, chemische Alterung, Materialermüdung oder außergewöhnliche Beanspruchungen, aber auch erhöhte klimatische Einwirkungen oder geotechnische Prozesse wie Setzungen oder Hangrutschungen können die Ursache für ein unvorhergesehenes Verhalten von Tragwerken sein. Durch den Einsatz von Neigungssensoren werden beispielsweise Verdrehungen an Tragwerken gemessen und damit der Verformungs- und Beanspruchungszustand detektiert. So kann frühzeitig auf ein Versagen der Bestandteile geschlossen werden und es lassen sich rechtzeitig entsprechende Instandhaltungsmaßnahmen ergreifen.

Integration in Monitoring-Systeme
Die Integration der Sensoren in Monitoring-Systeme für die Zustandsüberwachungen von Gebäuden ist Gegenstand der aktuellen Entwicklungen von First Sensor und seinen Kooperationspartnern. Die im Rahmen dieser Projekte gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich effizienter Gesamtsysteme können parallel auf eine Vielzahl weiterer SHM-Applikationen angewendet werden. So befinden sich beispielsweise rund 9.500 der kommunalen Brücken in Deutschland in einem baufälligen Zustand, wobei nur etwa die Hälfte dieser Brücken bis 2030 tatsächlich ersetzt werden sollen. Nach der aktuellen Gesetzeslage müssen jedoch alle Brücken gemäß der 2012 eingeführten Nachrechnungsrichtlinie auf ihre Tragfähigkeit hin nachgerechnet werden. Ein Grund ist die Anpassung der Lastmodelle aufgrund des enormen Zuwachses des Schwerlastverkehrs. Hier kann der Einsatz von Monitoringsystemen, die dauerhaft den Zustand des Bauwerks überwachen, die Lebensdauer der Brücken verlängern und einen nicht unerheblichen Anteil zur Ressourcenschonung und Energieeffizienz leisten.