Überwachung alternder Infrastrukturbauwerke mittels GNSS-Messungen 

In Österreich sowie in weiten Teilen der Erde gibt es alternde Infrastrukturbauten (z. B. Brücken, Hochhäuser, Talsperren, …). Um diese bis zu ihrem Lebensende sicher zu erhalten, bzw. sie über ihr geplantes Lebensende ­hinaus im Einsatz zu halten, werden diese Bauten überwacht. Hierzu gibt es verschiedene aussagekräftige Messgrößen (geometrische, baumechanische, ...). In der geodätischen Überwachung gibt es wiederum verschiedene Technologien (Tachymeter, GNSS, Laser Scanning etc.), die verwendet werden können. 

Weiters kann die Bauwerksüber­wachung in statisches und dynamisches Monitoring unterteilt werden. Im statischen Monitoring werden die Messungen im Zeitbereich betrachtet und langsame Deformationen, auf­grund von z. B. Temperaturänderungen oder Staupegeländerungen, erkannt. GNSS wird im statischen Monitoring bereits umfang­reich eingesetzt. Im dynamischen Monitoring wird die Frequenzantwort eines Bauwerkes bei einer Anregung, durch z. B. Verkehr, Wind oder Erdbeben, analysiert. Eine Änderung der Frequenzantwort kann auf eine Änderung in der Struktur des Bauwerks hinweisen. Für dynamisches Monitoring ist eine Datenrate von 10-20 Hz notwendig, da die meisten Infrastrukturbauten eine Eigenfrequenz von weniger als 5 Hz haben. 

GNSS-Datenaufzeichnung und Verarbeitung

Neue GNSS-Empfänger können Daten mit einer derart hohen Datenrate aufzeichnen, dass ihr Einsatz sowohl für statisches als auch für dynamisches Monitoring, bei Verwendung derselben Rohdaten, möglich ist. Zusätzlich bieten GNSS-Messungen eine wetterunabhängige 3D-Datenaufzeichnung mit präziser Zeitinformation. Für eine brauchbare Genauigkeit wird eine Referenzstation in der Nähe des Messobjektes aufgestellt und Basislinien zu dieser werden berechnet. Eine Sichtverbindung der Monitoringstationen zur Referenzstation ist nicht notwendig. Inwieweit moderne GNSS-Ausrüstung für die dynamische Bauwerksüberwachung genutzt werden kann, wurde im FFG-geförderten Projekt InfraHealth (FFG-Nummer: 888310) gemeinsam mit den Projektpartnern DCNA, Leica Geosystems, pentamap und Verbund untersucht. 

Die Einsatzgrenzen dieses Setups wurden durch Labormessungen am Messdach der TU Graz geprüft. Für das dynamische Monitoring müssen die Messdaten vor der Weiterverarbei­tung mit einem Hochpassfilter gefiltert werden, um langwellige Einflüsse, z. B. durch die Atmos­phäre, zu entfernen. Mit einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) werden die Daten anschließend in den Frequenzbereich transformiert. Eine Ana­lyse des Rauschens (keine Bewegungen beider Antennen) zeigt deutlich, dass die Basisstation dieselbe Datenrate haben soll wie eine Antenne, die am Bauwerk montiert ist, da sonst Artefakte im Frequenzspektrum ent­stehen. Somit ist es aktuell leider nicht möglich, Rohdaten einer öffentlich betriebenen GNSS-Referenzstation zu verwenden, da diese meist nur mit einer Datenrate von 1 Hz vorliegen.  

Weiters zeigt die Analyse, dass die Amplituden des Rauschens gleich über alle auflösbaren Frequenzen verteilt sind, wobei die Amplituden in der Höhe in etwa doppelt so hoch sind wie jene in der Lage. Je länger der Auswertezeitraum gewählt wurde, desto niedriger wurde die Amplitude des Rauschens. Schwingungen mit kleinen Amplituden können somit auch erkannt werden, wenn diese über einen längeren Zeitraum vorhanden sind. Ein Vergleich der Verwendung verschiedener GNSS-Signale (GPS, GLONASS, Galileo) zeigt die besten Ergebnisse (kleinste Standardab­weichung) im statischen Monitoring bei der Verwendung der Satellitensignale aller drei Systeme. Im dynamischen Monito­ring erweist sich jedoch die Kombination von GPS und Galileo, aufgrund der höchsten Anzahl an fixierten Ambiguitäten, als am sinnvollsten. 

Labor und Feldtests

Mit einem Schwingungsanreger (Shaker) wurden kontrollierte Schwingungen im Frequenzbereich von 2-10 Hz, mit Amplituden von 1.5-20 mm, in horizontaler und vertikaler Richtung durchgeführt und mit GNSS gemessen. In den GNSS-Mess­daten war die Schwingungsfrequenz, die der Sha­ker bei dieser Frequenz hatte, unabhängig von der Amplitude wieder sichtbar. Die Frequenz der Schwingung kann somit aus den Messdaten gut ermittelt werden. 

In Tests an realen Bauwerken konnten diese Ergebnisse veri­fiziert werden. So wurden zwei GNSS-Antennen für zwei Wochen im November am DC Tower in Wien montiert. Die Ergebnisse zeigen eine Eigenfrequenz des Bauwerks, die be­reits 2014 mit Beschleunigungsdaten gemessen wurde. Wei­ters wird dieses 250 m hohe und doch sehr schmale Gebäude durch Wind angeregt. Eine Korrelation der Amplituden der Eigenfrequenz und der Windstärke ist deutlich erkennbar. An der Kölnbreinsperre, Abbildung 1 und Abbildung 2, mit einer Kronenlänge von über 600 m, würde eine einzelne Antenne nicht genug Aufschluss über das gesamte Bauwerk liefern. Insgesamt wurden 6 Antennen an der Mauer montiert. Vier Antennen wurden in räumlicher Nähe zu den Loten und den Beschleunigungssensoren des Bauwerksbetreibers Verbund platziert. Zusätzlich wurden zwei Antennen an die Flan­ken gesetzt, um den Nutzen mehrerer Satellitensysteme zu erkennen. An diesem Bauwerk wurde an zwei Monaten (Mai und Oktober) gemessen. Die Verformung der Mauer durch den Wasserpegelanstieg über den Sommer (statisches Monitoring) ist deutlich sichtbar und stimmt mit den Messungen der Lote überein. Die Auswertung des dynamischen Ver­haltens der Mauer zeigt leichte Schwingungen bei Frequenzen zwischen 0.7-1.3 Hz, bei starkem Wind und hohem Staupegel. Eine mögliche Interpretation wäre, dass die Staumauer beim Auftreffen von Wellen in leichte Schwingungen versetzt wird. 

Als letzter Schritt wurden GNSS-Antennen an LKWs montiert, die über eine Brücke fahren. Dadurch, dass die Sensoren nicht direkt am Bauwerk montiert sind, sondern auf einem LKW, der über ein Bauwerk fährt, spricht man hierbei von indirektem oder drive-by-Monitoring. Der LKW regt bei der Überfahrt die Brücke an und misst gleichzeitig deren Schwingungen. Zusätz­lich ist zu jeder Zeit die Position des LKWs auf der Brücke bekannt. 

Ein solcher Test wurde auf der Gschnitztalbrücke in Tirol durchgeführt, Abbildung 3. Sie ist Teil der Brennerautobahn und über 500 m lang. Frequenzantworten über Teilbereiche der Brücke wurden mit montierter Sensorik (Beschleunigungssensoren und faseroptische Messungen) verglichen und veri­fiziert, Abbildung 4. Durch die Überfahrt ist die dynamische Antwort der gesamten Brücke, inklusive verschiedener Fahrspuren, verfügbar. Aus diesen Daten können weiters Modeshapes und das Dämpfungsverhalten der Brücke berechnet werden. 

Weiters ist im Zeitbereich der Durchhang der Brücke bzw. jeden Feldes (pro Fahrspur) berechenbar. Dieser wurde mit Scandaten auf einem Feld verifiziert, siehe Abbildung 5.  

Zusammenfassung 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die durchgeführten Versuche und Tests im Freiluftlabor am Dach der TU Graz so­wie an ausgewählten Bauwerken in Österreich sehr gute und durch andere Messsysteme verifizierbare Ergebnisse lieferten. Die Verwendung geodätischer GNSS-Receiver und -Antennen mit einer Datenrate von 20 Hz kann somit für statisches und dynamisches Monitoring von Infrastrukturbauwerken, bei richtiger Anwendung und Datenauswertung, als geeignet gesehen werden.  

Dipl.-Ing. Caroline Schönberger BSc,  Institut für Ingenieurgeodäsie und Mess­systeme, Technische Universität Graz