Structural Health Monitoring

Anvendelsesgrunde

Hvad angår konstruktioner, der er udsat for en kraftig dynamisk belastning, såsom vindmøller og skibe, men også broer, biler, fly, kraftværkskomponenter osv. er viden om den såkaldte driftsstabilitet af særlig stor betydning. Inden for dette specialområde, der vedrører styrke, drejer det sig om at undgå skader, som opstår på grund af de permanente udsving i de forekommende belastninger.

Driftsstabiliteten adskiller sig altså fra statikken på den måde, at de forekommende belastninger ikke opstår en enkelt gang eller sjældent, som eksempelvis monsterbølger, men derimod meget hyppigt. Således går man ud fra, at skibe i løbet af deres levetid udsættes for belastninger i form af svingninger ca. 50 millioner gange. For vindmøller kan antallet af de såkaldte lastcykler være mange gange større, og mange moderne broer er skrøbelige lang tid før afslutningen af deres beregnede levetid på grund af det uventede stigende antal svingningscykler, som især skyldes den voksende lastbiltrafik. De skadelige svingninger kan forårsages af anvendelsesformålet, fx biltrafik eller de herskende miljøbetingelser såsom søgang, vind og strømforhold.

I den forbindelse kan størrelsesfaktoren for de påvirkende kræfter være meget forskellig. Et meget stort antal små og mellemstore lastcykler er typisk for belastninger, der skyldes miljøpåvirkninger. Til sammenligning forekommer storme med tilsvarende store bølger således sjældent. Derimod forekommer der lange vejrperioder med små eller mellemstore bølgehøjder. En enkelt lastcyklus, der fx skyldes en mellemstor bølge, bidrager i den forbindelse kun i meget beskedent omfang til beskadigelse af bygningsværket.

Det samlede antal kan derimod udgøre en fare for konstruktionen. Opståede skader viser sig som regel i første omgang ved dannelsen af små revner, der fortrinsvis forekommer dér, hvor der er kraftoverførsel i materialet. Svejsesømme, generelle formændringer, men tillige overgange til forstærkninger og lignende er typiske problemzoner. Hvis der ikke træffes egnede foranstaltninger, kan disse begyndende revner fortsat vokse og brede sig, indtil de udgør en fare for den berørte komponent eller endog hele konstruktionen. Fænomenet er ikke nyt, og der er talrige eksempler på alvorlige skader.

Fremgangsmåde og anvendelsesområder

Den nyeste og mest avancerede teknik foreskriver, at beregningerne vedrørende driftsstabiliteten gennemføres i konstruktionsfasen. Anlæggene produceres og idriftsættes i overensstemmelse med denne viden. I løbet af driftsperioden gennemføres der så serviceeftersyn, reparationer og eventuelt forebyggende udskiftning af komponenter med fastlagte intervaller.

Denne form for overvågning af anlæg er veldokumenteret og har i flere årtier været anset som bedste praksis. Den bygger dog ikke på kontinuerligt opdaterede beregninger om hidtil medgået levetid for et anlæg eller tilhørende komponenter, men baserer sig på empiri. Vedligeholdelses- og reparationsbehovet er i sagens natur vanskeligt at vurdere, især når der er tale om anlæg og komponenter, hvor der grundet en innovativ konstruktion eller en ændret anvendelsesprofil, fx ved overgangen fra landbaserede vindmøller til offshore-vindmøller, endnu ikke foreligger nogen driftsmæssig erfaring, der strækker sig over flere år.

I overensstemmelse hermed kan der opstå komplikationer, der for det meste kan klares rent teknisk, men undertiden er meget omkostningstunge. Således kan svigt i en hovedkomponent i en offshore-vindmølle eksempelvis medføre, at hele vindmøllen må tages ud af drift i månedsvis på grund af utilstrækkelige reparationsmuligheder som følge af vejret. Her kommer metoden med Structural Health Monitoring (SHM) i spil.

Anvendelsen af SHM kan dog også være fordelagtig i forbindelse med ”velkendte” anlæg og driftsbetingelser. Her er drivkraften kravet om højere sikkerhed og rentabilitet. Henset til produktion og drift skal videreudviklinger af eksisterende anlæg således være mere rentable sammenlignet med tidligere anlæg. Det betyder, at der også skal ske fremskridt inden for vedligeholdelsen, dog uden at driftssikkerheden reduceres.  Ved hjælp af Structural Health Monitoring kan den driftsbetingede materialetræthed i et anlæg overvåges løbende.

Dette kræver kontinuerligt definerede målinger med henblik på at fastslå den dynamiske påvirkning samt bearbejde disse resultater i rette tid til at kunne beregne den forekommende beskadigelse. På grundlag af dette kan der således udarbejdes prognoser om restlevetiden for den overvågede konstruktion samt for vigtige komponenter, ligesom der kan fastsættes et egnet tidspunkt for den forebyggende udskiftning af vigtige dele eller afklares spørgsmål om sikker og rentabel drift af eksisterende anlæg ud over deres nominelle levetid.

Forskningsstatus

Metoden er anerkendt blandt fagfolk og afprøves forskellige steder. Det er af afgørende betydning for den praktiske anvendelse, at der tegnes et pålideligt billede af belastningen ved hjælp af så få målepunkter som muligt. Desuden er dataoverførslen og -behandlingen samt tolkningen af disse data og deres anvendelse på egnede regnemodeller vigtige aspekter ved denne metode. Det aktuelle udviklingsniveau for SHM er ikke tilstrækkeligt modnet til at kunne blive anvendt i praksis i stor skala.

Her kommer Reliables-projektet ind i billedet. Formålet er at forbedre modenheden for Structural Health Monitoring.