Structural Health Monitoring

Anwendungsgründe

Bei dynamisch stark beanspruchten Konstruktionen wie Windenergieanlagen und Schiffen, aber auch Brücken, Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Kraftwerkskomponenten usw. ist die Kenntnis der sogenannten Betriebsfestigkeit von besonderer Bedeutung. In diesem Spezialgebiet der Festigkeit geht es um die Vermeidung von Schäden, die durch stete Schwankungen der auftretenden Belastungen entstehen.

Die Betriebsfestigkeit unterscheidet sich von der Statik also dadurch, dass die auftretenden Belastungen nicht einmalig oder selten vorkommen, wie z. B. Monsterwellen, sondern sehr häufig. So geht man davon aus, dass Schiffe im Laufe ihres Lebens ca. 50 Millionen Male schwingend belastet werden. Bei Windenergieanlagen kann die Anzahl der sog. Lastspiele noch ein Zigfaches höher sein und so manches moderne Brückenbauwerk ist wegen der unerwarteten Schwingspielzunahme insbesondere aus dem steigenden LKW-Verkehr lange vor seinem geplanten Lebensende hinfällig. Die schädlichen Schwingungen können vom Einsatzweck, z. B. Fahrzeugverkehr oder von den angetroffenen Umweltbedingungen wie Seegang, Wind, Strömung hervorgerufen werden.

Dabei kann die Größe der einwirkenden Kräfte sehr unterschiedlich sein. Typisch für Belastungen aus Umwelteinflüssen sind sehr viele kleine und mittlere Lastspiele. So treten Stürme mit entsprechend großen Wellen vergleichsweise selten auf. Demgegenüber gibt es lange Wetterperioden mit kleinen bis mittleren Wellenhöhen. Ein einzelnes Lastspiel z. B. aufgrund einer mittleren Welle trägt dabei nur sehr wenig Schädigung in das Bauwerk hinein.

In ihrer Summe können sie jedoch zu einer Gefahr für die Konstruktion werden. Auftretende Schäden äußern sich in der Regel durch die Bildung von zunächst kleinen Rissen, die bevorzugt dort auftreten, wo es im Material zu Kraftumlenkungen kommt. Schweißnähte, generelle Formänderungen, aber auch Übergänge zu Verstärkungen u.Ä. sind typische Problemzonen. Sofern keine geeigneten Maßnahmen ergriffen werden, können die Anrisse fortgesetzt wachsen und sich ausbreiten, bis sie die betroffene Komponente oder gar die Struktur im Ganzen gefährden. Das Phänomen ist nicht neu und Beispiele zu schweren Schäden gibt es hierfür mehr als genug.

Vorgehensweise und Anwendungsbereiche

Als Stand der Technik gilt, dass die Berechnungen zur Betriebsfestigkeit in der Konstruktionsphase durchgeführt werden. Entsprechend dieser Erkenntnisse werden die Anlagen gefertigt und in Betrieb genommen. Im Laufe der Betriebsdauer werden dann in festgelegten Abständen Inspektionen durchgeführt, Reparaturen vorgenommen und ggf. vorbeugend Komponenten ausgetauscht.

Diese Art der Anlagenüberwachung ist gut erprobt und seit vielen Jahrzehnten bewährte Praxis. Sie gründet sich allerdings nicht auf stets aktualisierte Berechnungen zur bisher verbrauchten Lebensdauer einer Anlage oder ihrer Komponenten, sondern ist empirisch gestützt. Naturgemäß sind der Wartungs- und Reparaturbedarf insbesondere bei solchen Anlagen und Komponenten nur schwer einzuschätzen, für die aufgrund einer innovativen Konstruktion oder eines veränderten Einsatzprofils, z. B. beim Übergang von Land- auf OffshoreWindenergieanlagen (OWEA) oder bei neuartigen Spezialschiffen noch keine langjährigen Betriebserfahrungen vorliegen.

Entsprechend kann es hier auch zu Komplikationen kommen, die technisch zumeist beherrscht werden, aber mitunter sehr kostenintensiv sind. So kann z. B. der Ausfall einer Hauptkomponente einer OWEA wegen wetterbedingt unzureichender Reparaturmöglichkeiten einen monatelangen Totalausfall der Gesamtanlage verursachen. Hier kommt die Methode des Structural Health Monitoring (SHM) ins Spiel.

Jedoch auch bei „gut bekannten“ Anlagen und Einsatzbedingungen kann der Einsatz der SHM lohnenswert sein. Hier entstehen die treibenden Kräfte dann aus Forderungen nach höherer Sicherheit und Wirtschaftlichkeit. So sollen Weiterentwicklungen von vorhandenen Anlagen im Vergleich zu ihren Vorgängern kostengünstiger in der Herstellung und im Betrieb sein; d.h. auch in der Wartung muss es Fortschritte geben, jedoch ohne dabei die Ausfallsicherheit zu verringern. Mithilfe des Structural Health Monitoring kann die betriebsbedingte Materialermüdung einer Anlage fortlaufend überwacht werden.

Dazu ist es notwendig, kontinuierlich definierte Messungen zur Feststellung der dynamischen Beanspruchung vorzunehmen und diese Ergebnisse zeitnah so aufzubereiten, dass damit die vorhandene Schädigung berechnet werden kann. Auf dieser Basis können sodann Prognosen zur Restlebensdauer der überwachten Konstruktion bzw. wichtiger Komponenten erstellt, ein geeigneter Zeitpunkt für den vorbeugenden Austausch wichtiger Teile bestimmt oder Fragen zum sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Bestandsanlagen über ihre nominelle Lebensdauer hinaus geklärt werden.

Forschungsstand

Das Verfahren ist unter Fachleuten anerkannt und an verschiedenen Stellen in der Erprobung. Maßgeblich für den praktischen Einsatz ist, mithilfe möglichst weniger Messstellen ein verlässliches Bild von der Beanspruchung zu zeichnen. Die Datenübertragung und -aufbereitung, ihre Auswertung und Anwendung auf geeignete Rechenmodelle sind weitere wichtige Bestandteile der Methode. Im derzeitigen Entwicklungsstand ist die SHM für einen umfassenden praktischen Betrieb nicht genügend ausgereift.

An dieser Stelle knüpft das Reliables Projekt an. Das Ziel ist es die Anwendungsreife des Structual Health Monitorings zu verbessern.