Optische Dehnungsmessstreifen schützen Restaurierung des Mailänder Doms

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"Die Notwendigkeit für sehr stabile Messungen über lange Zeiträume hinweg sowie die Unempfindlichkeit gegenüber Blitzen waren zwei wichtige Gründe für den Einsatz des optischen Sensor-Interrogators NI PXIe-4844 und von FBG-Sensoren."

- Dr. Alfredo Cigada, Politecnico di Milano

The Challenge:
Erstellen eines kontinuierlich arbeitenden Strukturüberwachungssystems, das äußerst empfindliche und stabile Dehnungsmessungen einer großen Struktur in einer anspruchsvollen Umgebung liefert

The Solution:
Entwickeln eines optischen Sensorsystems auf Grundlage des optischen Sensor-Interrogators NI PXIe-4844, das aus FBG-Dehnungsmessstreifen (Faser-Bragg-Gitter) besteht, die auf Glasfasern verteilt sind, welche gegenüber Blitzen und anderen Störeinflüssen durch die Umgebung resistent sind

Author(s):
Dr. Alfredo Cigada - Politecnico di Milano

Der Mailänder Dom gehört zu den größten und beeindruckendsten gothischen Gebäuden der Welt. Der Bau des kunstvoll gearbeiteten Doms begann 1386 und setzte sich über mehr als fünf Jahrhunderte fort. 1762 wurde eines der Wahrzeichen des Doms, die Hauptturmspitze, genannt Guglia Maggiore, mit einer Höhe von 108,5 m errichtet. Gekrönt wird sie von einer goldenen Madonnenstatue der Jungfrau Maria. 2010 nahm die Bauherrin Veneranda Fabbrica del Duomo die Aufgabe in Angriff, den Marmor des Hauptturms zu restaurieren, da dieser durch Witterung und Umweltverschmutzung beschädigt war.

Diese komplexe Restaurierung erforderte den Bau eines massiven Gerüsts, das den Hauptturm komplett einschließt. Das Gerüst wiegt über 90 Tonnen, ruht auf dem Sockel der Kuppel, ist freistehend und kann nicht in Berührung mit den Wänden des Turms kommen. Da es wegen des zusätzlichen Gewichts des Gerüsts auf die Kuppelbasis und des gestiegenen Risikos einer höheren Windlast Bedenken gab, wandte sich die Veneranda Fabbrica del Duomo an die Hochschule Politecnico di Milano, ob diese ein zuverlässiges, kontinuierlich arbeitendes Überwachungssystem für Turmspitze und Gerüst entwickeln könne. Die Politecnico di Milano ist eine der technischen Spitzenuniversitäten in Italien, und ihre Forschungsgruppe im Bereich mechanische Messungen hat bereits erfolgreich etliche Strukturüberwachungssysteme auf Basis von NI-Plattformen und der Systemdesignsoftware
NI LabVIEW eingesetzt.

Die Struktur wird mit Messgeräten versehen

Die Struktur wurde mit einer Reihe von Sensoren versehen, um die Windbedingungen, die Position und Bewegung des Gerüsts und der Turmspitze sowie die Last auf die Kuppel zu überwachen. Da eine langfristig zuverlässige Überwachung erforderlich ist und Blitzeinschläge frühere Messsysteme bereits zerstört hatten, entschied sich das Entwicklungsteam für den Einsatz von optischen FBG-Dehnungsmessstreifen zur Überwachung der Belastung der Kuppel durch das Gerüst. Optische Dehnungsmessstreifen, die an allen acht Rippen der achtseitigen Kuppel angebracht sind, welche den Hauptturm stützt, überwachen die Verformung der Rippen. Jedem Dehnungsmessstreifen ist ein FBG-Sensor zum Temperaturausgleich zugeordnet, und alle Sensoren werden auf zwei Glasfasern gemultiplext, die an das PXI-Express-System angeschlossen sind.

Das Gerüst und die Turmspitze sind ebenfalls mit etlichen Weggebern ausgestattet, um die Gerüstbewegung im Verhältnis zum Turm zu messen. Beschleunigungsmesser überwachen das gesamte dynamische Verhalten von Turm und Gerüst. Induktive Wegaufnehmer (LVDTs) werden für die Überwachung von Rissöffnungen eingesetzt und Windmesser erfassen Windrichtung und -geschwindigkeit.

Echtzeitüberwachung mit PXI und LabVIEW

Das PXI-System im Glockenturm nahe der Kuppelbasis beinhaltet den optischen Sensor-Interrogator NI PXIe-4844, der Daten von optischen Dehnungsmessstreifen und Temperatursensoren erfasst und genaue, empfindliche und stabile Messungen liefert. Derzeit umfasst das System ein NI-CompactRIO-Chassis mit Modulen zur Erfassung dynamischer Signale (DSA) des Typs NI 9234, um damit Signale der elektrischen Beschleunigungsmesser und LVDTs zu erfassen. Diese Sensoren werden schließlich jedoch auch auf das PXI-System übertragen.

Das vollständig integrierte PXI-System arbeitet mit dem LabVIEW Real-Time Module und ermöglicht so dank des Echtzeitbetriebssystems einen kontinuierlichen, äußerst zuverlässigen Betrieb. Sensordaten werden erfasst und auf Auffälligkeiten überprüft. Sobald eine Anomalie erkannt wird, löst das System einen Alarm aus und zwar sowohl auf dem für die Überwachung genutzten Bildschirm als auch über eine E-Mail an die Projektverantwortlichen. Daten, einschließlich der Sensorselbstdiagnose, werden gemäß Redundanzkriterien gespeichert und mittels eines halbautomatischen Ansatzes zur Erkennung abweichenden Verhaltens analysiert. Der komplexeste Teil der Entwicklung des Systems bestand darin, die geeigneten Alarmpegel auf Grundlage von absoluten Kriterien (tatsächliche Windböengeschwindigkeit) und des bisher beobachteten Verhaltens der Struktur (frühere Maximalwerte und jährliche Veränderungen) zu bestimmen.

Temperaturausgleich

Da bereits geringste Veränderungen der mechanischen Belastung der Kuppel entdeckt werden müssen, musste jeder Temperaturdrift genau ausgeglichen werden. Darum baute das Team im Labor der Politecnico di Milano ein System auf, mit dem die Wärmewirkung auf die Messungen komplett charakterisiert werden kann. Ein als Muster dienender Marmorblock und ein montierter FBG-Dehnungssensor wurden in eine Klimaprüfkammer gestellt. Ein NI PXIe-4844 erfasste Daten, während das Muster und der Sensor immer wieder einen Zyklus von -5 °C bis 40 °C durchliefen. Die Ergebnisse wurden dazu verwendet, die Temperatureinwirkungen sowohl auf das Faser-Bragg-Gitter als auch auf das Marmormaterial auszugleichen.

Multimodussystem zur Dauerüberwachung

Die Notwendigkeit für sehr stabile Messungen über lange Zeiträume hinweg sowie die Unempfindlichkeit gegenüber Blitzen waren zwei wichtige Gründe für den Einsatz des optischen Sensor-Interrogators NI PXIe-4844 und von FBG-Sensoren. Das PXI-System überwacht jetzt kontinuierlich die Turmspitze, die Kuppel und das Gerüst. Dazu setzt es die integrierten Echtzeitmessungen der optischen und der herkömmlichen elektrischen Sensoren ein. Es wird inzwischen von den auf dem Gerüst Arbeitenden sogar als Sicherheitssystem angesehen. Ihnen wurde gezeigt, wie sie mit der Software umgehen und die Ausgaben deuten müssen. Das hat sich nach den Erdbeben 2012 in Norditalien als sehr hilfreich erwiesen. Daten, die vom Überwachungssystem gesammelt wurden, waren eine große Hilfe bei der Bewertung der Integrität der Strukturen und der Validierung, dass eine Wiederaufnahme der Restaurierungsarbeiten am Turm sicher war.

Author Information:
Dr. Alfredo Cigada
Politecnico di Milano

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