Chris McDonald, CGM Engineering, Inc.
Durchführen einer Strukturzustandsüberwachung (SHM) zur Bestimmung der Stabilität, Zuverlässigkeit und Lebensfähigkeit mehrerer großer Strukturen in China, einschließlich der neuen olympischen Veranstaltungen in Peking.
Verwenden der grafischen Programmierumgebung NI LabVIEW und der NI-CompactRIO-Hardwareplattform, um ein hochgenaues SHM-System mit zeitbasierter GPS-Synchronisation zu entwerfen, um Strukturen an kritischen Punkten zu überwachen.
Der Verlust von Leben und Hardwareprodukten bei katastrophalen Ereignissen wie Erdbeben, Hurricane, Brände oder Bombenexplosionen ist hauptsächlich das Ergebnis von Schäden an Strukturen oder dem Zusammenbrechen selbiger. Daher versuchen Ingenieure auf der ganzen Welt ständig, Strukturmodelle zu validieren und Strukturdesigns zu iterieren, um Tragödien zu reduzieren, die durch diese Art von Ereignissen verursacht werden.
Im Jahr 2004 wählte die chinesische Erdbebenverwaltung (CEA), die Regierungsbehörde, die die Erdbebenvorbereitung und Katastrophenbekämpfung im Land verwaltet, sieben neu erzeugte Megastrukturen als Prüfstand für die Technologie zur Strukturzustandsüberwachung (SHM). Zu diesen Wahrzeichen gehören die Austragungsorte der Olympischen Sommerspiele 2008 in Peking (einschließlich des Pekinger Nationalstadions und des Pekinger Nationalen Schwimmzentrums), das 104-stöckige World Trade Center in Shanghai, der 66-stöckige Park Hyatt-Hotelkomplex in Peking, die 240 m hohe Betonbogenstaumauer in Ertan, die 8266 m lange Schrägseilbrücke in Shantou und das vom Boden isolierte CEA-Rechenzentrum in Peking.
Das Hauptziel dieses großen Bauprojekts besteht darin, eine fortschrittliche Lösung zur Überwachung von Strukturzustandsparametern, einschließlich Stabilität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer, mithilfe moderner Rechen-, Sensor- und Kommunikationstechnologie in Echtzeit zu entwickeln.
CGM Engineering Inc., ein in Kalifornien ansässiges Unternehmen, hat die internationale Ausschreibung zur Entwicklung einer Lösung für dieses Projekt mit einer Ferndemonstration gewonnen. Während dieser Demonstration beobachteten Beamte in China, wie die Echtzeit-Client-Anwendung die Vibrationen erkannte, die von einer auf einen Tisch fallen gelassenen Büroklammer erzeugt wurden. Anschließend haben wir neun 64-Kanal- und zwei 36-Kanal-Embedded-Monitoring-Systeme mit CompactRIO-Embedded-Controllern entwickelt, die eine Remote-Netzwerküberwachung und -Konfiguration für die Bereitstellung durch die CEA verwenden.
Unsere auf LabVIEW und CompactRIO basierenden Systeme wurden entwickelt, um die Schwingungssignaturen einer Struktur zu erfassen und plötzliche Änderungen der Struktureigenschaften zu erkennen. Ermittelte Vibrationen können durch eine Vielzahl von Stimuli verursacht werden, die von natürlichen geotechnischen Wellen bis hin zu Zuschauern bei Ereignissen reichen. Ähnlich wie Kardiologen menschliche Herzkrankheiten diagnostizieren, indem sie Puls und Blutdruck messen, bestimmen Bauingenieure die strukturelle Leistung, indem sie kontinuierlich die Eigenfrequenz, das Dämpfungsverhältnis und das Hysteresediagramm überwachen, das aus dem von Beschleunigungsmessern gemessenen Beschleunigungszeitverlauf abgeleitet wird. Wenn z. B. ein hochohmiges Bürogebäude aufgrund eines Erdbebens an seinen wichtigsten Bauelementen wie Balken oder Spalten dauerhaft verändert wurde, wird die natürliche Frequenz (Funktion der Steifigkeit gegenüber der Masse) wahrscheinlich verringert.
Zwei wichtige Anforderungen für das System waren die kontinuierliche und in Echtzeit stattfindende Strukturüberwachung. Da die meisten Katastrophen plötzlich und unvorhersehbar auftreten, müssen Notfallmanagement und effektive Reaktionen auf plötzliche Katastrophen auf Echtzeitkenntnisse der Funktionsweise einer Struktur während und unmittelbar nach widrigen Ereignissen beruhen. Da sich der Zustand von Bauwerken im Laufe der Zeit allmählich verschlechtert, können Ingenieure außerdem durch kontinuierliche Überwachung und Erfassung früher Symptome des Gesundheitsverfalls wichtige Gesundheitsindikatoren mit zuvor aufgezeichneten Werten vergleichen.
Mit der NI-Plattform haben wir zwei verschiedene benutzerdefinierte Systeme entwickelt, um die SHM-Anforderungen der CEA zu erfüllen. Neun 64-Kanal- und zwei 36-Kanal-Systeme in einer Client-Server-Architektur, gekapselt in einem robusten NEMA-Gehäuse, das den Betrieb der Systeme in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit und bei Temperaturen von -40 bis +70 °C ermöglicht, werden an kritischen Punkten an den sechs ausgewählten Standorten in ganz China eingesetzt.
Die neun Module mit 64 Kanälen bestehen jeweils aus drei CompactRIO-Systemen, die zwei Module mit 36 Kanälen enthalten jeweils zwei. Jedes Gerät enthält außerdem mehrere Beschleunigungsmesser für Vibrationsmessungen sowie einen GPS-Empfänger für die Echtzeitsynchronisierung. Wir verwenden das LabVIEW FPGA-Modul und die GPS-getakteten Uhren, um eine gehäuseinterne Synchronisation in Echtzeit innerhalb von ±10 µs zu erreichen. In Bereichen, in denen keine GPS-Signale verfügbar sind, können Ingenieure die Systeme mithilfe eines Computertakts synchronisieren. Darüber hinaus verwenden wir das LabVIEW Real-Time Module für benutzerkonfigurierbare Filter, um die Genauigkeit der vom System durchgeführten Niederfrequenzmessungen zu verbessern und unerwünschtes Rauschen zu verhindern.
Die erfassten Daten werden in jedem System auf integrierten Single-Board-Computern (SBCs) gespeichert. Durch die Verwendung der Shared-Variable-Engine von LabVIEW in der Systemsoftwarearchitektur können mehrere Benutzer vom eingebetteten SBC über das Internet gleichzeitig und in Echtzeit auf aufgezeichnete Daten zugreifen und diese analysieren. Wir können die Systeme auch so konfigurieren, dass sie Offline-Benutzer per E-Mail benachrichtigen, wenn ein Ereignis aufgetreten ist.
Es gab mehrere Gründe, dass die CEA unsere Lösung basierend auf LabVIEW gegenüber den Lösungen unserer Wettbewerber ausgewählt hat. Zwei Schlüsselfaktoren waren die hochpräzisen Echtzeit-GPS-Synchronisationsfunktionen und die Möglichkeit, von jedem Ort der Welt aus auf Daten zuzugreifen. Unser System bietet außerdem die höchste Kanalzahl zu den niedrigsten Kosten. Indem wir unser System auf Basis von CompactRIO und modularer I/O-Hardware der C-Serie von NI konstruieren, können wir jede beliebige Kanalzahl bis zu 128 erreichen, bei durchschnittlichen Kosten pro Kanal von etwa USD 500 für ein 16-Bit-System und USD 800 für ein 24-Bit-System (ohne Sensoren) und Verwendung der GPS-Synchronisation zur Erweiterung auf höhere Kanalzahlen. Darüber hinaus bietet unser System eine einfache sofort einsatzbereite Einrichtung mit einer Vielzahl handelsüblicher I/O-Optionen, die schnell und einfach rekonfiguriert werden können, um sich ändernde Systemanforderungen zu erfüllen.
Unter Verwendung von Hardware und Software von National Instruments haben wir in weniger als einem Jahr ein SHM-System mit hoher Kanalzahl und GPS-Synchronisation entworfen, prototypisiert und implementiert. Wir konnten ein Embedded-Überwachungssystem mit unübertroffener Genauigkeit und Flexibilität zu günstigen Kosten implementieren, indem wir LabVIEW und CompactRIO als Plattform gewählt haben. Mit dieser Kombination haben wir dem CEA ein System zur Verfügung gestellt, das zehnmal genauer ist als ursprünglich erwartet – und das zu den niedrigsten Kosten pro System.
Laut der Weltbank werden bis 2015 die Hälfte aller weltweit neu errichteten Gebäude in China gebaut. Da die meisten großen Gebäude in Ländern wie den Vereinigten Staaten vor der Entwicklung fortschrittlicher Überwachungssysteme gebaut wurden, besteht jetzt die Möglichkeit, diese Gebäude zu überwachen und Forschungsarbeiten durchzuführen, die letztendlich dazu beitragen werden, die Sicherheit zukünftiger Gebäude zu verbessern und die Zahl potentieller Opfer katastrophaler Ereignisse zu verringern.
Chris McDonald
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