Die Norm ISO 4866:2010 bietet einen Leitfaden für die Auswahl geeigneter Methoden zur Berechnung, Messung und Bewertung von Schwingungsphänomenen zum Zweck der Beurteilung der Einwirkung von Schwingungen auf Gebäude in Bezug auf deren strukturelle Reaktion und architektonische Integrität.

Die nationalen Referenznormen für die Bauwerksüberwachung sind DIN 4150-3 für Deutschland, BS 7385 für Großbritannien, SN 640 312a für die Schweiz und UNI 9916:2014 für Italien. Dewesoft bietet eine Reihe von Datenerfassungssystemen und Analysesoftwarelösungen, die zur Durchführung von Schwingungsmessungen und Unterstützung der Auswertung geeignet sind.

Dewesoft KRYPTON mit Sensoren und Laptop im Einsatz

In Italien kommt bei Anwesenheit interner Anregungsquellen in Gebäuden wie Industrieanlagen, Produktionsmaschinen oder Räumen mit ständigem Personenbewegungen, aber auch für externe Quellen wie etwa Turbinen, Baustellen, Fahrzeug- und Straßenbahnverkehr oder Flughäfen die Norm UNI 9916:2014 zur Anwendung.

Die in ihren Richtlinien angegebenen Grenzwerte für Gebäudeschwingungen beziehen sich auf Phänomene, die womöglich ästhetische, aber keine strukturellen Schäden verursachen. In der Norm heißt es:

„Im Allgemeinen sind strukturelle Schäden am gesamten Gebäude, die auf Schwingungserscheinungen zurückzuführen sind, äußerst selten und haben fast immer andere Ursachen. Damit Schwingungen strukturelle Schäden verursachen können, müssen sie einen Pegel erreichen, bei dem sie zunächst eine Belästigung und Störung der Bewohner verursachen.

Andererseits treten häufig andere Formen von Schäden – so genannte ‚Schwellenschäden‘ – auf, die zu einer Wertminderung des Gebäudes führen können, ohne dessen bauliche Sicherheit zu beeinträchtigen. Schwellenschäden können in Form von Rissen im Verputz, der Vergrößerung bestehender Risse oder der Beschädigung architektonischer Elemente auftreten.

Sie berücksichtigt Schwingungsphänomene, die auf menschliche oder natürliche Aktivitäten zurückzuführen sind und deren Intensität so gering ist, dass sie höchstens ‚architektonische‘ Schäden verursachen. Tatsächlich sind die angegebenen Werte und vereinfachten Methoden nicht allgemein auf Fälle anwendbar, in denen es zu ‚größeren Schäden‘ kommt, für deren Bewertung eingehende spezifische Untersuchungen durch Sachverständige erforderlich sind. Aus diesem Grund ist die Einwirkung von Schwingungen, die durch Erdbeben hervorgerufen werden, nicht Gegenstand dieser Norm.“

Im vorliegenden Dokument erfahren Sie, wie Sie die erforderlichen Messungen gemäß UNI 9916:2014 mit Dewesoft-Datenerfassungssystemen und der Analysesoftware DewesoftX durchführen können.

Instrumentierung

Die Norm UNI 9916:2014 umfasst Messrichtlinien und listet die allgemeinen Anforderungen an die Konfiguration der Schwingungsdatenerfassung auf, wobei besonderes Augenmerk auf die folgenden Aspekte gelegt wird:

Wahl des Aufnehmers

Die Referenzgröße, die zur Definition der Parameter für die Bewertung von Bauschäden verwendet wird, ist die Geschwindigkeit. Obwohl die Verwendung von Geschwindigkeitsaufnehmern die schnellste Lösung wäre, ist sie nicht die genaueste und zweckmäßigste, da die spektrale Antwort solcher Sensoren bei niedrigen Frequenzen limitiert ist. Wir empfehlen daher den Einsatz von Beschleunigungssensoren, die für den zu analysierenden Spektralinhalt geeignet sind und deren Signal nach der Erfassung integriert wird, um die von der Norm geforderte Geschwindigkeit zu erhalten.

Befestigung des Aufnehmers

Für die Befestigung des Aufnehmers empfehlen wir einen Blick in die einschlägige Norm (DIN ISO 5348), in der die Vor- und Nachteile der einzelnen Befestigungsmethoden und die jeweilige Veränderung der spektralen Antwort des Aufnehmers aufgeführt sind. Tabelle 1 zeigt einen Auszug aus der genannten Norm.

Vor- und Nachteile der einzelnen Befestigungsmethoden

  Resonanz-frequenz Temperatur Masse des Aufnehmers und Steifigkeit der Befestigung Resonanz-verstärkungs-koeffizient Vorbereitung der Oberfläche
Schraube
Klebstoff
Bienenwachs
Klebeband
Schnellverschluss
Vakuum
Magnet
Handgehalten
Eignung:        hoch           mittel           niedrig

Tabelle 1: Übersicht der üblichsten Befestigungstechniken

Anforderungen an das Erfassungssystem:

  • Erfassung mit 16- oder 24-Bit-AD-Wandler
  • Hochpassfilter mit Grenzfrequenz ≤ 0,5 Hz zur Filterung des Sensorkonditionierungssignals
  • Abtastfrequenz nicht unter 250 Hz
  • Anti-Aliasing-Filter mit einer Grenzfrequenz nicht höher als der Wert der Abtastfrequenz geteilt durch 2,56
  • Signal-Rausch-Verhältnis größer als 30 dB
  • Gleichzeitige, synchronisierte Erfassung der Signale, die das zu analysierende Phänomen beeinflussen

Kalibrierung des Messsystems:

  • Die Kalibrierung muss regelmäßig, mindestens jedoch alle drei Jahre, von einem zertifizierten Labor durchgeführt werden. Vor jedem Test ist zudem eine vereinfachte End-to-End-Kalibrierung vor Ort erforderlich, und zwar der gesamten Messkette vom Sensor bis zum Erfassungsgerät mit denselben Kabeln, die dann auch für die Messungen verwendet werden.

Dewesoft bietet mit den DAQ-Familien SIRIUS, KRYPTON, und IOLITE verschiedene Lösungen für die Durchführung dieser Tests. So können Sie als Testtechniker anhand der Kanalanzahl, der Portabilität, der Stromversorgungsoptionen und der Schutzart das für Ihre Anforderungen jeweils am besten geeignete Gerät auswählen.

Parallel zu den Schwingungsmessungen ermöglichen die Dewesoft-Lösungen auch die gleichzeitige Aufzeichnung jeder beliebigen anderen physikalischen Größe.

Die kompletten technischen Daten der Dewesoft-Datenerfassungssysteme finden Sie auf den Produktseiten unter den oben genannten Links.

Die für die Datenerfassung und -analyse verwendete Software spielt bei der Durchführung der Tests nach UNI 9916:2014 eine Schlüsselrolle. Mit der Software DewesoftX lassen sich die gesamte Signalverarbeitung und die Berechnung der erforderlichen Indizes automatisieren, während der Benutzer gleichzeitig die Möglichkeit zur nachträglichen Analyse hat, da auch die Zeitverläufe immer verfügbar sind.

Messung und Analyse

Dieser Abschnitt enthält ein Beispiel für die Datenverarbeitung in Übereinstimmung mit den Richtlinien der Norm UNI 9916:2014. Zu den verschiedenen Lösungen, die Dewesoft für die Durchführung von Überwachungen gemäß den Anforderungen der Norm anbietet, zählen zum Beispiel:

Typischer Aufbau mit verteilten intelligenten IOLITEi-3xMEMS-ACC-SensorenAbb. 1: Typischer Aufbau mit verteilten intelligenten IOLITEi-3xMEMS-ACC-Sensoren

Typischer Aufbau mit KRYPTON-Datenerfassungssystem und analogen SensorenAbb. 2: Typischer Aufbau mit KRYPTON-Datenerfassungssystem und analogen Sensoren

Es ist wichtig, schon vor der Durchführung der Messungen die Gebäudeklasse zu bestimmen. Die Norm gibt verschiedene Schwellenwerte an, die in Abhängigkeit von dieser Klassifizierung und der für die Sensorpositionierung gewählten Höhe zu berücksichtigen sind.

Klasse Gebäudetyp Schwellenwerte für die Schwinggeschwindigkeit vi [mm/s]
    Erdgeschoss Obergeschoss Dach – Vertikale Komponente
    1 Hz bis 10 Hz 10 Hz bis 50 Hz 50 Hz bis 100 Hz* Alle Frequenzen Alle Frequenzen
1 Industriegebäude, Industrieobjekte und ähnliche Gebäude 20 Lineare Interpolation von 20 (f = 10 Hz) bis 40 (f = 50 Hz) Lineare Interpolation von 40 (f = 50 Hz) bis 50 (f = 100 Hz) 40 20
2 Wohngebäude und ähnliche Bauten 5 Lineare Interpolation von 5 (f = 10 Hz) bis 15 (f = 50 Hz) Lineare Interpolation von 15 (f = 50 Hz) bis 20 (f = 100 Hz) 15 20
3 Bauten, die nicht in Klasse 1 oder 2 fallen, aber aus konservatorischen Gründen überwacht werden sollten (z. B. historische Gebäude) 3 Lineare Interpolation von 3 (f = 10 Hz) bis 10 (f = 100 Hz) Lineare Interpolation von 8 (f = 50 Hz) bis 10 (f = 100 Hz) 8 3/4
*Für Frequenzen über 100 Hz können Schwellenwerte für 100 Hz verwendet werden

Tabelle 2: Vorgeschlagene Schwellenwerte für die Schwinggeschwindigkeit

Zur optimalen Detektion der von der Quelle erzeugten Schwingungen schreibt UNI 9916:2014 die triaxiale Erfassung an jedem für die Sensorpositionierung am Gebäude gewählten Punkt vor. Wird die Erfassung nur einer einzigen Achse als relevant erachtet, dann muss diese Entscheidung begründet werden.
Die erfassten Signale werden auf einer Benutzeroberfläche wie der folgenden grafisch dargestellt.

Auf ein einzelnes Ereignis bezogenes, gezoomtes Zeitsignal für die Achsen X, Y und Z an zwei MesspunktenAbb. 3: Auf ein einzelnes Ereignis bezogenes, gezoomtes Zeitsignal für die Achsen X, Y und Z an zwei Messpunkten

Für die erste Verarbeitungsphase im Zeitbereich werden die Zeitverläufe der drei Achsen des Beschleunigungssensors auf ein bestimmtes Schwingungsereignis fokussiert.

Die Benutzeroberfläche der DewesoftX-Software kann so konfiguriert werden, dass sie eine übersichtliche Darstellung der drei Achsen jedes Sensors bietet – in diesem Fall in zwei getrennten Spalten. Außerdem kann ein Zeitraum, an dem besonderes Interesse besteht, durch Hineinzoomen grafisch hervorgehoben werden.

Nach Identifizierung des Schwingungsereignisses findet eine erste Signalverarbeitung im Zeitbereich statt, die die folgenden Schritte umfasst:

  • Signalfilterung mit Hilfe eines speziellen Hochpass-IIR-Filters

Konfiguration des IIR-FiltersAbb. 4: Konfiguration des IIR-Filters

  • Integration des Beschleunigungssignals zum Erhalten der Geschwindigkeit

Einstellungen für die ZeitintegrationAbb. 5: Einstellungen für die Zeitintegration

Abb. 6 zeigt die Details der Benutzeroberfläche mit den Konfigurationsparametern des auf das ursprüngliche Signal angewendeten Hochpassfilters (Butterworth 6. Ordnung bei 1 Hz) und der Integrationsperiode zur Umformung des Signals in Geschwindigkeit.

Überblick über die ZeitsignalverarbeitungAbb. 6: Überblick über die Zeitsignalverarbeitung

Obwohl das Sensorkonditionierungssignal a priori bereits während des Erfassungsprozesses gefiltert wird, gilt es als gute Praxis, eine zusätzliche Niederfrequenzfilterung (unter 1 Hz) durchzuführen, bevor in der auf die Erfassung folgenden Verarbeitungsphase ein Integrationsprozess stattfindet. Ziel ist es, eine sich aus der fehlenden Rücksetzung des Absolutwerts des Sensors ergebende verbleibende kontinuierliche Komponente zu vermeiden, die zur Zunahme einer konstanten kontinuierlichen Komponente parallel zum gesamten integrierten Signal führen würde.

Nach Erhalt des Geschwindigkeitssignals wird vom Zeitbereich zum Frequenzbereich übergegangen und die FFT angewendet, deren Parameter vom Experimentator gewählt werden und im Abschlussbericht entsprechend zu begründen sind. Als Beispiel sind unten die Parameter für unseren spezifischen Fall aufgeführt:

FFT-KonfigurationsparameterAbb. 7: FFT-Konfigurationsparameter

Dank der Flexibilität und des Echtzeit-Potenzials der Software DewesoftX ist es möglich, bereits in der Messphase alle relevanten mathematischen Aspekte zu visualisieren.

Durch die Aufzeichnung von Zeitverläufen und Rohdaten kann der Testtechniker zudem bei der Nachanalyse die einzelnen Ereignisse erneut prüfen und die von der Norm geforderten Indizes aktualisieren.

Die erfassten Signale und die durchgeführten Berechnungen können zu Berichtszwecken in verschiedene Formate exportiert werden.

Fazit

Mit den Dewesoft-Systemen ist es dank der grafischen Benutzeroberfläche, die den Benutzer führt, und der bereits vorkonfigurierten mathematischen Funktionen möglich, in wenigen Schritten Prüfungen durchzuführen, die der Norm UNI 9916:2014 gerecht werden.

Verteilte Ein-Kabel-Konfiguration mit IOLITE-Modulen und PCAbb. 8: Verteilte Ein-Kabel-Konfiguration mit IOLITE-Modulen und PC

Die Flexibilität der Erfassungsplattform ermöglicht es, mehrere Punkte gleichzeitig zu erfassen, was den Zeitaufwand vor Ort drastisch reduziert und einen linearen Aufbau mit minimaler Verkabelung ermöglicht, was sich wiederum positiv auf das Signal-Rausch-Verhältnis auswirkt.
Parallel zur Störungswahrnehmung können z. B. auch die strukturelle Integrität und die akustische Belastung untersucht werden.

Autor: NVH Spezialist Samuele Ardizio und Applikationsingenieur Emanuele Burgognoni, Dewesoft Italien