Der Einfluss verschiedener Beschleunigungssensor-Klebstoffe auf die Schwingungsmessung an Stahlkonstruktionen

Wie genau beeinflusst die jeweilige Verwendung dieser beiden Klebstofftypen die Datenerfassung? Wie verändert sich die Antwort der Sensoren bei unterschiedlichen übertragenen Frequenzen, und welche praktischen Auswirkungen hat dies auf die Strukturanalyse?

Sensorbefestigung an Strukturen

Abhängig von den Strukturen, die überwacht werden sollen, können verschiedene mechanische Verankerungen verwendet werden. Schrauben und Dübel sind einfach und schnell zu handhaben. Für verschiedene Untergründe (Stahlbeton, Gipskarton, Holz usw.) stehen verschiedene Schraubenarten zur Verfügung. Sie haben eine hohe Haltbarkeit, insbesondere in verzinkter Ausführung, und bieten festen Halt für jedes mit ihnen verankerte Element.

Schrauben und Dübel sorgen für eine stabile mechanische Verankerung. Dies kann in Situationen, die eine höhere Zugfestigkeit oder Seitenlastbeständigkeit erfordern, vorteilhaft sein. Eine solide Befestigung ist unerlässlich, wenn die zu überwachende Struktur starken Erschütterungen oder erheblichen Bewegungen ausgesetzt ist.

Die Verwendung von Schrauben und Dübeln kann jedoch zur Perforation oder Beschädigung der Struktur führen. Eine solche Beschädigung ist ein Risiko, das vor allem dann bedacht werden muss, wenn es um empfindliche oder heikle Materialien geht, wie z. B. bei einigen Arten von Stahl oder bei historischen Bauwerken. Die Anbringung von Schrauben und Dübeln erfordert das Bohren in die Strukturen, was in manchen Situationen, wie z. B. bei besonders harten oder schwer zugänglichen Oberflächen, unpraktisch oder unerwünscht sein kann.

Hier kommen Klebstoffe ins Spiel. Sie können die bevorzugte Methode darstellen, wenn strukturelle Schäden vermieden werden müssen oder wenn man es mit Untergründen zu tun hat, in die nicht einfach gebohrt werden kann.

Ein- und Zweikomponentenkleber

Zweikomponenten-Epoxidklebstoffe stellen eine vielseitige Lösung für die Befestigung von Geräten dar. Es handelt sich um einen innovativen Ansatz, bei dem während der Installationsphase zwei verschiedene Komponenten zur Anwendung kommen. Dabei ist die erste Komponente meist ein Harz und die zweite der Härter, der für die Auslösung des Polymerisationsprozesses erforderlich ist.

Die Wirksamkeit dieser Klebstoffe hängt in hohem Maße von der Mischung der beiden Komponenten ab, die bis zur Verwendung voneinander getrennt bleiben müssen. Die nach dem Mischen der beiden Komponenten verbleibende Verarbeitungszeit kann von den Umgebungsbedingungen beeinflusst werden (siehe Abb. 2).

Das Mischen der Komponenten eines Zweikomponentenklebers führt zu einer zusätzlichen Verzögerung bei ihrer Anwendung. Einkomponentenkleber hingegen können direkt aus dem Gebinde verwendet werden. Außerdem kann die Trocknungszeit bei Zweikomponentenklebern je nach Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit und Mischungsverhältnis der beiden Komponenten variieren. Diese Faktoren können die Geschwindigkeit und Effektivität der Polymerisationsreaktion beeinflussen und damit auch die Zeit, die der Kleber für die vollständige Aushärtung benötigt. 

Ein Einkomponenten-Epoxidkleber unterscheidet sich von den Zweikomponenten-Produkten durch ein besonderes Merkmal: Die beiden für die Polymerisation erforderlichen Reagenzien sind bereits im Gebinde vorgemischt. Anders als Sie vielleicht erwarten, findet die Polymerisationsreaktion jedoch nicht sofort nach der Entnahme des Klebstoffs aus dem Gebinde statt. 

Die Verzögerung ist darauf zurückzuführen, dass die Polymerisation bei diesem Klebstofftyp nicht durch ein chemisches Reagens aktiviert wird, sondern durch die Einwirkung von Temperaturen, die höher sind als die Umgebungstemperatur. Zur vollständigen Aushärtung muss ein Einkomponenten-Epoxidharzkleber Temperaturen von normalerweise über 120 °C ausgesetzt werden.

Diese Notwendigkeit der Wärmeaktivierung bietet mehrere Vorteile, wie zum Beispiel eine größere Flexibilität bei der Kontrolle der Verarbeitungszeit und eine bessere Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen nach der vollständigen Aushärtung. Zudem ist die von Einkomponentenklebern gebotene Elastizität zwar vorteilhaft bei der Verankerung von Gegenständen, stellt aber einen Nachteil dar, wenn es um die Übertragung von Schwingungen geht.

Installationszeiten bei Verwendung von Klebstoffen

Klebstoffe stellen eine perforationsfreie und in der Regel unauffälligere und ästhetisch ansprechendere Lösung dar. Die Belastbarkeit der Befestigung hängt dabei von der Qualität des Klebstoffs und der Vorbereitung des Untergrunds ab. Dies führt dazu, dass für die Gewährleistung einer sicheren und dauerhaften Haftung mehr Zeit erforderlich ist.

Die Klebebefestigung ist für die Installation von Sensoren im Feld unverzichtbar. Allerdings muss die richtige Menge an Klebstoff verwendet werden, da jeder Überschuss die Aushärtungszeit verlängert.

Der Trocknungsprozess führt zu erheblichen zeitlichen Schwankungen bei der Installation von Messinstrumenten. Wenn ein Zweikomponentenkleber im Durchschnitt 10 Minuten zum Trocknen benötigt, ergibt sich bei einer Montage von 80 Sensoren ein zusätzlicher Zeitaufwand von mehr als 13 Stunden. 

Ein solcher Aufwand bedeutet drei Tage zusätzlichen Personal- und Maschineneinsatz, was aus wirtschaftlicher Sicht eine Kostensteigerung von mehreren tausend Euro mit sich bringt. 

Hinzu kommt die zusätzliche Beantragung von Genehmigungen für Verkehrseinschränkungen zur Durchführung der Arbeiten entlang der zu instrumentierenden Strecke. Kurzum: die Verwendung von Klebstoffen ist aus vielfachen Gründen nur dann zu empfehlen, wenn es keine andere Möglichkeit gibt. Was kann in einem solchen Fall getan werden, um den Installationsprozess zu optimieren?

Zunächst ist es notwendig, die In Frage kommenden Klebstoffarten eingehend zu analysieren. Einkomponentenkleber sind aufgrund ihrer größeren Elastizität nach der Trocknungsphase weniger zur Übertragung von Schwingungen geeignet, andererseits erlauben Sie aber eine schnellere Sensormontage, da sie aufgrund ihrer Thermosensibilität kürzere Aushärtungszeiten aufweisen. Aus diesem Grund haben wir ihre Eignung als Übertragungsmedium (und Befestigungsmittel) für Beschleunigungssensoren untersucht.

Für die Tests verwendeten wir die folgende Hard- und Software:

• Dewesoft IOLITEiw-3xMEMS-ACC-8g – Datenerfassungsgerät mit integriertem rauscharmem triaxialem MEMS-Beschleunigungssensor (mikro-elektromechanisches System)

• DewesoftX – Software für die Signalmessung, Datenaufzeichnung und Signalverarbeitung

• Dewesoft Artemis OMA – Modalanalyse-Software

Dewesoft Artemis OMA ist eine spezialisierte Prüfsoftware für die Durchführung von OMA (Betriebsmodalanalysen), EMA (experimentellen Modalanalysen) und ODS (Betriebsschwingformanalysen) und die strukturelle Zustandsüberwachung.

IOLITEi 3xMEMS-ACC ist eine Familie von Datenerfassungsgeräten mit eingebettetem triaxialem MEMS-Beschleunigungssensor, Analog-Digital-Wandlung (ADC) und EtherCAT-Schnittstelle, die speziell auf die strukturelle Zustandsüberwachung von großen Strukturen wie z. B. Brücken ausgerichtet ist.

Erster Test: mechanische vs. chemische Verankerung

Ziel des ersten Tests war es, die Unterschiede zwischen den Signalen zu messen, die von zwei mit bzw. ohne Klebstoff befestigten Modulen erfasst werden. Das ohne Klebstoff befestigte Sensorgehäuse wurde mit selbstbohrenden Schrauben in der Struktur verankert. Gegenstand der Analyse war ein Flügel eines metallischen Industrietores.

Obwohl es sich nicht um einen streng wissenschaftlichen Test handelte, sollte der Vergleich der Signale der beiden nahe beieinander positionierten Sensoren in angemessener Form dieselben Schwingungen darstellen, bereinigt um die räumlichen und zeitlichen Fehler, die in diesem Fall beide als Null angenommen wurden.

• Wir nahmen den zeitlichen Fehler als Null an, da wir zwei IOLITEiw-Module (wasserdichte Ausführung) verwendeten, die für die synchrone verteilte Erfassung ausgelegt sind (Synchronisationsgenauigkeit besser als 1 µS).

• Der räumliche Fehler wurde als Null betrachtet, da wir die beiden Sensoren nur wenige Zentimeter voneinander entfernt auf dem Flügel eines 3 m hohen Industrietors positionierten und sie somit praktisch denselben Schwingungen ausgesetzt waren.

Unsere Aufmerksamkeit galt den Auswirkungen des Klebstoffs auf die erfassten Schwingungen. Streng genommen agiert jedes Material, das sich zwischen einem Sensor und einem zu analysierenden Körper befindet, wie ein mechanisches Filter, das Schwankungen in Modul und Phase des Signals erzeugt. Die Fragen, die an dieser Stelle zu beantworten sind, lauten: Worin genau bestehen diese Effekte, und in welchem Umfang treten sie auf?

Die Analyse zeigt das scheinbar elastische Verhalten des Klebstoffs, der das Signal entlang der Achse senkrecht zur Ebene des Torflügels (Y-Achse) verschiebt. Die IOLITEiw-3xMEMS-ACC-8g-Module verfügen über eine Selbstausrichtungsfunktion der relativen Achsen in Bezug auf die absoluten Achsen. 

Diese Funktionalität macht eine Feinausrichtung bei der Installation überflüssig und verkürzt so die erforderliche Montagezeit. In diesem Fall braucht die auf dem Modulgehäuse angegebene Richtung der Achsen nicht beachtet zu werden, da die Software die Neuausrichtung übernimmt. Für die korrekte Ausrichtung der Achsen siehe Abb. 4.

Die in Abb. 6 dargestellten Signale resultieren aus einem 30-Hz-Tiefpassfilter, das alle Schwingungen eliminiert, die höhere Frequenzen aufweisen als die, die für die Strukturanalyse relevant sind.

Aus dem ersten Test konnten wir schließen, dass der elastische Effekt des Klebstoffs eine erhebliche Phasenverschiebung des erfassten Beschleunigungssignals bewirkt. Wir führten weitere Tests durch, um mehr Informationen über diese Phasenverschiebung zu erhalten.

Zweiter Test: Einfluss der Klebstoffmenge auf die Phasenverschiebung

Für den zweiten Test entschieden wir uns für die folgenden Änderungen:

• Verringerung der bei der Installation verwendeten Klebstoffmenge

• Hinzufügen eines Sensors mit hybrider Befestigungslogik (Kleber und Schrauben)

• Durchführung von Analysen an einer flexibleren Struktur

Die ersten beiden Punkte sollten dazu dienen, die Phasenverschiebungen im Zusammenhang mit den unterschiedlichen Bedingungen für die Befestigung der Module mit Klebstoff zu untersuchen. Die flexiblere Struktur liefert stärkere Schwingungen, die den Vergleich der von den verschiedenen Modulen erfassten Signale im Zeitbereich erleichtern.

Aus praktischen Gründen war es nicht möglich, die Module am gleichen Messpunkt zu installieren. Um die Analyse der Phasenverschiebung auf den Anteil des Klebstoffs zu beschränken, wurde ein der ersten Schwingungsmode der Struktur entsprechender Bandpassfilter für 26,6 Hz verwendet. 

Diese Resonanzfrequenz ist die erste und einzige, die an allen Messpunkten entlang des Balkens phasengleiche Schwingungen aufweist (siehe Abb. 10).

Die grüne Signallinie entspricht dem mit Schrauben befestigten Modul, die rote dem geklebten Modul und die blaue dem mit Kleber und Schrauben befestigten Modul.

Das hier dargestellte Spektrum zeigt eine allen drei Sensoren gemeinsame Frequenzspitze bei 26,6 Hz. Diese Spitze ist charakteristisch für eine Resonanzfrequenz. Von der Frequenzbereichsanalyse gingen wir dann zur Zeitbereichsanalyse über, um einmal mehr die vom Klebstoff verursachte Phasenverschiebung zu analysieren.

Die Zeitleiste zeigt die phasenverschobenen Signale und erlaubt es, die mit dem geschraubten Modul (in grün) erfassten Signale mit denen zu vergleichen, die mit den geklebten Modulen (in rot und blau) erfasst wurden.

Kurz gefasst lässt sich sagen, dass die Ergebnisse des zweiten Tests die Existenz einer zeitlichen Verschiebung des Signals bestätigen, das mit den geklebten Modulen erfasst wurde.

Dritter Test: Einfluss des Klebstoffs auf die Modalanalyse

Dieser letzte Test zielte – auch wenn er nicht unter optimalen Bedingungen durchgeführt wurde – darauf ab, die ersten Eigenformen des untersuchten Trägers zu erfassen. Es konnte bewiesen werden, dass es möglich ist, die Modalanalyse einer Struktur mit Sensoren durchzuführen, die mithilfe eines Einkomponenten-Klebers befestigt wurden.

Bei diesem letzten Schritt hatten wir die größten Probleme mit dem Spektralrauschen. Die Bedingungen waren nicht optimal, da der untersuchte Körper mit anderen metallischen Komponenten verbunden war, die Resonanzfrequenzen innerhalb des für uns relevanten Bereichs aufwiesen.

Das Rauschen manifestierte sich als eine Reihe unregelmäßiger Spitzen und Täler im Frequenzspektrum. Diese Spitzen und Täler können an bestimmten Punkten des Spektrums stärker und an anderen weniger stark ausgeprägt sein, was zu einem visuell chaotischen Erscheinungsbild führt. Die Ursache für das Rauschen lag in der komplexen Interaktion zwischen dem analysierten Hauptkörper und den anderen, mit ihm verbundenen Strukturteilen.

Wenn der Hauptkörper schwang, konnten die anderen Teile bei bestimmten Frequenzen mitschwingen und die übertragenen Schwingungen verstärken und verändern. Dieses Phänomen erzeugte verschiedene Frequenzen, die sich im Spektrum überschnitten und so das beobachtete Rauschen erzeugten. Solche zusätzlichen Frequenzen können die Identifizierung und Interpretation der Schwingungsmoden des Hauptkörpers erschweren.

Trotz des scheinbaren Chaos im Frequenzspektrum können jedoch fortschrittliche Analyseverfahren angewendet werden, um die Schwingungsmoden des Hauptkörpers von anderen strukturellen Interferenzen zu trennen und zu identifizieren, darunter Filteralgorithmen und Datenanalysen zur Isolierung und Charakterisierung verschiedener Schwingungskomponenten.

Aber was erwarten wir eigentlich von der Modalanalyse? Der Theorie zufolge sollten wir ein bestimmtes dynamisches Verhalten feststellen (siehe Abb. 18). Es ist zu sehen, dass die ersten Biegeeigenformen das gleiche Verhalten zeigen wie ein an den Enden eingespannter Balken. Die ermittelten Eigenmoden entsprachen also den Erwartungen.

Bei der Modalanalyse mit Dewesoft Artemis OMA erhielten wir ein Spektraldichte-Diagramm mit einem sehr hohen Rauschpegel, der nur die Identifikation der ersten Schwingungsmoden zuließ.

Die Abb. 20 und 21 zeigen die Rekonstruktionen der ersten Biegeeigenformen. Die Bereiche mit den wärmsten Farben kennzeichnen die Teile, die den stärksten Verformungen ausgesetzt sind.

Fazit

Die Verwendung von Klebstoff zur Befestigung von Beschleunigungssensormodule auf Metallstrukturen kann die Messung erheblich beeinflussen. Daher ist eine sorgfältige und gezielte Analyse erforderlich, die die verschiedenen verfügbaren Klebstoffarten einbezieht.

Zum einen gibt es Zweikomponentenkleber, die sich durch eine hohe Steifheit im getrockneten Zustand auszeichnen, die der härtenden Komponente zuzuschreiben ist. Diese Klebstoffe sind hervorragend dazu geeignet, Schwingungen der Struktur zu übertragen, was eine genaue Erfassung der Schwingungsmoden gewährleistet. 

Es ist zu beachten, dass Zweikomponentenklebern auch einige Nachteile mit sich bringen. Erstens können sie teuer sein, da zwei separate Komponenten gekauft werden müssen, außerdem ist der Trocknungsprozess oft langsam, wodurch sich Verzögerungen bei der Vorbereitung und den Messungen selbst ergeben. Schließlich können sich Zweikomponentenkleber aufgrund ihrer Steifheit in bestimmten Anwendungssituationen, in denen Flexibilität unerlässlich ist, als unpraktisch erweisen.

Einkomponentenkleber ihrerseits zeichnen sich durch eine schnelle Trocknung aus. Sie stellen eine zeit- und kostengünstigere Alternative dar, die eine effizientere Sensorinstallation ermöglicht. Die größere Elastizität von Einkomponentenklebern kann jedoch zu Komplikationen führen. Insbesondere können sie Dämpfungen und Phasenverschiebungen bei den von den Sensoren erfassten Schwingungen verursachen und so die Präzision der Messungen beeinträchtigen.

Letztendlich hängt die Entscheidung für einen Ein- oder Zweikomponentenkleber von den spezifischen Anforderungen an den Klebstoff, dem konkreten Anwendungsfall und den Eigenschaften der zu testenden Struktur ab. Es ist wichtig, die Vor- und Nachteile jeder Option sorgfältig abzuwägen, um genaue und zuverlässige Messungen der Schwingungsmoden der Struktur zu gewährleisten, vor allem, wenn das letztliche Ziel die Durchführung einer Modalanalyse ist.

Auf Grundlage unserer experimentellen Erfahrungen in diesem Bereich würden wir eine eingehende wissenschaftliche Studie zu diesem Thema für sinnvoll halten, da sie Aufschluss über den Einfluss der gängigsten Klebstoffe auf die Verarbeitung von Beschleunigungssensordaten geben kann.

Abb. 22: Das technische Team von SITE bei der Vorbereitung der Modulbefestigung (von links nach rechts: Daniele Nisticò, Salvatore De Rinaldis und Simone Di Marco)

Danksagung

Unser Dank für ihre Bereitschaft und große Professionalität in allen Phasen unserer Zusammenarbeit geht an:

• Salvatore De Rinaldis – Montage- und Inbetriebnahmeleiter bei SITE

• Daniele Nisticò – Technischer Leiter bei SITE

• Simone Di Marco – Vermessungsingenieur bei SITE