Die Erde bebt, Gebäude stürzen ein. Am 29. Dezember 2020 kurz nach Mittag (Ortszeit) wird Zentralkroatien von einem Erdbeben der Momenten-Magnitude 6,2 erschüttert. Einmal mehr verdeutlicht ein tragisches Ereignis die Notwendigkeit, erdbebensicher zu bauen und Baudenkmäler zu schützen. Das italienische Unternehmen ESSEBI und Dewesoft liefern Lösungen für die seismische Überwachung auf Grundlage eines Gerätes zur Schwingungsdatenerfassung.

Earthquake structure destruction in Croatia

Das Epizentrum des Erdbebens lag rund 50 Kilometer südöstlich der kroatischen Hauptstadt Zagreb, in der Nähe der Städte Petrinja und Sisak. Es war das stärkste Erdbeben, das in dieser Gegend in den letzten 140 Jahren gemessen wurde. Es forderte mindestens sieben Todesopfer und Dutzende von Verletzten, und Tausende wurden obdachlos, da das Beben in den am schwersten betroffenen Städten etwa die Hälfte der Gebäude zerstörte.

Landkarte zeigt den Abstand zum Epizentrum des Erdbebens.

Überwachung historischer Gebäude

Der Dewesoft-Partner ESSEBI S.r.l. hat dynamische Überwachungssysteme in Gebäuden in verschiedenen Regionen Italiens installiert. Diese Systeme registrierten das Erdbeben, das sich in der Nähe von Zagreb in Kroatien ereignete. Die über zahlreiche Standorte in ganz Italien verstreuten Beschleunigungssensoren zeichneten das seismische Ereignis mit extrem hoher Auflösung auf. Selbst ein in einem Gebäude in der Via delle Medaglie d'Oro in Rom, also fast 500 Kilometer vom Epizentrum entfernt, installiertes System konnte das Ereignis erfassen.

Durch die Integration eines Hochleistungs-MEMS-Beschleunigungssensors wurde aus dem einkanaligen Dewesoft-Datenlogger IOLITEd ein DAQ-Gerät vom Typ IOLITEd-3xMEMS-ACC, also ein integrierter Messverstärker mit eingebautem MEMS-Beschleunigungssensor.

ESSEBI setzt dieses Instrument derzeit in verschiedenen Anwendungen im Bereich des Bauwesens und der Architektur ein. Die ersten Ergebnisse haben gezeigt, dass es die beste derzeit auf dem Markt verfügbare Lösung darstellt.

Für Länder wie Italien, in denen sich zahlreiche antike Denkmäler befinden, ist die Beurteilung des Zustands historischer Gebäude mit Hilfe von Echtzeit-Überwachungssystemen ein wesentlicher Schritt zur Erhaltung des architektonischen Erbes. Ereignisse wie Erdbeben oder extreme Wetterphänomene stellen für diese Gebäude aufgrund ihres Alters und der damit verbundenen Unfähigkeit, außergewöhnlichen Erregungen standzuhalten, ein großes Risiko dar. 

Ein permanent installiertes, automatisches Echtzeitsystem zur strukturellen Zustandsüberwachung gilt als nützliches Werkzeug für die frühzeitige Erkennung potenziell gefährlicher Situationen für das Bauwerk und seine Bewohner.

Der Sensor in Rom war so eingestellt, dass er durch die Überschreitung einer durch einfache Integration der Beschleunigung erhaltenen Geschwindigkeit getriggert wurde. Der Grund dafür liegt in der Erfordernis, die Überwachung in Übereinstimmung mit der deutschen Norm DIN 415O durchzuführen, die die Kontrolle der Schwingungsgeschwindigkeiten ausdrücklich vorschreibt. Der Schwellenwert, der in diesem Fall die Speicherung der erfassten Daten auslöste, war auf 2,5 mm/s festgelegt.

Auch bei den im Pavillon 13 und im Service Center des rund 560 km vom Epizentrum entfernt gelegenen Messezentrums Fiera di Milano in Rho (Mailand) installierten Überwachungssystemen wurde die Datenspeicherung aktiviert, und zwar nicht nur beim Hauptbeben, sondern sogar, als sich später zwei weniger schwere Nachbeben ereigneten, deren Epizentrum ebenfalls in Petrinja lag.

Die auf der Mailänder Messe installierten Überwachungssysteme sind so programmiert, dass die Aufzeichnung im Falle ungewöhnlich heftiger atmosphärischer Ereignisse, wie Schneefall oder Wind, gestartet wird. Die Triggerschwelle ist hier immer auf die Hintergrundgeräusche aus der Umgebung kalibriert. Außerdem haben die Aufnehmer hier die zusätzliche Aufgabe, Winkelmessungen mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von einem Hundertstel Grad zu machen, und fungieren somit in jeder Hinsicht als Servo-Neigungsmesser.

Wenn man berücksichtigt, dass Mailand ungefähr ebenso weit vom Epizentrum in Kroatien entfernt ist wie Rom, ist die festgestellte höhere Empfindlichkeit sicherlich auf den besonderen adaptiven Algorithmus zurückzuführen, auf dem der Auslösemechanismus dieses Systems basiert. 

Nützliches Wissen

Die nun verfügbaren Aufzeichnungen liefern nützliche Informationen über das Verhalten der unter Beobachtung stehenden Bauten. So können zu den Maximalwerten der gemessenen kinematischen Größen (Beschleunigung) und der durch numerische Integration berechneten Größen (Geschwindigkeit und Weg) zahlreiche Überlegungen angestellt werden.

Die Frequenzanalyse der aufgezeichneten Zeitverläufe erlaubt es außerdem, zu beurteilen, ob die gemessene seismische Aktivität den Eigenfrequenzen entspricht oder nicht. Hier ist es zweckmäßig, vor der eigentlichen Messung per ugh Modalanalyse die Eigenresonanzfrequenzen des Bauwerks zu ermitteln. In der Regel eignet sich hier die Betriebsmodalanalyse (OMA), wobei die Eigenschwingungen als Anregung ausreichen.

Einige auf dem Markt tätige Anbieter verfügen über ein engmaschiges Netz von Seismographen und Geophonen. Diese Lösung adressiert allerdings nur den Boden und nicht das Gebäude selbst. Das bedeutet, dass die instrumentell gemessenen Daten noch mit theoretischen Werkzeugen extrapoliert werden müssen.

ESSEBI ist vielleicht das einzige Unternehmen in Italien, das aus seinen instrumentierten Einrichtungen derzeit eine solche Fülle von Informationen ziehen kann. Informationen, die sehr nützlich sind, um das tatsächliche Verhalten der betroffenen Gebäude und Strukturen zu bewerten, wenn sie mehr oder weniger starken Erschütterungen ausgesetzt sind.

In diesem Kontext ist zu erwähnen, dass der italienische Katastrophenschutz für die Überwachung einiger ausgesprochen wertvoller Bauwerke zuständig ist. Das Problem ist, dass dabei sehr hochwertige Instrumente zum Einsatz kommen, die zwar für kurzfristige modale Betriebsanalysen geeignet sind, deren Verwendung für langfristige oder kontinuierliche seismische Untersuchungen aber nicht gerechtfertigt ist.

Typisches Schema der dynamischen Gebäudeüberwachung mit einem IOLITEd-ArrayTypisches Schema der dynamischen Gebäudeüberwachung mit einem IOLITEd-Array

Die Überwachungslösung von ESSEBI und Dewesoft

ESSEBI verwendet stattdessen an allen Standorten, an denen eine Anlage zur kontinuierlichen seismischen Überwachung installiert wurde, das IOLITEd-MEMS-Gerät von Dewesoft. Beim IOLITEd-3xMEMS handelt es sich um ein autonomes und verteilbares industrielles Datenerfassungsgerät mit einem eingebauten leistungsstarken dreiachsigen MEMS-Sensor (MEMS-Beschleunigungsmesser). 

IOLITEd-3xMEMS wird genutzt für die Strukturüberwachung am GebäudeDatenerfassungsmodul IOLITEd-3xMEMS mit Messverstärker und integriertem dreiachsigen MEMS-Beschleunigungssensor

Mit seiner High-End-Signalkonditionierung ist dieses Modul speziell für Überwachungs- und Industrieanwendungen ausgelegt.

Es bietet ein exzellentes Signal-Rausch-Verhältnis, das eine hohe Dynamik von bis zu 96 dB ermöglicht, und ist mittels der ausgezeichneten Softwareplattform DewesoftX übersichtlich und einfach zu bedienen. 

Vor allem aber ermöglicht das gute Preis-Leistungs-Verhältnis die Installation einer ausreichenden Anzahl von Messpunkten, die mit einem meist moderaten Budget oft nur schwer zu vereinbaren ist.

Die Anzahl instrumentierter Bauten muss drastisch erhöht werden, um nützlichere und aussagekräftigere Daten für eine korrekte erdbebensichere Planung von Neubauten zu generieren und eine effektive Methode für erhaltende Maßnahmen an historischen Gebäuden von besonderem kulturellen Wert zu entwickeln.