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1 Ein elektromechanisches Aligniersystem und eine Druckschlauchwaage für die messtechnische Überwaschung von industriellen Produktionsanlagen und Bauwerken Wolfgang Dames und Manfred Jakobs GeTec Ingenieurgesellschaft mbh, Aachen Überreicht durch GeTec Ingenieurgesellschaft für Informations- und Planungstechnologie mbh Head Office D Aachen, Rotter Bruch 26a Fax Rhein-Main Office Fax Fachaufsatz GT D

2 Ein elektromechanisches Aligniersystem und eine Druckschlauchwaage für die messtechnische Überwachung von industriellen Produktionsanlagen und Bauwerken Wolfgang Dames und Manfred Jakobs Zusammenfassung Im Rahmen komplexer Baumaßnahmen oder bei der Durchführung von Bergbauprojekten müssen häufig Bauwerke und Produktionsanlagen zur Beweissicherung bzw. zur Kontrolle kritischer Verformungstoleranzen überwacht werden. In diesem Aufsatz werden zwei Meßsysteme vorgestellt, die eine kontinuierliche Objektüberwachung nahezu in Echtzeit mit einer Genauigkeit von 0.1 mm ermöglichen. Ein elektromechanisches Aligniersystem auf der Basis eines gespannten Drahtes erfasst mit elektro-optischen Abstandssensoren die Verformungen des Fundamentes einer Holzproduktionsanlage im Einwirkungsbereich des Bergbaus. Für die Beobachtung des Setzungsverlaufs der Centraalstation Antwerpen während der Untertunnelung wird eine Druckschlauchwaage mit einer Systemgenauigkeit von < 0.3 mm eingesetzt. Neben einer zuverlässigen Hardware verfügen beide Systeme über ein Datenmanagement, das die kontinuierliche Visualisierung des Objektzustands für die Steuerung der Sicherungsmaßnahmen gewährleistet. 1 Einführung und Problemstellung Um die immer komplexeren und schwierigeren Baumaßnahmen im Bereich von Innenstädten bzw. vorhandenen Bebauungen sicher durchzuführen, werden an die Messtechnik immer höhere Anforderungen gestellt. In diesen Bereichen sind häufig auch industrielle Produktionsanlagen, deren Standsicherheit und Betriebsbereitschaft gewährleistet werden muss, von solchen Maßnahmen betroffen. Manuelle Überwachungsverfahren werden bei Großprojekten immer mehr durch den Einsatz automatischer Systeme abgelöst. In vielen Fällen dienen diese Messungen zur Beweissicherung bzw. der Kontrolle kritischer Verformungstoleranzen. Werden derartige Toleranzen überschritten, sind Schäden an Bauwerken und industriellen Anlagen im Regelfall unvermeidbar. Die frühzeitige Kenntnis über kritische Verformungen bzw. die Entwicklung von Verformungstendenzen trägt wesentlich dazu bei, Schäden an gefährdeten Objekten vorzeitig zu erkennen und gegebenenfalls durch eine rechtzeitige Einleitung von Gegenmaßnahmen zu minimieren. Besonders bei dem zur Zeit verstärkt laufenden Ausbau der Verkehrs- und Schienennetze mit entsprechend aufwendigen Tunnelbauwerken, aber auch beim Schutz der Tagesfläche infolge von Bergbauprojekten wird die Verformungsmesstechnik vor neue Aufgaben gestellt (Jakobs, Schmitt, Uhl 1999; Otterbein 2000). Dabei werden nicht nur besondere Anforderungen an die messtechnische Ausrüstung und die Zuverlässigkeit der Hardware gestellt, sondern auch an ein Datenmanagement, das die Auswertung, Interpretation und Bewertung der Datenmengen sicherstellt. Zur Aufbereitung und Archivierung dieser Datenmengen werden aufwendige Visualisierungsprogramme genutzt, um Verformungsänderungen möglichst zeitnah und transparent darzustellen. Sieht der Bauentwurf begleitende aktive Maßnahmen zur Anhebung oder Kompensation von Setzungen und Verformungen vor zum Beispiel eine Gebäudehebung mit dem Soilfrac-Verfahren (Compensation grouting) oder die Ausrichtung eines Maschinenfundaments mit hydraulischen Stelleinrichtungen-, ist die Verfügbarkeit und die Visualisierung der zeitlichen Höhenänderungen des betreffenden Objekts von besonderem Interesse. Verformungsmeßsysteme für diese Aufgabenstellung müssen in der Lage sein eine Messgenauigkeit im 0.1-mm Bereich sicherzustellen und durch einen genügend kurzen Messzyklus die Bauwerksdeformationen vollständig zu erfassen auch über einen längeren Zeitraum die Messwerte zuverlässig und störungsfrei zu liefern die Messwerte kontinuierlich aufzuzeichnen und unmittelbar zu einem lückenlosen integralen Verformungsbild zu verarbeiten. 1

3 Die klassischen geodätischen Messverfahren wie z.b. Feinnivellement liefern bei Verwendung eines entsprechenden Instrumentariums unter günstigen Randbedingungen Genauigkeiten von 0.2 mm bis 0.5 mm. Jedoch erweisen sie sich für ein kontinuierliches Verformungsmonitoring weniger geeignet und sind bei Langzeitbeobachtungen häufig unwirtschaftlich. Auch Automatisierungen dieses Messprozesses durch motorisch gesteuerte Nivelliere erlauben nur eine Beobachtung der Objekte mit einer mehr oder weniger großen Zeitdifferenz zwischen den Wiederholungsmessungen. Darüber hinaus sind bei diesem Verfahren dauerhafte Funktionstüchtigkeit und Messzuverlässigkeit stark von den Umgebungsbedingungen abhängig. So ist beim Einsatz eines motorisch gesteuerten Nivelliers grundsätzlich eine ungestörte Sichtverbindung mit konstanter Lichtintensität zwischen Beobachtungseinheit und Zielpunkt notwendig, um eine ständige Verfügbarkeit der Verformungsergebnisse zu gewährleisten. Nachfolgend werden zwei Überwachungsaufgaben vorgestellt, bei denen die Messergebnisse zur Steuerung von Sicherungsmaßnahmen quasi in Echtzeit mit einer Genauigkeit von 0.1 mm vorliegen müssen. Zur kontinuierlichen Registrierung der Objektverformungen einer Holzproduktionsanlage im Einflussbereich des Bergbaus mit einer Genauigkeit < 0.1 mm kommt ein elektromechanisches Aligniersystem zum Einsatz. Die Überwachung der Centraalstation Antwerpen während eines Tunnelvortriebs erfolgt mit einem Druckschlauchwaagenmeßsystem mit einer geforderten Genauigkeit von 0.3 mm. Beide Messverfahren wurden hinsichtlich ihrer Eignung als hochpräzise Verformungsmeßsysteme in intensiven Forschungsarbeiten an der RWTH Aachen untersucht ( Busch, Witte 1984; Dames 1990; Domke 1986; Jakobs 1990 ) bevor sie als praxisreife Systeme für entsprechende Überwachungsaufgaben gefertigt wurden. 2 Die Überwachungsobjekte Holzproduktionsanlage Zwei Bauhöhen eines Bergwerks der Deutschen Steinkohle AG haben auf einen holzverarbeitenden Industriebetrieb zwischen 1990 und 1997 bergbauliche Einwirkungen in der Randzone verursacht. Während des Abbaus eines ersten Doppelstrebes lag der Betrieb in der äußersten Randzone des Einwirkungsbereichs. Während dieser Phase lagen die gemessenen Senkungen unter 2 cm und Betriebsbeeinträchtigungen traten nicht auf. Die prognostizierten Einwirkungen durch ein weiteres Doppelstrebsystem waren nach der Bodenbewegungsvorausberechnung mehr als doppelt so groß und betrugen bis zu 5 cm Senkung. Abb. 2-1: Ansicht der Controllpresse Da die messtechnischen Beobachtungen an der verformungsempfindlichen Presse zur Herstellung mitteldichter Faserplatten bereits während der Betriebsphase Verformungen zeigten und nach Anga- 2

4 ben des Maschinenherstellers nur geringe Verformungen (maximale Durchbiegung des Trägers < 3 mm, maximale Schieflage < 3 mm) zulässig waren, mussten weitere Bodenbewegungen sehr sensibel betrachtet werden. Es stellte sich nun die Frage ob die hochempfindlichen Anlagen überhaupt weiteren bergbaulichen Einwirkungen ausgesetzt werden sollten, oder ob ein Sicherheitspfeiler in Betracht kommt. Die Zuschnittsplanung wurde in diesem Bereich sehr kritisch geprüft. Da nicht nur der zum Jahreswechsel 1995/96 angelaufene Doppelstreb auf die Produktionsanlage eingewirkt hätte, sondern auch die nördlich daran anschließenden Bauhöhen in Flöz Schwalbach und nach damaliger Planung ab etwa dem Jahr 2002 die Abbaubetriebe in dem ca. 130 m tiefer liegenden Flöz Wahlschied, hätte sich durch Einhalten eines Sicherheitspfeilers ein Kohlenvorratsverlust von weit mehr als 1,5 Mio. t ergeben. Aus diesem Grunde entschloss sich die damalige Saarbergwerke AG in Absprache mit dem Betreiber des Holzwerks, die Lage der Presse kontinuierlich zu überwachen. Die Messwerterfassung sollte dabei im Sekundentakt erfolgen und die Messergebnisse nach einer entsprechenden Aufbereitung quasi in Echtzeit abrufbar sein, um Tendenzen der Bodenbewegungen frühzeitig zu erkennen und hinsichtlich einer Lagekorrektur sofort handlungsfähig zu sein (Jakobs, Schmitt, Uhl 1999). Centraalstation Antwerpen Ein weiteres Überwachungsprojekt war die messtechnische Begleitung der Sicherungs- und Tunnelbauarbeiten an der Centraalstation Antwerpen mit Beginn in Der Bahnhofskomplex wurde in der Zeit von 1899 bis 1905 als Kopfbahnhof erbaut. Im Rahmen des Ausbaus der Hochgeschwindigkeitslinie von Brüssel über Antwerpen nach Amsterdam wird durch eine Untertunnelung eine Durchfahrt für Linien- und Hochgeschwindigkeitszüge möglich. Bei der Tunnelauffahrung werden nach Herstellung einer Rohrschirmdecke die seitlichen, ca. 15 m tiefen Tunnelschlitzwände aus den äußeren Röhren konventionell errichtet. Im Anschluss daran erfolgt der Aushub mit Einbau der endgültigen Tunneldecke und Tunnelsohle. Aus Setzungsberechnungen haben sich Gesamtsetzungsprognosen für alle Bauphasen von 60 bis 120 mm ergeben. Verformungen in dieser Größenordnung mit steilen Tangentenneigungen im Randbereich der Setzungsmulde, die hier innerhalb des Gebäudes liegen, führen erfahrungsgemäß zu erheblichen Bauwerksschäden. Abb. 2-2: Schnitt Bahnhof und Bauphasen Zur Vermeidung größerer Schäden wurde das Soilfrac Verfahren zum permanenten Setzungsausgleich während der Tunnelbauphasen eingesetzt (Keller Grundbau GmbH 2000). Mit diesem Verfahren können nach einer Vorinjektion jederzeit gezielte Hebungen ausgeführt werden. Während der kritischen Bauphasen sind die maximalen Setzungen auf 5 mm bei einer Neigung von 1 : 2000 begrenzt worden. 3

5 3 Messverfahren und Messeinrichtungen 3.1 Überwachung der Produktionsanlage mit dem elektromechanischen Aligniersystem Das Herz der Produktionsanlage ist eine 36 m lange und 3,2 m breite Contirollpresse mit einer Masse von rund 1200 Tonnen. Die Presse liegt auf zwei 90 cm hohen Stahlbetonträgern, die Teil einer Stahlbetonwanne sind. Insgesamt 18 Stahlbetonstützen leiten die Last über einen Betonbalkenrost in Bohrpfähle ein. In Erwartung bergbaulicher Bewegungen und einer damit verbundenen Lagekorrektur der Presse wurden in den beiden Stahlbetonträgern vorsorglich 52 Nischen zur Aufnahme von Hydraulikzylindern vorgesehen. Mit der Presse werden seit Anfang 1990 mitteldichte Faserplatten und Spanplatten unter hohem Druck und hoher Temperatur produziert. Hierzu bewegen sich zwei Stahlbänder an Heizplatten vorbei und pressen das im Einlauf noch relativ locker aufgeschichtete Material zu einer endlosen Platte zusammen. Eine automatisierte Steuerung sowie eine korrekte Lage der Presse bewirken wirtschaftliche Vorteile für die nachgeschalteten Arbeitsprozesse. Die Messeinrichtung besteht aus zwei elektromechanischen Aligniersystemen zur Biegelinienerfassung der beiden Träger und Neigungsmesseinrichtungen für die Erfassung der Schieflagen. Wegen der Temperaturbelastung durch die Produktion ( Umgebungstemperatur ca C) musste die Sensorik des Aligniersystems gekühlt werden. tiltmeasurement Neigungsmessung cross Querrichtung direction tilt Neigungsmessung measurement Längsrichtung long direction Neigungsmessung Längsrichtung z T z T z T z T Spanngewicht load reference Referenzdraht wire tail Umlenkrolle Elektro-optischer electro-optical Abstandssensor displacement sensor Abb. 3-1: Schematische Darstellung der Messanordnung an der Holzproduktionsanlage Die Referenz des Aligniersystems ist ein zwischen zwei Auflagern gespannter Federstahldraht. Die beiden Auflager definieren gleichzeitig das Maschinenkoordinatensystem. An jeweils 14 Messpunkten in den beiden Maschinenträgern wird ein elektro-optischer Abstandssensor befestigt, der kontinuierlich die relative vertikale Position w Träger - Referenzdraht misst. Über die Neigungsmessung an einer Basis von 3 m Länge in Maschinenlängsrichtung erfolgt die Berechnung der Veränderung des vertikalen Auflagerabstandes und daran anschließend die Transformation der Verformungen w in Höhenänderungen. Über die Neigungsmessungen in Querrichtung wird das zweite Aligniersystem an das Maschinenkoordinatensystem angeschlossen. Der Referenzdraht ist auf der einen Seite fixiert und auf der anderen Seite über eine reibungsarm gelagerte Rolle geführt. Die notwendige mechanische Spannung wird mit einem Spanngewicht erzeugt. Bei dieser statisch bestimmten Referenzanordnung treten keine für die Messgenauigkeit relevanten Durchhangänderungen aufgrund behinderter Wärmeausdehnung auf. Veränderungen der 4

6 Kettenlinienparameter wie Vorspannung, Gewicht/ Längeneinheit und horizontaler Auflagerabstand führen zu statischen Durchhangänderungen und beeinträchtigen die Genauigkeit der Höhenbestimmung (Jakobs 1990). z A Auflager Referenzdraht Abstandssensor z T 24 s B Auflager x F Abb. 3-2: Referenz des Aligniersystems Eine Abschätzung der zulässigen Parameteränderungen (Auslegungsparameter: Vorspannung F = 750 N, Gewicht/Längeneinheit p= 3.8 g/m, horizontaler Auflagerabstand s = 33 m) hinsichtlich einer Referenzstabilität von besser als 0.1 mm ergab für den Auflagerabstand 36 mm, das Spanngewicht 1.5 N und für das Gewicht/Längeneinheit 10 mg/m. Die zulässigen horizontalen Auflagerveränderungen liegen im Bereich der maximal zu erwartenden thermischen Längenänderungen der Maschinenträger. Durch Reinigen des Drahtes und der Spanngewichte im Zuge von Wartungsarbeiten konnten diese Einflüsse minimiert werden. Dynamische Referenzdrahterregungen traten nicht auf. Die berührungslose Bestimmung der Abstandsänderungen des Maschinenträgers gegenüber dem Referenzdraht erfolgt über dessen Abbildung auf einem lichtempfindlichen Detektor. Eingesetzt wird ein CCD-Array bestehend aus 5000 Einzeldioden mit einer Breite von 7 µm. Daraus resultiert ein Messbereich des Abstandssensors von 35 mm. Der Referenzdraht (Drahtdicke: 0.8 mm) wird durch ein paralleles Lichtbündel auf der Diodenoberfläche abgebildet. Hierzu wird das divergente Lichtbündel einer Laserdiode über einer Zylinderlinse parallelisiert. Der durch den Referenzdraht erzeugte Schatten verursacht eine Signaländerung und definiert die Referenzposition zum jeweiligen Zeitpunkt auf dem CCD-Array für die elektrische Auswertung.: CCD-Array signal laser Optik Referenz draht Abb. 3-3: Elektro-optischer Abstandssensor Um Signalfehler aufgrund von Temperatureinflüssen zu vermeiden, wurde mit der Fa. ikado GmbH, Herzogenrath eine Sensorelektronik aufgebaut, in der die elektrischen Signale bereits im ersten Schritt in einer Auswerteelektronik in digitale Positionssignale umgewandelt und am Dual-Ported-RAM der CPU (Siemens CP 8032) für die weitere Signalauswertung zur Verfügung gestellt werden. Während eines frei einstellbaren Messintervalls (maximal 250 Zyklen/s) werden über einen Algorithmus zur Drahtverfolgung Mittelwert mit Standardabweichung, Minimal- und Maximalwert der Drahtposition im Zyklus ermittelt. Zusätzlich werden Umgebungs- und Sensortemperatur gemessen, um einmal eine 5

7 Zuordnung der Messwerte zu den Betriebszuständen zu erreichen und um bei Überschreiten bestimmter Sensortemperaturen Warnmeldungen an den Betreiber der Messeinrichtung abzugeben. Außerdem ist die Sensoroptik einer Verschmutzung durch Ölnebel und Holzstaub ausgesetzt. An Hand einer integrierten Verschmutzungsüberwachung kann der Wartungseinsatz effizient gesteuert werden. Sensorkalibrierungen zeigen, dass eine Messgenauigkeit von ±0.03 mm erreicht wird. Untersuchungen der Temperaturabhängigkeit ergaben keine Beeinflussungen des Positionssignals. Die Messwerterfassung erfolgt über das Bussystem Feldbus Sinec L2 DP der Fa. Siemens. Eine SPS Simatic S5-115U, die mit den entsprechenden Baugruppen ausgerüstet ist, steuert die Kühlanlage, sammelt die Daten und sendet diese zu einem Auswertecomputer, der mit einer Visualisierungseinheit (COROS/LSB Win) zur Online-Darstellung des Prozesses ausgestattet ist. Der Einsatz einer Fernwartungssoftware gestattet eine Fernsteuerung der Überwachungsanlage über Modem und Telefonnetz sowie einen Datentransfer zu einer Leitstelle der Saarbergwerke. Mit der beschriebenen Überwachungsmesseinrichtung wird die Produktionsanlage seit September 1995 zuverlässig überwacht. Eine notwendige Lagekorrektur wurde frühzeitig signalisiert und konnte mit Hilfe des Aligniersystems effizient und mit der erforderlichen Genauigkeit durchgeführt werden. Basis dieser Ausrichtungsmaßnahmen sind die in Abbildung 3-4 dargestellten Biegelinien der beiden Maschinenträger, die durch das Meßsystem kontinuierlich aufgezeichnet werden. Verformung in mm Biegelinie Stationierung in m Abb. 3-4: Biegelinien der Maschinenträger 3.2 Das hydrostatische Druckschlauchwaagensystem an der Centraalstation Antwerpen Für die kontinuierliche Bestimmung absoluter und relativer Höhenänderungen an Bauwerken oder in Bereichen der Geophysik und Bodenmechanik werden seit etwa einem Jahrhundert hydrostatische Höhenmeßsysteme erfolgreich eingesetzt. Diese Meßsysteme basieren auf dem Prinzip der kommunizierenden Röhren und bestehen in der Regel aus mehreren durch Rohrleitungssysteme verbundene Messzylinder, in denen die Oberfläche der Füllflüssigkeit abgetastet wird. In den letzten dreißig Jahren liefen bei diesen Füllstandsschlauchwaagen die Entwicklungen darauf hinaus, eine möglichst automatisierte Füllstandsbestimmung an den Messstellen zu erreichen. Im Zuge der fortschreitenden Sensorentwicklungen konnten für diesen Bereich brauchbare Ergebnisse erzielt werden. Das Hauptproblem, nämlich die direkte Abhängigkeit des Messbereichs von der Höhe der Standzylinder und der damit verbundene Platzbedarf, konnte indes nicht gelöst werden. Unabhängig davon wurde das Verfahren der Höhenbestimmung über die Messung des auf einen Referenzdruck bezogenen hydrostatischen Drucks der Flüssigkeitssäule an den Messstellen angewendet. Anwendungen dieses Messprinzips waren Wanderschlauchwaagen für Profilmessungen in der Seismik. So wurde bereits 1972 ein hydrostatisches Nivellement von 1000 km mit dieser Messeinrichtung durchgeführt (Prichoda, Mozgov 1972). Aufgrund dieser Erfahrungen wird das im folgende beschriebene stationäre System auch als mobile Schlauchwaage eingesetzt. Während das Verfahren der hydrostatischen Druckmessung wegen einer fehlenden Verfügbarkeit von entsprechend genauen Druckaufnehmern bis in die achtziger Jahre nicht für hochgenaue Deformationsmessungen eingesetzt werden konnte, lassen sich heute mit den in den letzten 20 Jahren ständig verbesserten Druckaufnehmern hydrostatische Vierstellenmeßsysteme realisieren (Dames 1990), die 6

8 eine Genauigkeit von besser als 0.1 mm erreichen und zudem gegenüber den klassischen Füllstandssystem folgende entscheidende Vorteile haben (System GeTec) variabler Messbereich in Abhängigkeit der Aufgabenstellung mit unterschiedlichen Druckaufnehmern ( z.b. Höhenunterschieden 10 cm < dh < 10 m) durch die geringe Höhe einer Messstelle (Füllstandsschlauchwaage ca. 500 mm, Druckschlauchwaage ca. 100 mm) Einbau auch unter beengten räumlichen Verhältnissen Kombinationsmöglichkeiten von Drucksensoren unterschiedlicher Messbereiche variabel Abb. 3-5: Messstelle Füllstandsschlauchwaage und Druckschlauchwaage Bei der Realisierung des Meßsystems erfassen Druckaufnehmer die Änderungen des Schweredrucks gegenüber einem Referenzniveau, die dann anschließend in Höhenänderungen umgerechnet werden. Ausgleichsgefäß p o Referenzmessstelle Sensor n Messflüssigkeit Sensor 1 h n h 1 Sensor 2 Referenzgas h 2 Abb. 3-6: Prinzipskizze Druckschlauchwaagenmeßsystem Wie in Abbildung 3-6 dargestellt ist es vorteilhaft für die Druckmessung Differenzdrucksensoren einzusetzen, da hier gegenüber Absolutdruckaufnehmern ein geringerer Messbereich erforderlich ist und damit höhere Messgenauigkeiten erzielt werden können. Der hydrostatische Druck wird daher als Differenz zwischen Flüssigkeitsdruck und einem Referenzdruck bestimmt. Der Druckausgleich des Systems (Messflüssigkeit und Referenzgas) findet in einem Ausgleichsgefäß statt. Das Herz des Schlauchwaagenmeßsystems sind Druckaufnehmer, die sich durch Stabilität und Zuverlässigkeit auszeichnen. Die technischen Spezifikationen (System GeTec) lauten wie folgt: Messbereich: 200 mm Genauigkeit: 0.02 mm Betriebstemperatur: -25 C C 7

9 Mehrere Druckschlauchwaagensysteme dieses Typs werden seit einigen Jahren im deutschen Bergbau für Überwachungsaufgaben im Bergsenkungsbereich eingesetzt. Aufgrund der positiven Erfahrungen hinsichtlich Messgenauigkeit, Langzeitstabilität und Messgeschwindigkeit ist das System in weiteren Anwendungsfällen nicht nur zur Setzungskontrolle, sondern auch für die gezielte Anhebung von Bauwerken genutzt worden. Das Druckschlauchwaagenmesssystem ist dabei in ein computergestützes Erfassungs-, Archivierungs- und Visualisierungssystem integriert. Die analogen Messsignale der Druckaufnehmer werden im laufenden Betrieb über einen frei wählbaren Zeitraum als Einzelmessungen erfasst und im Regelfall alle 30 Sekunden gemittelt. Die Messwerterfassung erfolgt über dezentrale Datenerfassungseinheiten, die über ein Bussystem mit einer Systemleitstelle verbunden sind. Dort werden die Messdaten zeitkontinuierlich als Isolinien und Ganglinien visualisiert. Die Archivierung der Messwerte erfolgt in einem Datenbanksystem mit einem entsprechend gestalteten Datenmodell und können von anderen Anwendungen genutzt werden. Temperatureinfluss und Messdynamik Einflüsse der Temperatur bewirken systematische Veränderungen des Messwerts und beeinträchtigen die Genauigkeit der Messergebnisse. Ein für alle Messstellen gleicher Temperatureinfluss führt zu gleichmäßigen Druckänderungen, die sich jedoch auf die Höhenänderung der Messstellen nicht auswirken. Eine unterschiedliche Temperaturbeeinflussung wie zum Beispiel bei Messstellen innerhalb und außerhalb eines Gebäudes bleibt als Messungenauigkeit bestehen. Diese wird über Temperaturmessungen und ein entsprechendes Temperaturmodell korrigiert. Die nachstehende Abbildung zeigt den Verlauf unterschiedlicher Temperatureinflüsse für zwei Messstellen (Innenmessstelle und Außenmessstelle). Man kann hier erkennen, dass nach der der Differenzbildung ohne ein entsprechendes Temperaturmodell ein Einfluss (Außen Innen) von 0.4-Millimetern als Systemungenauigkeit auftreten kann. Temperaturkorrektionen Temperaturkorrektion in mm Innenmesstelle Außenmesstelle Abb. 3-7: Messstellen mit unterschiedlicher Temperaturbeeinflussung Hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens unterscheidet sich die Druckschlauchwaage von einer Füllstandsschlauchwaage, weil hier die Flüssigkeitssäule nur Schwingungen mit äußerst kleiner Amplitude ausführt. Einmal angeregt, zum Beispiel beim Umbau des Systems, bei mechanischen Schlauchdeformationen oder bei Höhenänderungen der Messstellen mit größerer Beschleunigung und Amplitude, beträgt die Relaxationszeit etwa zehn Sekunden (100 m- Schlauchwaagensystem). Beruhigungszeiten von Füllstandsschlauchwaagensystemen liegen bei mehreren Minuten, da die Schwingungsamplituden der allseitig offenen Systeme erheblich größer sind. 8

10 Abb. 3-8: Schlauchwaagenmeßsystem Centraalstation Antwerpen Abbildung 3-8 zeigt einen Ausschnitt der Installation des Druckschlauchwaagensystems an der Centraalstation Antwerpen. Dabei wird die Höhenreferenz durch ein flexibles Schlauchsystem (Trassenlänge ca. 800m) mit 83 Messstellen zur Erfassung der Höhenänderungen realisiert. Einmal eingebaut verläuft die Verformungsmessung mit diesem System während der Bauphase nahezu wartungsfrei. Das Meßsystem an der Centraalstation Antwerpen (83 Schlauchwaagenmessstellen in 3 Messkreisen, die auswertetechnisch zu einem Gesamtsystem gekoppelt sind) ist Ende August 1999 eingebaut worden und zeichnet seit diesem Zeitpunkt das Bewegungsverhalten des Bauwerks auf (Otterbein 2000). Parallel hierzu wurden in diesem Zeitraum umfangreiche Überprüfungen und Kontrollen hinsichtlich der Systemgenauigkeit durchgeführt. Durch eine Vorortkalibrierung mit einem Mikrometerschlitten wurde die Messgenauigkeit der Sensoren bestimmt. Für die einzelnen Sensoren ergibt sich bei einem Verschiebeweg von 100 mm eine Messgenauigkeit von 0.1 mm. Die Reproduzierbarkeit der Messwerte liegt ebenfalls bei 0.1 mm. Daran anschließend wurde über Füllstandstests die Reaktion aller Messwertgeber der einzelnen Messkreise auf definierte Verschiebungen des Wasserspiegels untersucht. Bei Verschiebungen von ca. + 40mm und 30mm ergibt sich hier ebenfalls eine Genauigkeit von 0.1 mm. Das Schlauchwaagenmeßsystem ist aufgrund der räumlichen Verteilung der Messpunkte unterschiedlichen Temperaturbeeinflussungen ausgesetzt. Während im Keller von einer gleichmäßigen Temperaturverteilung ausgegangen werden kann, sind in den beiden anderen Messkreisen Messstellen außerhalb und innerhalb des Gebäudes angebracht. Nach Berücksichtigung entsprechender Korrektionen auf der Basis von Temperaturmessungen liegt die Systemgenauigkeit bei 0.3 mm. Die nachstehende Abbildung zeigt einen Ausschnitt der umfassenden Visualisierung des Verformungsbildes. Neben den in Abbildung 3-9 dargestellten Ganglinie des Höhenverlaufs ausgewählter Messpunkte, werden ständig Quer- und Längsschnitte des Gebäudes sowie Isolinien ständig aktualisiert. 9

11 Vz(rel) in m m Abb. 3-9: Höhenverlauf von Schlauchwaagenmesspunkten Aufgrund der hohen Systemdynamik können alle 83 Messstellen innerhalb von 30 Sekunden aktualisiert und visualisiert werden. Während der Einsatzzeit von August 1999 bis Dezember 2001 kam es zu keinen Betriebsstörungen. Literatur Busch, W.; Witte, B. [1984]: Die aktive Verformungskontrolle als neues Konstruktionsprinzip für Tragwerke Grundlagen und Anforderungen an die Meßtechnik, In: Rinner,K.; Schelling; Brandstätter,G.: Ingenieurvermessung. 84.Beiträge zum IX. Int. Kurs für Ingenieurvermessung, Graz Sept. 1984, Dümmler Verlag, Bonn 1984 Dames, W. [1990]: Ein hydraulisches Vielstellenmesssystem mit veränderlichem Messbereich für die kontinuierliche Überwachung von Höhenänderungen, Dissertation TH Aachen 1990 Domke, W. [1986]: Überwindung heute bestehender Nutzungsgrenzen bei Biegetragwerken durch Aktive Verformungskontrolle, Abschlußbericht zum vom Land Nordrhein Westfalen geförderten Forschungsvorhaben, Aachen 1986 Jakobs, M. [1990]: Ein elektromechanisches Aligniersystem für die Erfassung dreidimensionaler Verformungszustände in der Bauwerksüberwachung, Dissertation TH Aachen 1990 Jakobs, M.; Schmitt, M.; Uhl O. [1999]: Maßnahmen zur Gewährleistung der Betriebssicherheit einer Produktionsanlage der holzverarbeitenden Industrie während bergbaulicher Einwirkungen, Vortrag anlässlich der Wissenschaftliche Tagung des Deutschen Markscheidervereins, Cottbus 1999 Dekker H., Jakobs M., Otterbein R. [2001]: Erfahrungen beim Einsatz der Druckschlauchwaage zur Höhenüberwachung setzungsempfindlicher Bauwerke, Der Bauingenieur, Band 76, Juni 2001 Otterbein, R. [2000]: Einsatz neuer Vermessungssysteme bei der Soilfrac-Sicherung Centraal-Staation Antwerpen, Vortrag anlässlich des Studientags, Breda ; Fachaufsatz 61-39D Prichoda, A.G. & Mozgov, A.K. [1972]: Neue Schlauchwaage in der UDSSR, Geodez.i.Kartog.,Moskva 17 (1972) 10, S Keller Grundbau GmbH [2000]: Aktiver Setzungsausgleich mit dem Soilfrac-Verfahren (Compensation-Grouting) während der Tunnelarbeiten unter dem Hauptbahnhof in Antwerpen, Baustellenbericht 61-29D 10

12 Anschrift der Verfasser Dr.-Ing. Wolfgang Dames, Freventstr. 149, Grefrath Dr.-Ing. Manfred Jakobs, GeTec Ingenieurgesellschaft für Informations- und Planungstechnologie mbh, Kaiserplatz 6, Aachen, 11