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Der neue Arbeitskreis „Sensorik zur Substanzbewertung“

The new working group “Sensors for structural assessment”

Dr.-Ing. D. Jansen, Bergisch Gladbach

Ende des Jahres 2016 wurde der Arbeitskreis „Sensorik zur Substanzbewertung“ in der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) gegründet. Die Aufgabe des Arbeitskreises ist es, den Stand der Technik zum Einsatz örtlich gebundener Sensorik darzustellen, die für die Substanzbewertung verwertbare Informationen erfassen. Neben der Festlegung von Begrifflichkeiten für die Elemente der Messeinrichtung, sollen in einem Arbeitspapier auch die Möglichkeiten und Grenzen sowie die Bedingungen für den Einsatz von Sensoren in Straßenbefestigungen diskutiert werden. Der Artikel stellt die bereits  vorliegenden Arbeitsergebnisse des Arbeitskreises vor.

End of 2016 the new working group “Sensors for structural assessment” has been founded at the German Road and Transportation Research Association (FGSV). The main task of this working group is to summarize the state-of-the-art of using stationary sensors, that are able to capture information which can be useful in context of the structural assessment. Besides the definition of the meaning of the main parts of sensor based measuring systems, possibilities and limitations as well as necessary boundary conditions should be described in the to be drafted working paper. The article will give an overview of the possibilities and limitations of sensors for structural assessment as well as of the status of the working group and some conclusion which will be part of the working paper.

Entwicklung von Sensoren zur Erfassung des strukturellen Zustandes von Asphaltstraßen

Development of Sensors to Measure the Structural Condition of Asphalt Pavements

M. R. D. Tielmann, M. Sc.; M. Čičković, M. Sc.; T. J. Hill, M. Sc., Darmstadt;
Jacob J. Huczek, M. Sc.; M. Nono Tamo, M. Sc.; V. Farbischewski, B. Eng., Köln;
S. Czaja, M. Eng., Bad Hersfeld

Im Rahmen des Forschungsvorhabens FE 07.0255/2011/ARB wurden Sensoren entwickelt, die eine dauerhafte und zerstörungsfreie Erfassung des strukturellen Zustandes einer Verkehrsflächenbefestigung unter realen Nutzungsbedingungen kostengünstig und ohne Verkehrsbehinderung ermöglichen. Die Verformung gilt dabei als maßgebender Parameter zur Beurteilung der strukturellen Substanz. Da übliche Verformungen von Asphaltstraßen jedoch sehr gering ausfallen und sich durch kompakte Sensorik nur ungenau messen lassen, wurde als Messgröße die hochauflösend bestimmbare Vertikalbeschleunigung gewählt. Durch doppelte Integration lassen sich dann Verformungen berechnen. Während der Projektlaufzeit wurden verschiedene Versuchsfelder auf bestehenden und neu gebauten Befestigungen errichtet, um die Funktionalität, die Genauigkeit und die Praxistauglichkeit der Sensortechnik zu überprüfen. Dabei kamen sowohl verkabelte als auch kabellose Sensormodule zur Anwendung, für deren automatisierten Einbau ein spezieller Ablegeautomat konstruiert wurde. Die gewonnenen Beschleunigungsdaten sind auch unter Nutzung moderner Sensorik rauschbehaftet. Filtertechniken müssen optimiert werden, um eine Verzerrung der berechneten Verformungsdaten zu begrenzen. Dennoch konnten bereits gute Übereinstimmungen der Deflexionen mit den Ergebnissen etablierter Messverfahren wie dem FWD gefunden werden.

As part of the research project FE 07.0255/2011/ARB, sensors were developed that allow a permanent, non-destructive and costeffective evaluation of the substance value of an asphalt pavement under actual traffic loads and without traffic obstruction. The deflection of a pavement is considered as a crucial parameter to assess the structural substance. But, as usual deflections of asphalt roads are very low and cannot be measured precisely using compact sensor technology, vertical accelerations were chosen to be the measured parameter. Accelerations are measurable in high resolution and can be transferred into deflections by double integration. During the project period several proving grounds were constructed on existing and new pavements to verify the functionality, the precision and the practicality of the sensor technology. Wired sensors were used as well as wireless sensors, which can be installed by means of a specially developed placing unit. The measured acceleration data are noisy even under use of modern sensor technology. Noise filter techniques have to be optimized to reduce drift effects of the calculated deflection data. Nonetheless, good correlations of the deflections and the results of prevalent measurement methods such as the FWD were found.

Sensorik für Brückenbauwerke

Sensors for Bridge Structures

Dr.-Ing. P. Haardt; S. Dabringhaus, M. Sc., Bergisch Gladbach

Grundlage für eine systematische Erhaltungsplanung von Brückenbauwerken im Bundesfernstraßennetz sind regelmäßige visuelle und im Bedarfsfall weitere spezielle Bauwerksprüfungen, mit denen die Tragfähigkeit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit bewertet und die Dringlichkeit der Durchführung von Erhaltungsmaßnahmen angezeigt wird. Ergänzend zur Bauwerksprüfung stellt der Einsatz von geeigneter Sensorik im Rahmen eines Bauwerksmonitorings ein geeignetes Hilfsmittel dar, um Informationen bereitzustellen, die eine Aussage über den Ist-Zustand der Bauwerke ermöglichen. Neben üblicher elektrischer und faseroptischer Sensorik zur Erfassung von Tragfähigkeitsparametern wie z. B. Dehnungen, Neigungen, Beschleunigungen kommen zunehmend Sensoren zur Erfassung von Dauerhaftigkeitsparametern wie z. B. Korrosion und Feuchte im Beton zum Einsatz. Darüber hinaus sind neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Sensorik mit dem Schwerpunkt instrumentierter Bauteile zu beachten. Das Erfassen von Messgrößen mithilfe von Sensorik ist allerdings nur ein Bestandteil der Aufgabenstellung. Aussagen zum Ist-Zustand und Prognosen lassen sich nur in Verbindung mit angepassten Analyse- und Bewertungsverfahren treffen.

Regular visual and, if necessary, other special structural tests are used to assess the load-bearing capacity, road safety and durability and to indicate the urgency of implementing conservation measures. In addition to the building inspection, the use of suitable sensors in the context of a building survey is a suitable tool for providing information that enables the actual state of the building to be predicted. In addition to the usual electrical and fibre-optical sensors for measuring load-bearing capacity parameters such as elongation, inclination, and acceleration, sensors are increasingly being used to measure durability  parameters such as corrosion and moisture in concrete. In addition, new developments in the field of sensoric with a focus on instrumented components have to be considered. However, the acquisition of measured variables using sensors is only one component of the task. However, statements on the current situation and forecasts can only be made in conjunction with adapted analysis and evaluation methods.

Fahrzeugsensoren als Echtzeit- Informationsquelle für die Qualität der Straßenverkehrsinfrastruktur

Real-time Measurement of Road Quality Using On-Board Vehicle Sensors

Dipl.-Ing. F. Düsterhöft, Darmstadt;
Dr. T. Heger, Leonberg; J. Hofmockel, Gaimersheim;
P.-A. Klee, M. Sc., Aachen; C. Klöpfer, Essen;
K. Laubis, M. Sc.; M. Schmidt-Sautter, M. Sc.; J. Masino, M. Sc., Karlsruhe

Moderne Fahrzeuge werden serienmäßig mit zahlreichen Sensoren ausgestattet, durch welche der Betriebszustand und zu einem gewissen Grad auch das Umfeld der Fahrzeuge erfasst werden können. In dieser Studie wurde die Möglichkeit überprüft, mittels Auswertung serienmäßig verbauter, fahrzeugbasierter Sensordaten auf die Qualität und Beschaffenheit der Straßenverkehrsinfrastruktur und deren Veränderungen schließen zu können. Der innovative Ansatz eines solchen echtzeitbasierten Zustandsmonitorings stellt dabei die flächendeckende Erfassung und Aufbereitung fahrzeugbasierter Sensordaten sowie deren Auswertung und damit Abbildung infrastrukturspezifischer Merkmale und deren Attribute aus dem fließenden Verkehr dar. Ein weiterer Vorteil des Ansatzes ist die nahezu real-time-Einspeisung der Daten in eine Datenbank, welche die aus den Sensorsignalen extrahierten Informationen speichert und statistische Auswertungen, Ereignisdetektion sowie Trendanalysen zulässt. Durch die Auswertung der Daten vieler Einzelfahrzeuge lassen sich wesentliche Verbesserungen der Datenqualität erzielen.

Modern vehicles are equipped with numerous sensors as standard, which enable them to detect the operating condition and, to a certain extent, the surroundings of the vehicles. This study examined the possibility to estimate the quality and condition of road transport infrastructure and its changes by evaluating data of standard vehicle sensors. The innovative approach of such a near real-time based condition monitoring is the acquisition and preparation of vehicle-based sensor data, as well as the evaluation and mapping of infrastructure specific characteristics and their attributes from moving traffic. A further advantage of the approach is a database, which stores the information extracted from the sensor signals in near real-time and allows statistical evaluations, detection of specific events as well as trend analyses. Furthermore, the results can be improved in the back-end by combining the data from many vehicles and drives.