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Im Bereich der vibrationsbasierten Bauwerksüberwachung stellt sich oft die Frage nach der optimalen Platzierung einer bestimmten zur Verfügung stehenden Menge an Sensoren.
Dieses Buch behandelt Methoden der optimalen Sensorplatzierung (OSP) für die vibrationsbasierte Bauwerksüberwachung von Brücken und setzt diese durch den Entwurf eines Algorithmus in einen Zusammenhang zur Nutzung von drahtlosen Sensornetzen.
Dabei erläutert es die Grundlagen des Structural Health Monitoring, der vibrationsbasierten Bauwerksüberwachung, drahtloser Sensornetze (WSN) sowie Algorithmischer Methoden.
Es stellt Kriterien, iterative und meta-heuristische Methoden von OSP dar und zeigt ihre Nutzung anhand der Anwendungsbeispiele der Wilford Suspension Bridge und der Xinghai Bay Bridge und stellt den Entwurf eines integrativen Algorithmus, der OSP mit WSN verbindet, vor.

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Textprobe:
Kapitel 1, Einleitung: Deutschlands Brücken vor dem Kollaps , so der Titel eines Artikels, den die Tageszeitung Die Welt im Juni 2013 veröffentlichte. Von den etwa 150.000 Brücken in Deutschland seien, so die Autoren, viele strukturell schwach und reparaturbedürftig. Der schlechte Zustand der Brücken habe hauptsächlich zwei Ursachen: Zum einen das steigende durchschnittliche Alter der Konstruktionen, zum anderen die unerwartet hohen Lasten durch das erhöhte Verkehrsaufkommen der letzten Jahrzehnte [Krüger & Große 2009, S. 9].
Nicht nur im Brückenbau, sondern auch für andere Bauwerke gilt, dass das Versagensrisiko steigt, je schlechter der bauliche Zustand ist. Die Öffentlichkeit reagiert auf solches Versagen mit Empörung, insbesondere dann, wenn dies, wie etwa beim Einsturz der Eissporthalle in Bad Reichenhall im Januar 2006, den Verlust von Menschenleben nach sich zieht. Daran lässt sich leicht erkennen, wie hoch die Anforderungen der Bevölkerung in Deutschland an die Sicherheit von Bauwerken sind.
Problemstellung und Zielsetzung:
Um das Versagen von Brückenbauwerken zu verhindern, sind in Deutschland regelmäßige Prüfungen gemäß der DIN 1076 vorgeschrieben. Diese sind, je nach Zustand und Alter der Brücke, in unterschiedlichen zeitlichen Abständen und Prüfungsintensitäten vorgesehen. Des Weiteren können nach Unfällen oder besonderen Schadensereignissen, wie etwa nach einem Hochwasser, gesonderte Prüfungen angeordnet werden [Krüger & Große 2009, S. 10].
Während dieser Prüfungen kommen in der Regel die Methoden der zerstörungsfreien Prüfung zum Einsatz. Diese ermöglichen, wie etwa die Schallemissionsanalyse, Aufschluss über den Zustand besonders schadensanfälliger Konstruktionsteile zu erhalten. Solche Prüfungen sind sowohl zeit- als auch personalintensiv und verursachen damit hohe Kosten für die Betreiber. Des Weiteren können Inspektionen lediglich punktuelle Informationen über den Zustand des Bauwerks liefern.
In den letzten Jahren wurden daher zunehmend Methoden entwickelt, die die kontinuierliche Überwachung des Zustandes von Bauwerken, also das Structural Health Monitoring (SHM), ermöglichen. Dadurch wird die Voraussetzung geschaffen für einen Wechsel von der derzeit angewandten Prüfmethodik, die auf Zeitintervallen basiert, hin zu einer leistungsbasierten Philosophie, die nur dann Inspektionen durchführt, wenn die Erkenntnisse der kontinuierlichen Überwachung dazu Anlass geben. Dies ermöglicht eine Verringerung der benötigten Vor-Ort Inspektionen und damit verbunden die Reduktion des personellen, zeitlichen und monetären Aufwandes.
Die vom SHM genutzten Mittel greifen in der Regel auf Methoden zurück, die die Veränderung der dynamischen Eigenschaften eines Bauwerks beobachten. Aufgrund des Vergleichs des ursprünglichen mit dem nach einem entstandenen Schaden gemessenen Verhaltens, lassen diese Methoden Rückschlüsse auf potentielle Schäden zu. Diese Beobachtung setzt gleichzeitige, dauerhafte Messungen von untereinander verbundenen Sensoren an einer Vielzahl verschiedener Punkte voraus, deren gesammelte Daten schließlich zentral ausgewertet werden. Zwei Entwicklungen zeichnen sich in diesem Zusammenhang ab:
Zum einen werden die Anzahl und die Position der Sensoren bisher eher nach Gefühl beziehungsweise Ingenieursverstand gewählt. Der Einsatz algorithmischer Verfahren verspricht, dieses Vorgehen zu standardisieren bzw. zu optimieren.
Zum anderen werden die für die Verbindung der Sensoren untereinander üblicherweise genutzten Kabel zunehmend durch drahtlose Kommunikation ersetzt.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, ausgehend von den beiden genannten Punkten, ein kombiniertes Verfahren für den Einsatz von Mitteln der optimalen Sensorplatzierung (OSP) in Verbindung mit drahtlosen Sensornetzen zu erarbeiten.
Aufbau der Arbeit:
In Kapitel 2 werden zunächst die Grundlagen des Structural Health Monitoring erarbeitet. Im Anschluss daran fo

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