Strukturüberwachung der Sportstätten für die Olympischen Sommerspiele 2008 mit NI LabVIEW und CompactRIO

Chris McDonald, CGM Engineering, Inc.

"Wir konnten ein Embedded-Überwachungssystem mit unübertroffener Genauigkeit und Flexibilität zu günstigen Kosten implementieren."

- Chris McDonald, CGM Engineering, Inc.

Die Aufgabe:

Durchführung von Strukturüberwachungen zur Bestimmung der Stabilität, Zuverlässigkeit und Benutzbarkeit mehrerer großer Bauwerke in ganz China, darunter die neuen olympischen Sportstätten in Peking.

Die Lösung:

Entwicklung eines hochgenauen Strukturüberwachungssystems mit zeitbasierter GPS-Synchronisation zur Überwachung von kritischen Stellen an Bauwerken mittels der grafischen Programmierumgebung NI LabVIEW und der CompactRIO-Plattform von NI.

Hohe Opferzahlen und materielle Schäden durch Katastrophen wie Erdbeben, Wirbelstürme, Brände oder Bombenexplosionen sind zu einem großen Teil beschädigten oder eingestürzten Bauwerken zuzuschreiben. Deshalb versuchen Ingenieure in aller Welt ständig, strukturelle Modelle zu validieren und strukturelle Entwürfe zu optimieren, so dass Verluste von Menschenleben durch solche Katastrophen vermieden werden können.

 

 

Im Jahr 2004 wählte das Chinesische Amt für Seismologie, die führende Regierungsbehörde für die landesweite Erdbebenvorsorge und Katastrophenbekämpfung, sieben neu errichtete Großbauwerke für Tests von Technologie für die Strukturüberwachung aus. Zu diesen Bauwerken gehören die Austragungsorte der olympischen Sommerspiele 2008 in Peking (etwa das Nationalstadion und das Nationale Schwimmzentrum), das 104-stöckige World Trade Center in Shanghai, der 66-stöckige Komplex des Park Hyatt Hotels in Peking, die 240 m lange Bogenstaumauer aus Beton in Ertan an einem Yangtze-Zufluss, die 8266 m lange Hängebrücke in Shantou sowie das seismisch isolierte Datenzentrum des Amts für Seismologie in Peking.

 

Das Hauptziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer hochmodernen Lösung zur Echtzeitüberwachung struktureller Zustandscharakteristika wie Stabilität, Zuverlässigkeit und Begehbarkeit. Erreicht wird dies mithilfe zeitgemäßer Computer-, Sensor- und Kommunikationstechnologie.

 

CGM Engineering Inc., ein in Kalifornien ansässiges Unternehmen und Alliance Partner von National Instruments, gewann die internationale Ausschreibung für die Entwicklung einer Lösung für dieses Projekt mithilfe einer dezentralen Demonstration. Bei dieser Demonstration konnten Mitarbeiter der chinesischen Behörde beobachten, wie die Echtzeit-Client-Anwendung die Schwingungen erkennt, die von einer Büroklammer ausgelöst werden, die auf einen Tisch fällt. Im Anschluss entwickelte das Unternehmen neun Embedded-Überwachungssysteme mit 64 und zwei mit 36 Kanälen. Dafür wurden Embedded-Controller des Typs CompactRIO verwendet, die dezentrale vernetzte Überwachung nutzen und vom Amt für Seismologie für den jeweiligen Einsatz konfiguriert werden können.

 

 

Durchführung kontinuierlicher Strukturüberwachungen in Echtzeit

Basierend auf LabVIEW und CompactRIO sind die Systeme dafür konzipiert, die Schwingungseigenschaften von Strukturen zu erfassen und plötzlich auftretende Änderungen struktureller Charakteristika zu erkennen. Solche Schwingungen können von verschiedenen Stimuli ausgelöst werden, von natürlichen Erdbewegungen bis hin zu Zuschauern einer Veranstaltung. Fast so, wie Kardiologen durch Messung von Puls und Blutdruck Herzprobleme feststellen können, bestimmen Bauingenieure die Leistung von Strukturen. Hierfür werden natürliche Frequenz, das Dämpfungsverhältnis und das Hysteresediagramm mithilfe von Beschleunigungsmessern aufgenommen. Diese Informationen können aus den kontinuierlich überwachten Geschwindigkeitsänderungen gewonnen werden. Wenn beispielsweise ein hohes Gebäude bei einem Erdbeben Schaden an wichtigen Teilen, wie Balken oder Pfeilern erleidet, nimmt seine natürliche Frequenz normalerweise ab (Funktion von Starrheit über die Masse).

 

Zwei Schlüsselanforderungen für das System bestanden darin, dass die Strukturüberwachung kontinuierlich und in Echtzeit durchgeführt wird. Da die meisten Katastrophen plötzlich und unvorhersehbar geschehen, sind für eine effektive Reaktion auf solche Notfälle Kenntnisse des Verhaltens einer Struktur während und unmittelbar nach einem solchen Ereignis unabdingbar. Darüber hinaus verschlechtert sich der Zustand von Strukturen mit der Zeit. Werden sie aber ständig überwacht und Symptome des Verschleißes frühzeitig erkannt, können Ingenieure Schlüsselindikatoren für den Zustand einer Struktur mit früher gemessenen Werten vergleichen.

 

 

Entwicklung von Strukturüberwachungssystemen mit LabVIEW und CompactRIO

Mithilfe der NI-Plattform wurden zwei verschiedene anwenderdefinierte Systeme entwickelt, um die Anforderungen des Chinesischen Amts für Seismologie an die Strukturüberwachung zu erfüllen. Neun Systeme mit 64 und zwei mit 36 Kanälen befinden sich im Rahmen einer Client-Server-Architektur in einem robusten Gehäuse nach NEMA-Standard. So können die Systeme auch bei hoher Luftfeuchtigkeit und bei Temperaturen von -40 bis 70 °C betrieben werden. Die Systeme sind an kritischen Stellen der sieben ausgewählten Bauwerke in China angebracht.

 

Die neun Einheiten mit 64 Kanälen bestehen aus je drei CompactRIO-Systemen, die beiden 36-kanaligen Geräte enthalten jeweils zwei. Jedes Gerät umfasst außerdem mehrere Beschleunigungsaufnehmer für Schwingungsmessungen sowie einen GPS-Empfänger für die Echtzeitsynchronisation. Mit dem LabVIEW FPGA Module und dem vorgegebenen GPS-Takt wurde eine Echtzeitsynchronisation innerhalb eines Chassis von ±10 µs erreicht. In Gegenden, wo keine GPS-Signale zur Verfügung stehen, können die Systeme über den internen Takt des Entwicklungssystems synchronisiert werden. Zudem wird das LabVIEW Real-Time Module für anwenderseitig konfigurierbare Filterung verwendet. Damit wird die Genauigkeit von Messungen mit niedrigen Frequenzen verbessert und unerwünschtes Rauschen wird verhindert.

 

Die erfassten Daten werden auf Embedded-Single-Board-Computern (SBCs) innerhalb jedes Systems gespeichert. Durch Verwendung der LabVIEW-Engine für Umgebungsvariablen in der Softwarearchitektur des Systems können mehrere Anwender gleichzeitig und in Echtzeit von SBCs aus über das Internet auf aufgezeichnete Daten zugreifen und sie analysieren. Die Systeme können auch so konfiguriert werden, dass sie im Falle von Ereignissen Benachrichtigungen per E-Mail verschicken.

 

Vorteile eines Systems mit Hard- und -Software von NI

Die Entscheidung des Chinesischen Amts für Seismologie für die auf LabVIEW basierende Lösung hatte mehrere Gründe. Die zwei wichtigsten waren die hochgenaue Echtzeit-Synchronisation über GPS sowie die Möglichkeit, dezentral von jedem beliebigen Ort der Welt auf die Daten zuzugreifen. Das System bietet darüber hinaus die höchste Kanalanzahl und das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. Da das System mit CompactRIO und modularer I/O-Hardware der C-Serie von NI erstellt wurde, konnten bis zu 128 Kanäle realisiert werden. Die durchschnittlichen Kosten pro Kanal liegen bei einem 16-bit-System bei 500 und bei einem 24-bit-System (ohne Sensoren) bei 800 USD. Eine Erweiterung ist durch die GPS-Synchronisation auch noch möglich. Die Technologie lässt sich einfach installieren und in Betrieb nehmen. Zahlreiche I/O-Optionen können schnell und einfach neu konfiguriert und an geänderte Systemanforderungen angepasst werden.

 

Mithilfe von Hard- und Software von National Instruments wurde ein Strukturüberwachungssystem mit hoher Kanalanzahl und GPS-Synchronisation in weniger als einem Jahr entworfen, prototypisiert und implementiert. So konnte ein Embedded-Überwachungssystem mit unübertroffener Genauigkeit und Flexibilität zu günstigen Kosten implementiert werden, weil LabVIEW und CompactRIO als Plattform gewählt wurden. Mit dieser Kombination steht dem Chinesischen Amt für Seismologie ein System zur Verfügung, das 10-mal genauer ist als ursprünglich für möglich gehalten wurde, und das außerdem ein optimales Preis-Leistungs-Verhältnis bietet.

 

Die Zukunft der Strukturüberwachung in China

Nach Angaben der Weltbank wird bis zum Jahr 2015 die Hälfte aller neuen Bauwerke weltweit in China errichtet. Da die meisten großen Strukturen in Ländern wie den Vereinigten Staaten errichtet wurden, bevor zuverlässige Überwachungssysteme verfügbar waren, bietet sich jetzt die Gelegenheit, neue Bauwerke zu überwachen und Forschungen daran durchzuführen, die letztlich die Sicherheit künftiger Bauwerke verbessern und die Opferzahlen im Katastrophenfall reduzieren werden.

 

Die Alliance-Partner von National Instruments sind unabhängige Unternehmen und stehen in keinem Agentur-, Kooperations- oder Joint-Venture-Verhältnis zu NI.

 

Informationen zum Autor:

Chris McDonald
CGM Engineering, Inc.
882 N. Fairoaks Ave
Pasadena, CA 91103
United States
Tel: 626-441-3884
cmcdonald@cgmeng.com

Structural health monitoring systems based on LabVIEW and CompactRIO monitor the Beijing National Stadium, the main venue for the 2008 Summer Olympics for stability, reliability, and livability.
Based on LabVIEW and CompactRIO, our systems are designed to capture the vibration signatures of a structure and detect any sudden shifts of structural characteristics
Each unit consits of two or three CompactRIO systems, multiple accelerometers for vibration measurements, and a GPS receiver for real-time synchronization.
The Beijing National Aquatics Center, also a main venue for the 2008 Olympics, has two SHM systems from CGM Engineering monitoring the building’s structural health.
The 240 m concrete arch dam in Ertan is also monitored by the SHM system based on LabVIEW.