Dieses selbstfinanzierte Forschungsprojekt beschreibt ein Multisensorsystem zur Erfassung von Tagesgängen und Eigenfrequenzen von Turmbauwerken. Leistungspotenzial unterschiedlicher Sensoren für die Beobachtung der Turmbewegungen inklusive hochfrequenter Schwingungsanteile wurde am Beispiel des Olympiaturmes in München aufgezeigt. In Abhängigkeit von Wind und Sonneneinstrahlung kann dabei die Auslenkung der Turmspitze einige Zentimeter bis Dezimeterbetragen. Wärend Wartungsarbeiten konnte ein Multisensorsystem vorübergehend installiert und bertrieben werden. Dieses bestand aus einem Leica GPS1200 Empfänger, dessen Antenne direkt aufder Turmspitze montiert werden konnte, und zweier Totalstationen (Leica TCRA 1101+), die ein 360°-Prisma direkt unterhalb der GPS-Antenne im Trackinmodus verfolgten. Zusätzlich kamenein Zweiachs-Neigungssensor (Leica Nivel20) sowie eine Inertiale Messeinheit (IMU) der Firma iMAR zum Einsatz.

Bisherige geodätische Deformationsmessungen am Olympiaturm

Seit 1998 finden auf dem Gelände des Olympiaparks allsommerlich studentische Übungen im Rahmen des Studienganges Geodäsie und Geoinformation statt. Ziel dieser Übung war dabei stets die Bestimmung der Turmbewegung während eines ganzen Tages. Diese Bewegung, die besonders an heißen Sommertagen auftritt, wird von zwei Standpunkten über Richtungsmessungen mittels Theodolit beobachtet. Im Zuge von Wind- und Betonspannungsmessungen mit einbetonierten Druckgebern wurden zu Beginn der 70er Jahre zusätzliche Kontrollmessungen mit einem Theodolit durchgeführt. Dazu wurde in 248 m Höhe eine beleuchtbare Zieltafel montiert. Ein Theodolit mit einer an das Fernsehokular angesetzten Filmkamera registrierte die Turmschwankungen eine Filmrollenlänge (200 Sekunden) lang. Hieraus ergab sich eine Schwingzeit von 5.44 s - demgegenüber steht ein gerechneter Wert von 5.82 s.

Automatische Zielverfolgung über große Distanzen

Mit zwei Leica TCRA1101 wurde ein unter der GPS-Antenne befestigtes 360°-Prisma mittels automatischer Zielverfolgung (ATR) von Pfeilerstandpunkten beobachtet. Als Messzeitraum wurden 36 Stunden angesetzt, wobei pro Stunde jeweils 55 Minuten lang das Prisma im Lock-Modus verfolgt und die Daten mit 2.5 Hz aufgezeichnet wurden und 5 Minuten für Fernzielbeobachtungen eingeplant waren. Aufgrund der großen Entfernungen von 480 m und 580 m, die im Grenzbereich der Herstellerempfehlung liegen, ergaben sich bereits während der Messung Probleme, auf das Prisma eingelockt zu bleiben. Sonnenreflexionen am Turm waren teilweise so stark, dass die Tachymeter diese anstatt des Prismas für den Zielpunkt hielt und verfolgte. Der Hauptfehlereinfluss liegt dabei nicht in der Streckenmessung, sondern in der Winkelmessung mittels ATR. Bei der vorliegenden großen Distanz und dem damit verbundenen sehr kleinen Spot der Prismenreflexion auf dem CCD-Chip bewirken bereits kleine Störungen große Abweichungen. Für die Erfassung hochfrequenter Turmbewegungen ist die automatische Anzielung daher nicht geeignet. Stunden- bzw. Tagesgänge lassen sich nach einer Ausreißerdetektion jedoch aufdecken.

Tabelle: Übersicht der eingesetzten Sensoren
Sensor Messverfahren Messrate Höhe Dauer
TPS (TCRA1101+) Automatische Zielverfolgung über große Distanzen 2.5 Hz 291 m 36 Stunden
GPS (GPS1200) Hochfrequentes kinematisches GPS 20 Hz 291 m 34 Tage
Neigungssensor (Nivel20) Zweiachsige Neigungsmessung mit Flüssigkeitskompensator 5 Hz 203 m 36 Tage
IMU/INS (iNAV-RQH) Beschleunigungsmessung (& Winkeldrehratenmessung) 100 Hz 203 m 2 Stunden
Hochfrequentes kinematisches GPS

Ausgerüstet mit einem Blitzschutz wurde eine GPS-Antenne des Typs AX1202 von Leica Geosystems auf der Spitze der neuen DVB-T-Antenne montiert und per Hubschrauber auf 291 m platziert. Strahlungsbedingt ist eine Wartung in diesem Gefahrenbereich ausgeschlossen. Daher musste die GPS-Antenne über ein Datenkabel mit einer Länge von 100 m mit dem Receiver (Leica GX 1230) verbunden werden, wobei ein Verstärker zwischengeschaltet werden musste. Als Referenzstation wurde ein weiterer Sensor mit identischem Aufbau auf dem Dach der TU München installiert. Die Verwendung von SAPOS-Stationen wurde aufgrund der dort verfügbaren Messrate von lediglich 1 Hz nicht in Betracht gezogen. Über einen Zeitraum von 34 Tagen wurden Daten mit einer Messfrequenz von 20 Hz gesammelt (das entspricht 1.7 Mio. Basislinien/Tag oder 0.7 MB Rohdaten/Minute). Für die Datenaufzeichnung kam die Software GPS Spider (Leica Geosystems) für Referenzstationen zum Einsatz, die Auswertung im Post-Processing wurde hingegen in Leica Geo Office (LGO) realisiert, wobei manuelle Eingriffe in die RINEX-Daten erforderlich waren, um die im statischen Modus aufgezeichneten Daten als kinematische Beobachtungen auszuwerten.

Zweiachsige Neigungsmessung mit Flüssigkeitskompensator

Das Nivel20 ist ein zweiachsiger Neigungssensor der Firma Leica Geosystems. Der Messbereich des Sensors beträgt ± 1.5 mrad (= ± 1.5 mm/m) in allen Richtungen, der Linearitätsfehler liegt bei ± 0.005 mrad + 0.5 % des Messwertes. In einer Höhe von 203 m konnte der Sensor auf einer kleinen Konsole montiert werden. Die Orientierungen der Konsole wurden mit einem Kompass bestimmt, die Neigungskomponenten x und y des Sensorkoor-dinatensystem können somit gedreht und in ein nach magnetisch (bzw. Gitter-) Nord ausgerichtetes Koordinatensystem überführt werden. Die Datenaufzeichnung erfolgt über eine Software via Notebook. Als Messfrequenz wurde eine Abtastrate von 5 Hz gewählt. Auf eine Umrechnung der Neigungswerte in ein metrisches Maß musste wegen der unbekannten Geometrie der Biegelinie verzichtet werden.

Beschleunigungsmessung mit IMU

Inertiale Messeinheiten (IMU) bzw. Inertiale Navigationssysteme (INS) finden vorwiegend in der Navigation Anwendung und werden wegen hohen Driftraten mit GPS gestützt. Neueste Entwicklungen in der Ingenieurgeodäsie nutzen Beschleunigungs- und Winkeldrehratensensoren jedoch auch für kinematische Überwachungsaufgaben von Brückenbauwerken und die Richtungsübertragung durch Koppelung von Inertialmesstechnik und Autokollimation in vertikalen Tunnelschächten.

Die dem Lehrstuhl zur Verfügung stehende IMU ist eine spezielle Anfertigung der Firma iMAR für das Institut für Astronomische und Physikalische Geodäsie (IAPG) und den Lehrstuhl für Geodäsie der TU München. Dieses als iNAV-RQH bezeichnete Gerät beinhaltet drei hochgenaue Ringlaser vom Typ GG1320 (Honywell) und drei Servobeschleunigungssensoren vom Typ QA2000. Zur Messung wurde die IMU direkt auf den Betonboden der Kabine in einer Höhe von 203 m gestellt. Die Frequenz der Datenaufzeichnung aller sechs Sensoren betrug 100 Hz. Leider war es während der zweistündigen Messung nicht möglich alle nicht aus dem Gebäudegang resultierenden Einflüsse auszuschalten. So erfolgten an dem Tag der Messung Bauarbeiten oberhalb der Messplattform, zudem übertrugen sich Vibrationen des Belüftungssystems auf den Sensor. Für die Auswertung erwiesen sich ausschließlich die horizontalen Beschleunigungskomponenten als sinnvoll.

Ergebnisse - Niederfrequente Bewegungen (Tagesgang)

Die Abbildung zeigt die durchschnittlichen Auslenkungen der Turmspitze bzw. des Turmschaftes in Intervallen von 60 Sekunden aus GPS- und Nivel20-Daten. Die Gegenüberstellung der Tagesgänge mit den meteorologischen Daten verdeutlicht den Zusammenhang mit Temperatur, Sonnenscheindauer und der Windgeschwindigkeit. Typische Tagesgänge (20-25 °C Außentemperatur, 12 h Sonnenscheindauer, Windgeschwindigkeiten von 20 bis 40 km/h) beinhalten die klassische elliptische Bodenspur mit einer großen Halbachse von 25 bis 30 cm. An bewölkten und windigen Tagen ist ein solcher Verlauf nicht erkennbar. Starke Winde (darunter zwei orkanartige Stürme mit Windgeschwindigkeiten von 110 km/h (Beaufort 11)) verursachen ebenfalls deutliche Auslenkungen bis zu 10 bis 15 cm aus der mittleren Ruhelage. Solche Starkwindereignisse haben also im Betrag nahezu die gleiche Wirkung wie heiße Sommertage – wenn auch mit unterschiedlicher Bewegungscharakteristik. Deutlich zu erkennen ist hierbei eine gedämpfte Auswirkung der Orkane auf die Turmspitze (291 m) im Gegensatz zu den oberen Schaftbereich (203 m).

LINKS: Langzeitbeobachtung aus GPS- (oben) und Neigungsdaten (darunter) gekoppelt mit den vorherrschenden meteorologischen Bedingungen wie Außen- und Innentemperatur, Windgeschwindigkeit und Sonnenscheindauer. RECHTS: Tagesverlauf an zwei Extremtagen
Ergebnisse - Hochfrequente Bewegungen (Eigenbewegung)

Die Schwingungsfrequenz von ca. 0.18 Hz konnte mit einer FFT-Analyse für alle drei Sensoren (IMU, Nivel20 & GPS) übereinstimmend extrahiert werden. Dabei konnte die Amplitude aus GPS-Daten mit A = 0.8 mm bestimmt werden. Horizontale Beschleunigungssensoren lieferten zudem weitere signifikante Frequenzen im Bereich von 25 bis 40 Hz, die auf Vibrationen eines Belüftungssystems zurückgeführt und durch einen Tiefpassfilter eliminiert werden konnten. Aber auch unterhalb von 10 Hz sind deutliche Frequenzen erkennbar. Bemerkenswert sind zwei Frequenzspitzen, die in IMU- und GPS-Daten gleichermaßen auftreten: bei ca. 1 Hz sind Amplituden von A < 0.1 mm erkennbar. Die Ursache dieser Frequenzen konnte bislang nicht geklärt werden, sie stellen aber keinesfalls eine Überschwingung der Grundfrequenz dar.

OBEN: Ein vierminütiger Ausschnitt hochfrequenter Datenaufzeichnung im Zeitbereich (links) und der dazugehörigen Frequenzbereiche (rechts). UNTEN: Sensordaten im Frequenzbereich bis 10 Hz
Fazit

Die Ergebnisse zeigen, dass alle Sensoren und Messverfahren für die Überwachung der Tagesgänge geeignet sind. Probleme bei der automatischen Zielverfolgung über große Entfernungenkönnten durch Einsatz größerer Rundprismen oder neuester Tachymeterentwicklungen behoben werden. So gibt beispielsweise die Spezifikation für den Zielverfolgungsmodus der TrimbleVX (Spatial Station) einen leicht erweiterten Entfernungsbereich bis 700 m an. An dieser Stelle wäre interessant, diese Geräte auch unter dem Gesichtspunkt unterschiedlicher Verfahren derPrismendetektion in einer neuerlichen Versuchsreihe zu testen.

Für Schwingungsmessungen hingegen kommen lediglich der Neigungssensor, die GPS-Einheit und die horizontalen Beschleunigungen der inertialen Messeinheit in Frage. Die Eigenfrequenzkonnte in einer FFT-Analyse zuverlässig und Übereinstimmend extrahiert werden. Mit GPS gelangdie Bestimmung der Amplitude im Submillimeterbereich. Die hohe Messfrequenz von GPSund IMU ermöglichten zudem das Auffinden weiterer, kleinerer Schwingungsanteile, deren Ursachebisher ungeklärt ist. Weiterführende Frequenzanalysen mittels STFT oder Wavelets ermöglichendie Überwachung der Frequenzstabilität - ein lohnenswerter Ansatz für ein Langzeit-Monitoring-System.

Kurzzeitfrequenzspektrum der Nivel20 Daten

Die am einfachsten zu realisierende Methode zur Erfassung der Eigenfrequenz sind kostengünstige Neigungssensoren. Mit einer Aufzeichnungsrate von 5 Hz erfüllt der verwendete Sensordas Nyquistkriterium zur eindeutigen Identifizierung der Eigenfrequenz turmartiger Bauwerke. Für die Umwandlung der Neigungswerte in ein metrisches Auslenkungsmaß ist allerdings dieKenntnis über die Biegelinie erforderlich. Diese kann entweder durch Neigungsmessungen in verschiedenen Messhorizonten oder durch eine Näherungskurve gewonnen werden.

Literatur
  • Schäfer, Th., Wasmeier, P., Ratke, K., Weber Th., Foppe K., Preuß G.
  • Motion Detection of Munich's Olympic Tower with a Multi-sensor System Operating at Different Sampling Rates.
  • In: Proc. of the XXIII International FIG Congress. TS 78 – Survey Control and Monitoring of Buildings, Munich, Germany, October 8-13, 2006.
  • Th. Schäfer, Th. Weber
  • Olympiaturm München - Tagesgang und Eigenfrequenz (Poster Paper).
  • In: F. K. Brunner (Hrsg.): Ingenieurvermessung 07, Beiträge zum 15. Internationalen Ingenieurvermessungskurs Graz, 17. - 20. April 2007.