Rissdetektion in Schrauben auf Basis elektromechanischer Impedanzspektren (IGF-Vorhaben 22867 N)

Das IGF-Vorhaben "Rissdetektion in Schrauben auf Basis elektromechanischen Impedanzspektren", IGF-Projekt Nr. 22867 N, der Forschungsvereinigung Stahlanwendungen e.V. (FOSTA), Sohnstraße 65, 40237 Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. An dieser Stelle möchten wir uns ausdrücklich für die Förderung bedanken.

Partner

Institut für Mechanik und Regelungstechnik - Mechatronik, Department Maschinenbau, Universität Siegen

Projektlaufzeit

03/2023 - 02/2025

Projektbeschreibung

Das wissenschaftliche Forschungsziel ist die Entwicklung und Qualifizierung eines statistisch abgesicherten Verfahrens zur Rissdetektion in Schrauben auf der Grundlage elektromechanischer Impedanzspektren. 

Die kontinuierliche Zustandsüberwachung von Ingenieurbauwerken auf Basis fest installierter Sensorsysteme (Structural Health Monitoring, SHM) findet bereits in vielen Bereichen des Bauwesens Anwendung. So werden etwa Hochbauten, Brücken, Dämme, Windkraftanlagen und Pipelinesysteme überwacht [1]. Hierzu bedarf es, nach Art des zu überwachenden Bauwerks oder Bauteiles, dem Einsatz unterschiedlicher Techniken.

Grundsätzlich kann ein SHM-System so ausgelegt werden, dass Daten zu globalen Struktureigenschaften (z. B. Eigenfrequenzen) oder Daten auf (lokaler) Komponentenebene (z. B. Dehnungen) gewonnen werden. Die lokale Überwachung ermöglicht die direkte Bewertung von Zuverlässigkeit und zeitlicher Schädigung einzelner Strukturkomponenten [2]. Für Strukturen des Ingenieurbauwesens stellen lokale Verfahren zwar einen höheren Aufwand für Applikation und Unterhaltung der Sensorik sowie für die Verarbeitung der anfallenden Messdaten dar; unter der Annahme, dass die Lokalität, an der ein Schaden mit hoher Wahrscheinlichkeit eintritt, bekannt ist, können sich lokale Verfahren allerdings als wirtschaftlich erweisen [3].
Messungen an Schrauben zur Rissdetektion sind in die Kategorie der lokalen Verfahren einzuordnen. Zwar können einzelne Schrauben bereits heute messtechnisch überwacht werden, die konventionellen Verfahren erlauben jedoch keine permanente Überwachung, da sie nicht auf eine automatisierte Erfassung und Auswertung der Messdaten abzielen. Eine automatisierte Überwachung (z. B. eines kompletten Ringflansches) ist des Weiteren aus wirtschaftlicher Sicht nur dann umsetzbar, wenn der Aufwand zur Instrumentierung der Schrauben niedrig und die einzusetzende Messtechnik nicht zu teuer ist.

So macht es die derzeitige Entwicklung zahlreicher Offshore-Windenergieprojekte zwingend erforderlich, Verfahren zur automatisierten Überwachung von Tragsicherheit und Dauerhaftigkeit der ermüdungsbeanspruchten Strukturen bzw. einzelner Komponenten bereitzustellen. Damit soll es Betreibern von Offshore-Windparks ermöglicht werden, mittels periodisch durchgeführter messtechnischer Überwachungsmaßnahmen Schäden an der Struktur zuverlässig zu detektieren, wobei der Aufwand (gegenüber wiederkehrender Inspektionen) wesentlich geringer ist [3]. Die automatisierte Überwachung eines geschraubten Ring-flanschanschlusses (Übergangsstück – Monopile) mit Schrauben großer Durchmesser, welche außerhalb der baupraktischen Erfahrungen liegen [4], ist mit dem zu entwickelnden Verfahren wirtschaftlich möglich. So können alle Schrauben oder zumindest diejenigen im Bereich großer mantelseitiger Klaffungen (>2mm) dauerhaft und automatisiert überwacht werden. Auch bei komplexen Schraubanschlüssen im Hochbau kann das Verfahren zum Einsatz kommen. Bei diesen ergibt sich oftmals das Problem, dass sie über die EN 1993-1-8 nicht vollständig abgebildet werden, da etwaige globale Fließlinienmuster durch die Norm nicht abgedeckt sind [5]. Zu deren Tragfähigkeitsermittlung sind daher mehrstufige, nichtlineare FEA-Analysen der Verbindung auf Komponentenbasis durchzuführen. Ohne vergleichende Versuche stoßen jedoch auch diese Verfahren an ihre Grenzen. Andere Verankerungselemente, wie z.B. Ankerbolzen oder aufgeschweißte Gewindebolzen werden zwar im Rahmen des Projektes nicht explizit untersucht; eine Übertragbarkeit des Verfahrens auf schraubenähnliche, stabförmige Bauteile ist jedoch aufgrund einer vergleichbaren Wellenausbreitungscharakteristik und eines vergleichbaren Resonanzverhaltens möglich. So kann das Verfahren z. B. auch zur Überwachung von Ankerbolzen zum Einsatz kommen, welche zur Befestigung von Bauteilen an Fundamenten in Kraftwerken verwendet werden. So wurden in der Vergangenheit zahlreiche Risse in Ankerbolzen von alternden Kernkraftwerken und Wärmekraftwerken festgestellt, welche es zu überwachen gilt [6]. Ähnlich verhält es sich bei Gewindebolzen von ECF- Schienenlagerungen. Auch hier kam es in der Vergangenheit an einzelnen Bauwerken zu Dauerhaftigkeitsproblemen, eine permanente Überwachung der Bolzen ist jedoch mit vorhandener Messtechnik zur Zeit wirtschaftlich nicht möglich [7].
Aus diesem Grund bedarf es der Entwicklung eines Verfahrens, welches im Rahmen des SHM eine frühzeitige Schadensdetektion an gefährdeten, schlecht zugänglichen Schrauben ermöglicht.

Bei der Schadensdetektion mittels EMI eine systeminhärente Größe überwacht, welche sich bei Auftreten eines Schadens ändert. In diesem Fall handelt es sich dabei um die stark frequenzabhängige mechanische Impedanz 𝑍_𝑠(𝜔) der Struktur, welche indirekt mit Hilfe der elektromechanischen Impedanz 𝑍(𝜔) überwacht wird und Informationen zum Resonanzverhalten der Struktur enthält. Erfahrungen sowie eigene Voruntersuchungen an stabförmigen Bauteilen [8] zeigen, dass bereits geringe strukturdynamische Veränderungen aufgrund von Schäden durch ein verändertes EMI-Spektrum 𝑍(𝜔) bzw. davon abgeleitete Größen aufgezeichnet werden können. Hierzu wird eine Messung im ungeschädigten Zustand („Baseline“) mit einer aktuellen Messung verglichen (siehe untere Abbildung).
Die mechanische Impedanz beschreibt den dynamischen Schwingwiderstand, den eine elastische Struktur der mit der Erregerfrequenz ω auf sie einwirkenden Kraft F entgegensetzt [9]. Die durch Schädigung hervorgerufene Änderung dieser Größe innerhalb eines schadenssensitiven Frequenzbereiches gilt es somit zu erfassen. Das System wird dazu lokal mittels an der Struktur applizierter piezoelektrischer Wandler (Piezoelectric Wafer Active Sensor, PWAS) in einem hochfrequenten Kilohertzbereich angeregt (Frequenzsweep), wobei die Anregung auf Basis des inversen piezoelektrischen Effekts erfolgt: Bei angelegtem elektrischem Feld bildet sich eine mechanische Dehnung aus (inverser oder reziproker piezoelektrischer Effekt, Erzeugung von Ultraschallwellen bei Wechselspannung) [10][11]. Die Systemantwort (in Abhängigkeit der mechanischen Impedanz) wird parallel dazu mit demselben piezoelektrischen Wandler gemessen, wobei sich hier nun der direkte piezoelektrische Effekt zu Nutze gemacht wird.
Die aus Strukturanregung und -antwort ermittelte elektromechanische Impedanz spiegelt indirekt die mechanische Impedanz 𝑍𝑠(𝜔) der Struktur wider. Ausgewertet werden die elektromechanische Impedanz oder eine von dieser abgeleiteten Größe (wie bspw. die Admittanz 𝑌(𝜔)). Diese wird dann mit der ursprünglichen Admittanz 𝑌_{𝐵𝑎𝑠𝑒𝑙𝑖𝑛𝑒}(𝜔) (Baseline bzw. „0-Messung“) im ungeschädigten Zustand verglichen.