Sensorsysteme für Struktur und Health Monitoring

Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Schaffung von neuen wissenschaftlichen Methoden zum Entwurf von örtlich verteilten Sensoren oder von dichten Sensornetzwerken zur Überwachung von Konstruktionen des Ingenieurwesens. Die praktische Anwendung derartiger Sensorsysteme wurde aufgrund von Kostenreduktion und Fortschritten auf dem Gebiet der drahtlosen Kommunikation in letzter Zeit immer mehr erleichtert. Ein noch offenes Problem stellt dabei die korrekte Interpretation des gemessenen Ausgangs dar. Deshalb beschäftigt sich dieses Projekt mit realisierbaren verteilten Sensoren, sowie mit sinnvoll platzierten und gewichteten Sensornetzwerken, so dass dem gemessenen Ausgang eine wohl definierte physikalische Bedeutung im Sinne der Strukturmechanik zugeordnet werden kann; z.B. die relative Verschiebung oder die relative Steigung eines Verschiebungsfeldes zwischen zwei Punkten. Dieses Projekt wird sich speziell mit Sensoren beschäftigen, die Verzerrungen messen, wie zum Beispiel piezoelektrische Materialien. Im ersten Teil des Projekts werden örtlich beliebig verteilte Sensoren zur Überwachung von elastischen oder viskoelastischen, dynamisch beanspruchten Konstruktionen behandelt; sowohl für lineare als auch nichtlineare Probleme. Ausgehend von dreidimensionalen kontinuumsmechanischen Formulierungen, werden Formulierungen für Konstruktionen der Strukturmechanik, wie Balken, Platten, Schalen and Rahmentragwerke, hergeleitet. Die örtlichen Verteilungen der Sensoren werden durch statisch zulässige Spannungen der Konstruktion unter dem Einfluss fiktiver quasistatischer Belastungen repräsentiert. Derartige Spannungen sind im Allgemeinen nicht eindeutig und sie können nur in Ausnahmefällen analytisch ermittelt werden. Deshalb werden numerische Methoden zu ihrer Berechnung verwendet. Basierend auf den bekannten örtlichen Verteilungen der Sensoren werden die einzelnen Sensoren eines dichten Sensornetzwerkes über den Bereich der Konstruktion verteilt und mit entsprechenden Gewichtungen so versehen, dass der Ausgang des Netzwerkes jenen der örtlich verteilten Sensoren optimal annähert. Weiters können mittels unterschiedlicher Gewichtungen so viele Signale wie gewünscht erzeugt werden, so dass der Entwurf von Sensornetzwerken zur gleichzeitigen Messung von mehreren strukturmechanischen Größen ermöglicht wird. Die Nichteindeutigkeit der statisch zulässigen Spannungen wird verwendet um Netzwerke zu entwerfen, die in der Lage sind lokale Schädigungen der Konstruktion zu detektieren, indem sprungartige Änderungen jener Größen für welche punkt-, linien- und flächenhafte Diskontinuitäten zulässig sind direkt gemessen werden. Um die entworfenen Sensornetzwerke zu verifizieren wird sich ein wichtiger Teil des Projekts mit numerischen und experimentellen Methoden beschäftigen. Experimente betreffend die Anwendbarkeit der Sensornetzwerke zur strukturellen Überwachung des dynamischen Verhaltens von Konstruktionen so wie zur Detektierung von lokalen Schädigungen werden durchgeführt. Die Ergebnisse des Projekts im Grenzbereich zwischen Grundlagen- und angewandter Forschung werden die praktische Anwendung von dichten Sensornetzwerken zur Überwachung von sensiblen Konstruktionen des Ingenieurwesens ermöglichen.