Erfassung des 3D-Schwingungsverhaltens von Bauwerken mit TLS

Terrestrische 3D-Laserscanner werden häufig zur Dokumentation der Geometrie von Infrastrukturen und industriellen Objekten eingesetzt. Sie messen berührungslos und mit hoher räumlicher Auflösung dreidimensionale Koordinaten auf der Basis von polaren Beobachtungen, die in einem konstanten Winkelraster von Horizontal- und Vertikalwinkeln in aufeinanderfolgenden Zeitschritten durchgeführt werden. Aktuelle terrestrische 3D-Laserscanner erreichen eine maximale vertikale Rotationsfrequenz von etwa 50 Hz. Daher dauert der 3D-Laserscan einer Szene, die ein Objekt von einigen Metern Ausdehnung enthält, trotz der Einzelpunktmessung mit einer Frequenz von ca. 2 MHz in der Regel mindestens einige Zehner Sekunden. Der 3D-Scanprozess und damit die Wiederholrate einer 3D-Szene sind eher langsam. Dies erschwert die Erfassung des Schwingungsverhaltens eines Messobjekts durch terrestrisches 3D-Laserscanning. Letzteres in diesem Sinne zu erweitern ist jedoch angesichts der Vorteile des betrachteten Messverfahrens, die in der berührungslosen und flächenhaften Erfassung der Geometrie bestehen, sinnvoll. Die Erfassung des Schwingungsverhaltens von Infrastrukturen ist wichtig, um deren Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit zu beurteilen. Darüber hinaus erlaubt die Bestimmung von Resonanzfrequenzen und Eigenschwingungsformen Rückschlüsse auf das Vorhandensein, die Lokalisierung und die Bewertung von Schäden. In Anbetracht des fortgeschrittenen Alters zahlreicher Infrastrukturobjekte ist ein solcher Erkenntnisgewinn sehr relevant. Ziel dieses Projektes ist es, eine Methode zur flächenhaften Erfassung der Schwingung von Bauwerken, z.B. Brücken, zu entwickeln. Hierfür soll ein geeigneter Ansatz entwickelt werden, der die 3D-Scandaten mit einem Auswertemodell kombiniert. Dieses Auswertemodell kompensiert die zu geringe Wiederholrate einer 3D-Szene beim Einsatz eines terrestrischen 3D-Laserscanners und erhöht somit die zeitliche Auflösung der erfassten geometrischen Veränderungen. Es werden verschiedene Auswertemodelle eingesetzt, die einzelne Messpunkte durch zeitliche und räumliche Restriktionen miteinander in Beziehung setzen. Die dadurch entstehende Redundanz wird zur Schätzung der Parameter, die das Schwingungsverhalten der Struktur beschreiben, genutzt. Die eingesetzten Auswertemodelle integrieren verschiedene Schwingungsmodelle - die das räumliche und zeitliche Schwingungsverhalten parametrisieren - mit Modellen der Parameterschätzung, z. B. Regression, Kalman-Filterung und künstliche neuronale Netze. Darüber hinaus enthalten sie auch Messmodelle, die die Messunsicherheit des terrestrischen 3D-Laserscanners beschreiben und sich auf kurzfristige Effekte konzentrieren. Der Forschungsbereich Ingenieurgeodäsie der TU Wien und der Lehrstuhl für Ingenieurgeodäsie der TU München führen das Projekt gemeinsam durch.