Genauigkeitsuntersuchung und Deformationsmessungen mit Hilfe von bestimmten Rotationslasern

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Präsentationswebsite zur Bachelorarbeit

Betreuung durch: Prof. Dr.-Ing. Boris Resnik

Einleitung

Deformationen und Setzungen sind in der Regel unvermeidbar und stellen eine große Herausforderung im Bauwesen, insbesondere beim Brücken- und Gebäudebau dar. Mit geeigneten geodätischen Messmethoden werden diese Deformationen möglichst genau analysiert. Jedoch kommt es hierbei erfahrungsgemäß immer wieder zu unerwarteten Abweichungen, die die Genauigkeit der Messergebnisse nachhaltig beeinflussen können. Diese Abweichungen können auf unterschiedlichste physikalische oder technische Einflussfaktoren zurückgeführt werden.

Im Rahmen der Abschlussarbeit „Genauigkeitsuntersuchung von Deformationsmessungen mit Hilfe von speziellen Rotationslasern“ wurden die bei den Messungen auftretenden Einflussfaktoren, in Form von Sonnenlicht und Reflexionen genauer untersucht. Schon bei einer vorangegangenen Bachelorarbeit im Wintersemester 2018/19 kam es zu genannten Einflussfaktoren, bei der Aufzeichnung von Messwerten. Aus diesem Grund beschäftigt sich diese wissenschaftliche Arbeit noch einmal näher mit den möglichen Einflüssen.

Um eine effektive Qualitätskontrolle an Bauwerken zu gewährleisten, ist die Beachtung dieser potenziellen Fehlerquellen unerlässlich. Da es bei dynamischen Belastungen oder etwaigen Änderungen der Stützbedingungen in der Vermessung von Bauwerken zu meist zu relativ geringen Abweichungen im mm-Bereich kommt, sollten Störfaktoren weitgehend vermieden werden.

Rotationslaser haben ein großes Potenzial, mit dem sie nicht nur der herkömmlichen Verwendung als Bau-Laser gerecht werden. In Verbindung mit den in dieser Arbeit verwendeten Laserempfängern erweitert sich der Einsatzbereich auch auf die geodätische Messtechnik. Da diese Kombination als Messsystem, trotz entsprechend vorhandener Hardware vergleichsweise wenig Aufmerksamkeit erfahren hat und zudem auch wenig Fachliteratur zum Thema besteht, kann diese Abschlussarbeit ein Stück zur weiteren Implementierung in die Messtechnik beitragen.

Mit einem bestehenden Messsystem der Beuth Hochschule welches aus dem Rotationslaser „Leica Rugby 100“, den „AndroTec Metor MTR-125“ Laserempfängern und einem Computer mit dem Programm „Rotlas Aufzeichnung“ zur Registrierung und Speicherung der Messwerte besteht, sollten darauf wirkende Einflussfaktoren in Testmessungen im Kellerkorridor des Hauses Bauwesens umfassend untersucht werden. Diese sollten Aufschluss darüber geben, welche Genauigkeit mit dem Messsystem in Abhängigkeit zur Entfernung erreicht werden können und welche Rolle die Einflussfaktoren Reflexion, sowie starke Einstrahlung spielen. Anschließend kam es zu einer praktischen Deformations-messung am Brückenmodell auf dem Dach des Hauses Bauwesens.
Die praktische Messung am Brückenmodell galt der Überprüfung des Verhaltens des Modells unter Belastung. Mögliche Deformationen des Modells konnten so durch die verursachten Höhenunterschiede an den Empfängern mit dem Messsystem bestimmt werden.

Die erfassten Daten der Testmessungen sowie der Messungen am Brückenmodell wurden im Zuge dieser Abschlussarbeit grafisch sowie statistisch analysiert. Dies galt der Einordnung des Einsatzbereiches dem das Messsystem in der Deformationsmessung auch unter dem Einfluss von gewissen Störfaktoren dienen kann.

Testmessungen - zur Untersuchung möglicher Störfaktoren

Die Testmessungen sollten Aufschluss darüber geben, welche Genauigkeit mit dem Messsystem Leica Rugby 100 sowie dem Laserhandempfänger Androtec Metor MTR-125 in Abhängigkeit zur Entfernung sowie bei der Analyse von Deformationsmessungen erreicht werden können. Hierzu wurde die genannte Hardware bei Messungen im Keller, sowie auf dem Dach des Hauses Bauwesen der Beuth Hochschule umfangreich untersucht. Die Genauigkeit von Messsystemen zu kennen ist ein wichtiger Bestandteil des „Monitorings von Ingenieurbauwerken“ und bestimmt unter anderem über die Eignung eines Systems für die jeweilige Aufgabe. Der zu erwartende Normalfall ist, dass sich die Standard-abweichung linear mit der Entfernung erhöht.

Bei der bereits erwähnten vorangegangenen Bachelorarbeit kam es bei Testmessungen im Kellerkorridor zu nichtlinearen Abweichungen. Aus diesem Grund war das Hauptaugenmerk im Rahmen der ersten Testmessungen darauf gerichtet, etwaige Störeinflüsse im Keller zu beseitigen. Zudem sollte der Einfluss von direkter Sonneneinstrahlung auf den Receiver untersucht werden. Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, wäre hierzu eine konstante Sonneneinstrahlung nötig gewesen. Da die wolkenlosen Tage im aktuellen Winter rar waren, wurden die Messungen alternativ ebenfalls im Keller mit einem LED-Flutlichtstrahler durchgeführt. Der Strahler sollte die Bedingungen starker Sonneneinstrahlung simulieren, die bei Außenmessungen auf den Sensor einwirken können.

Analyse 1. Testmessung

Im Diagramm wird ersichtlich, dass kein linearer Zusammenhang besteht. Offensichtlich war es nicht möglich, den Laserstrahl mit Hilfe einer Schablone nur auf den Sensor treffen zu lassen. Das abgebildete Diagramm ähnelt dem der Testmessungen der genannten vorangegangenen Bachelorarbeit. Die Reflexionen im Kellergang konnten demzufolge nicht vermieden werden. Besonders offensichtlich ist die Abweichung von der Linearität bei 25m. Dies deutet auf einen besonders starken Einflussfaktor in diesem Messbereich hin. Der Abstrahlungswinkel des Rugby 100 wurde demnach durch die Schablone nicht ausreichend eingeschränkt. Mögliche Ursache könnte der relativ tief im Gehäuse liegende Laserkopf sein, der sich durch eine Schablone nicht ausreichend abschirmen lies. Zudem können die auftretenden Reflexionen durch den schmalen Gang, in dem die Messung stattgefunden hat, verstärkt worden sein. Es wird vermutet, dass die hohe Standardabweichung aus Reflexionen an Türen, Trassenträgern und aufgehängten Schildern resultiert. Zudem waren durch die Bauarbeiten an der Beuth Hochschule einige mit Folie überspannte Paletten im Korridor platziert, welche vermutlich zu weiteren Interferenzen und einer daraus resultierenden erhöhten Standardabweichung bei der Messdatenaufzeichnung führte. Diese Störfaktoren könnten die Erklärung, für ein geodätisches Messsystem dieser Art absolut nicht linearen Zusammenhang zwischen Standardabweichung und Entfernung sein.

In der ersten Analyse wurden alle Rohdaten der Testmessung im Keller berücksichtigt. Insofern wurden auch alle fehlerhaften Daten einschließlich möglicher Ausreißer mit betrachtet. Zu den potenziellen Fehlern in der Datenerfassung gehören:

· auftretendes Messrauschen,

· zufällige Fehler und

· grobe Fehler
Bei diesem Diagramm zur 1-𝞼 Umgebung ist bei 25m und ab Entfernungen von 55m eine besonders deutliche Abweichung von der Linearität zu erkennen. Jedoch hat sich die Genauigkeit im Vergleich zum vorigen Diagramm etwas verbessert. Im Bereich der stärksten Anomalien in der Mitte bei 25m hat sich die Standardabweichung von zunächst ca. 1,8mm auf 1,1mm verbessert. Insgesamt kann beobachtet werden, dass sich die Standardabweichung nach dem Aufspüren der Ausreißer in den Messwerten über die gesamte Distanz verbessert hat.

2. Testmessung - erhöhte Belichtung des Sensors

Der Aufbau der Instrumente und das Aufzeichnen von Messdaten erfolgte in einer ähnlichen Konstellation, wie in der ersten Testmessung. Die Sensoren wurden wieder der Reihe nach auf den genannten Abständen aufgestellt, diese zeichneten nun jeweils zwei Minuten (mit 10Hz) Messwerte auf. Zu erwarten gewesen wären somit etwa 1200 Messwerte pro Aufzeichnung. Das erste Mal wurde noch einmal regulär gemessen, was dem erneuten Versuch galt, Störeinflüsse durch Reflexionen zu minimieren. Beim zweiten Messvorgang wurden Daten erfasst, während die Sensoren unter starker Belichtung standen. Hierzu wurde der Strahler in einem Abstand von ca. 40cm zu den Sensoren platziert.

Analyse 2. Testmessung

Die Analyse der zweiten Messung erfolgte analog zu den ersten Testmessungen. Nachdem Bestimmen der Standardabweichung wurden die Ergebnisse im nebenstehenden Diagramm dargestellt. Auch bei diesem Liniendiagramm ist wieder zu erkennen, dass nicht wie in der Theorie zu erwarten, ein linearer Zusammenhang besteht. Die Standardabweichung steigt bei 25m auf den nahezu vierfachen Wert an und beträgt ca. 0,7mm bis 0,8mm. Dies ist jedoch im Vergleich zur ersten Testmessung eine Verbesserung von etwa 1mm (bei 25m Abstand zum Rotationslaser). Dies lässt darauf schließen, dass Reflexionen durch die Abdeckung von Schildern und Türen verringert, jedoch nicht vermieden werden konnten.

Bei der Untersuchung der Lichtempfindlichkeit der Sensoren kam es teils zu großen Standard-abweichungen, wie in der nebenstehenden Abbildung erkennbar ist. Die Genauigkeit unter Belichtung war teils deutlich schlechter als ohne Strahler.

Die Standardabweichung liegt bei 25m für die Sensoren 2,3 und 4 über 2,5mm. Es wird vermutet, dass die aufgetretenen Effekte am Sensor durch die erhöhte Belichtung verstärkt wurden.

Offenbar kam es zu einer Fehlregistrierung von Messwerten (siehe Tabelle | rot markiert). Rechnerisch hätten bei einer Voreinstellung von 10Hz am Rotationslaser etwa 600 Messwerte [min] am Empfänger registriert werden dürfen. Dies wurde hier teils um das Doppelte überschritten. Diese Fehlregistrierung deckt sich jedoch auch mit den erhöhten Standardabweichungen in den jeweiligen Bereichen und unterstütz die These, dass bei hoher Belichtung Störeinflüsse verstärkt und somit die Genauigkeit schlechter wird.

Deformationsmessung am Brückenmodell

Die Messungen zur Deformationsanalyse wurde zur praktischen Anwendung am Brückenmodell auf dem Dach des Hauses Bauwesen durchgeführt. Hierzu wurden die vier Androtec Metor Empfänger dieses Mal zeitgleich verwendet. Die Sensoren wurden links, rechts sowie mittig der Bezugsebene des Rotationslasers mit Hilfe von Schraubzwingen am Brückenmodell montiert. Der vierte Sensor wurde erneut auf dem Kurbelstativ (neben dem Modell) aufgestellt und fungierte als Referenzwert. Bei der Überwachung des Modells wurde während des einstündigen Messvorgangs ein 5kg Gewicht mittig (bei S2) an das Modell gehängt. Somit konnte in der späteren Analyse der Messdaten die Durchbiegung des Brückenmodells sowie der Einfluss auf die Empfänger berechnet werden.

Analyse der Deformationsmessung

Um die Belastung des Brückenmodells zu veranschaulichen, wurde die Belastung mit Hilfe eines Streudiagramms visualisiert. Wie im unteren, linken Diagramm zu erkennen ist, zeigt sich nachdem Anhängen des Gewichts, bei 35min eine deutliche Höhenveränderung bei Sensor 2. Im Diagramm sind zudem weitere Höhenveränderungen erkennbar. Zur besseren Visualisierung wurde das zweite (rechte) Diagramm erstellt. Sensor 4, welcher zu Referenzzwecken dienen sollte, hatte bereits nach etwa 15min die erste Höhenveränderung. Zu diesem Zeitpunkt war der Wind so stark, dass das Kurbelstativ fast kippte und ich dieses stabilisieren musste. Außerdem ist im Bereich ab 60min eine bei allen Sensoren ähnliche Höhenverschiebung aufgetreten. Die Homogenität der Verschiebung an allen verwendeten Sensoren, lässt auf eine Verschiebung der Bezugsebene hindeuten. Dies ist vermutlich auf einen Neustart des Rotationslasers nach Aktivierung des „H.I Allerts“ zurückzuführen. Um eine Beeinflussung dieses „Sprungs“ auf die weitere Auswertung zu minimieren, wurden die Daten vor dessen Auftreten „geschnitten“.

Um eine verlässliche Aussage darüber treffen zu können, ob die Deformationen vorhanden sind, wurde erneut die Sigma-Umgebung definiert. Dazu wurde dieses Mal die 3-𝞂 Umgebung (siehe Abbildung 16) ohne Belastung und anschließend mit Belastung definiert. Übersteigt die Höhenveränderungen den 3-𝞂-Bereich, liegen Deformationen vor.

Um festzustellen, ob eine signifikante Deformation vorliegt, müssen abschließend die Tabellen verglichen werden. Liegt der „neue“ Mittelwert (rot) markiert, außerhalb des 3-𝜎 Intervalls der Nullmessung, ist eine signifikante Deformation anzunehmen. Anhand der abgebildeten Tabellen ist festzuhalten, dass an Sensor 2 eine signifikante Deformation mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 2,7‰ stattgefunden hat.

Durchbiegung an Sensor 2

Abschließend der Analyse am Brückenmodell wurde über eine 2D – Ähnlichkeitstransformation die Durchbiegung am Modell berechnet. Hierfür wurden die Transformationsparameter an Hand von Sensor 1 und 3 (als unveränderlich angenommen) berechnet. Da in Folge nur die Durchbiegung an Sensor 2 ermittelt werden sollte, wurden im Zielsystem ebenso Sensor 1 u. 3 als „fest“ angenommen. Im Zuge der Transformation ergab sich eine Durchbiegung von d = 1mm an Sensor 2. Dies entspricht einer eindeutigen Deformation unter Belastung.

Zusammenfassung

Die erfolgten Recherchen zur Sensorelektronik sowie die Testmessungen konnten eine mögliche Erklärung für die fehlerhafte Registrierung von Messwerten geben. Die Patente haben Aufschluss darüber gegeben, dass die Sensoren aufgrund von einer Störlichtquelle oder einer Reflexion eine Falschregistrierung von Messwerten vornehmen können. Außerdem wurde aufgezeigt, was im Falle von zu hoher Belichtung am Empfänger geschieht. Es kann zu einer Überblendung der Sensoren kommen, die die Messergebnisse verfälscht. Anhand der Ergebnisse und Recherchen lassen sich so bestimmte Messkonstellationen beim geodätischen Messeinsatz vermeiden. Demnach sollte vor allem auf die Vermeidung von möglichen Reflexionsquellen oder direkte Sonneneinstrahlung geachtet werden.
Bei den umfangreichen Auswertungen der Testmessungen konnte gezeigt werden, dass bei Messungen mit dem verwendeten Messsystem Genauigkeiten im Submillimeterbereich möglich sind. Dies setzt jedoch gute Umgebungsbedingungen voraus. Die während der Testmessungen erfolgten Vermeidungsmöglichkeiten zum Eindämmen der Reflexionen zeigten bedingt Wirkung. Leider war der Versuch, dem Rotationslaser eine „Augenklappe“ in Form einer Schablone aufzusetzen nicht von Erfolg gekrönt. Das Auswertediagramm, zeigte dieselben Abweichungen bei Messungen im Kellerflur auf, die auch schon Thomas Günther in der Präsentation seiner Abschlussarbeit beschrieb. Der Grund dafür, dass das Beschneiden des Rotationsbereiches und die Vermeidung von Reflexionen keinen Erfolg hatten, wird in der allgemeinen Beschaffenheit der Messumgebung gesehen. Die Kombination aus relativ tief im Gehäuse liegenden Rotationskopf und schmalem, langem Flur, ließ es nicht zu, die Reflexion an den Wänden zu vermeiden. Jedoch war es innerhalb der zweiten Testmessung möglich, die Reflexionen teilweise einzudämmen, die Anomalien in der Grafik zu senken und somit die Genauigkeit zu steigern. Dies erfolgte durch simples Abhängen von Schildern sowie durch teilweises Abschirmen von Türen, Rahmen und anderen auf dem Flur befindlichen metallischen Gegenständen mit Hilfe von Spanholzplatten. Der für ein geodätisches Messsystem übliche Zusammenhang zwischen Abstand und wachsender Standardabweichung (sinkende Genauigkeit) konnte aufgrund dieser Bedingungen leider nicht dargestellt werden. Aufgrund der Erkenntnisse, ist anzunehmen, dass Reflexionen zu Fehlregistrierungen und dadurch zu einer Verschlechterung der Genauigkeiten führten. Aus genannten Gründen wird der Kellerkorridor daher als ungeeignet für Messungen mit dem beschriebenen Messsystem eingestuft.
Das zweite Untersuchungsfeld beschränkte sich auf die direkte Einstrahlung von Sonnenlicht, um daraus Einschätzungen für den Einsatz des Messsystems unter Realbedingungen unter gegeben Umständen ziehen zu können. So wurde herausgefunden, dass trotz implementierter Filterelektronik, hohe Umgebungshelligkeit bzw. direkte Einstrahlung zu hohen Abweichungen führen können. Bei Bestrahlung mit einem Flutlichtstrahler kam es teilweise zur Überblendung des Sensors, was zur Maximalregistrierung (etwa 1200/min) (AndroTec Techn. Daten: Internet) von Messwerten und daraus resultierend zu unzuverlässigen Messwerten führte. Folglich sollten in Zukunft bei beispielsweise erfolgenden Deformationsmessungen die direkte Einstrahlung von Sonnenlicht vermieden werden.
Nach Messungen am Brückenbauwerk kann abschließend bewertet werden, dass das Messsystem grundsätzlich für Deformations- sowie Setzungsmessungen verwendet werden kann und dieses auch bei starkem Wind ausreichend genaue Ergebnisse lieferte. Die Deformation am Brückenmodell war mit dem vorhandenen Messsystem zweifelsfrei nachweisbar. Für den Einsatz in der realen Praxis muss jedoch immer individuell betrachtet werden, ob das System die geforderten Spezifikationen erfüllen kann. Mögliche Faktoren, die in diese Beurteilung einfließen können sind u.a. die geforderte Genauigkeit, die Bauwerkseigenschaften, die Konstellation, die Sensorabstände und die Auswerteverfahren.

Ausblick

Rotationslaser sowie die photoelektrischen Empfängereinheiten bieten weitreichende Einsatzmöglichkeiten im geodätischen Messbetrieb. Unter der Voraussetzung der stetigen Weiterentwicklung sind weitreichende Einsatzmöglichkeiten denkbar. Werden Störeinflüsse minimiert, sind auf Grund der Anzahl der registrierten Messwerte Genauigkeiten im Submillimeterbereich realisierbar. Da nicht alle Störeinflüsse lokalisiert und verhindert werden können, ist hier auch die Weiterentwicklung der Messsysteme sinnvoll, um mit entsprechenden Funktionen Störeinflüsse nachhaltig zu minimieren.