Zielstellung und Aufgaben der Überwachungsmessung an Bauwerken

Überwachungsmessungen gehören zu den wichtigsten Aufgabenkomplexe der Ingenieurvermessung. Bauwerksüberwachungs- oder auch Deformationsmessungen am vollendeten Bauwerk bilden den Hauptaufgabenbereich einer noch recht jungen Teildisziplin im Vermessungswesen. Ehe im Folgenden einige grundlegende Probleme, sowie die Auswertung der Beobachtungen dargestellt wird, ist eine Definition der Bauwerksüberwachungsmessungen erforderlich.

Das zu untersuchende Bauwerk einschließlich seines Gründungsbereichs und möglicherweise auch seiner unmittelbaren Umgebung kann nicht als Ganzes, d. h. mittels einer kontinuierlichen Punktfolge, messtechnisch erfasst werden. Das wird im Regelfall auch nicht notwendig sein.  Für Praxisbedingungen ist dieses Modell zu vereinfachen, indem es durch eine wissenschaftlich begründete und ökonomisch vertretbare Anzahl von Punkten ersetzt wird, die für das Verhalten des Messungsobjekts charakteristisch sind.

Die Aufgabe der Bauwerksüberwachungsmessungen ist es, die infolge zahlreicher Einflüsse verursachten Eigenverformungen des Objekts sowie seine räumliche Lageänderungen zu erfassen. Dazu werden zu wohlüberlegten späteren Zeitpunkten weitere Messungen, die Folgemessungen, durchgeführt. Vergleicht man die hierbei erhaltenen Ergebnisse mit den entsprechenden der Nullmess- ung, gewinnt man daraus die gesuchten Deformationen. Häufig werden bei der Lösung von Aufgaben der Bauwerksüberwachung seitens der Vermessungspraxis nur die notwendigen Messungen allein gesehen. Eine wissenschaftich gestützte Konzeption muss jedoch grundsätzlich den Komplex

• Projektierung der Überwachungsmessungen
• Vermarkung der Mess- und Festpunkte
• Messungsablauf
• Auswertung und Interpretation der Ergebnisse”

als Einheit umfassen, weil nur dadurch eine hohe Qualität der Aussage erreicht wird. Sorgfältige Beobachtungen bleiben bei unzureichend durchdachter Anordnung der Messpunkte am Objekt, bei mangelhafter Vermarkung oder oberflächlicher Interpretation der Messungsergebnisse wertlos. Versuchen wir nun, eine Antwort auf die Frage Warum Bauwerksüberwachungsmessungen? zu geben. Bedeutung und Notwendigkeit der Bauwerksüberwachungsmessungen werden

• durch die hohe Verantwortung, die öffentliche Sicherheit beim Betrieb großer lngenieurbauwerke zu garantieren und damit volkswirtschaftliche Schäden zu vermeiden, und
• durch ihren wertvollen Beitrag zur Kontrolle und Bestätigung theoretischer, statischer Vorausberechnungen begründet. Damit dienen sie der Verbesserung und Weiterentwicklung von Berechnungs- und Bemessungsverfahren.

Für den Vermessungsingenieur und den Fachkollegen der Nachbardisziplinen (Bauwesen, Geophysik, Baugrundrnechanik, Maschinenbau u. a.) sind die Ergebnisse von Deformationsmessungen, wie sie oben im Gesamtkomplex dargestellt wurden, eine unschätzbare Hilfe für die erfolgreiche Lösung seiner Aufgaben.

Deformationsanalsyse

Diese komplexe Ausgleichungsaufgabe ( Rechenmethode in der Vermessung ) dient der Untersuchung, ob sich ein Objekt während eines bestimmten Zeitraums verändert hat. Zu diesem Zweck führt man zu verschiedenen Zeitpunkten Messungen zwischen ausgesuchten Punkten durch. Als Objekte treten Teile der Erdoberfläche auf, beispielsweise wegen Hangrutschung oder Setzung des Geländes, bis hin zur großflächigen Erdkrustenbewegung, insbesondere aber Gebäude und Ingenieurbauwerke wie Brücken und Talsperren. Beim größten Teil dieser Aufgaben ist allerdings eine Deformation unerwünscht, wenn sie trotzdem auftritt, löst sie Alarm aus! Aus den Messungen zwischen den aus Formen des Deformationsnetzes: gewählten Punkten ergibt sich in der Regel ein örtliches Netz, ein sog. Ingenieurnetz.

Man unterscheidet dabei ein- und zweistufige Netze, je nachdem, ob es aus “Stütz-” und “Objekt-’ Punkten besteht oder nicht, vgl. Skizzen. Objektpunkte repräsentieren dabei das zu untersuchende Objekt, Stützpunkte legt man so an, dass sie möglichst gegenüber ersteren unverändert bleiben. Ob dies dann auch tatsächlich zutrifft, zeigt erst die Analyse! Die Deformationsanalyse soll klären, ob sich aufgrund der Messergebnisse Netzpunkte im Zeitraum zwischen zwei Messungen verändert haben. Dazu wird von uns der Zwei-Epochen-Vergleich durchgeführt. Liegen mehr als zwei Mess-Epochen vor, so lässt sich die Analyse stets auf einen sol- chen zurückführen. Konkreter gesagt besteht die Hauptaufgabe der Deformationsanalyse darin, die zwischen den Messepochen veränderten Punkte von den unveränderten zu trennen, das heißt, die Epochen-Netze auf Kongruenz zu untersuchen.

Zur Anlage von Deformationsnetzen

Da sich Messfehler wie Verschiebungen auswirken, leuchtet es ein, dass möglichst unter den gleichen Bedingungen gemessen werden sollte, das heißt, bei jeder einzelnen Messepoche möglichst

• Beobachten derselben Messelemente unter
• Benutzen derselben Messinstrumente.
• Beobachten bei gleichen Wetterverhältnissen unter
• Einsatz desselben Beobachters.

Handelt es sich um kleine Objektänderungen und genaue Messungen, so ist jedes Mal ein Vergleich der Messinstrumente – insbesondere, für Längen – unabdingbar. Unsere Geräte werden daher vor jeder Messung im Bereich der Deformationsanalyse justiert.

Eingesetzte Programme (GOCA) und Hardware (Trimble)

Das auf GNSS/GPS und terrestrischen Sensoren basierende Online Control und Alarmssystem GOCA dient der Echtzeitüberwachung von Bewegungen der Erdoberfläche, oder bewegten Systemen. Neben dem Einsatz im Naturkatastrophenschutz ist das fernwartungsfähige GOCA-System auch in der online Überwachung und Alarmierung bei sicherheitsempfindlichen Bauwerken  wie z.B. Brücken einsetzbar.

Die in der Zentrale administrierbare GOCA-Deformationsanalysesoftware fußt zum einen auf  zentral steuerbaren GPS-Empfänger, zum anderen aus Sensoren, wie z.B. motorisierten Tachymetern, die über Kommunikationssoftware Daten für die Analyse liefern. Die von uns verwendeten Sensorsteuerungs- und Kommunikationskomponenten bestehen für den Bereich GNSS/GPS aus dem Trimble Integrety Manager und für den Bereich Tachymeter aus dem Trimble Data Collector.

Die GPS-Daten werden in Form der Baselinevektoren und deren Kovarianzmatrizen im GKA-Dateiformat bereitgestellt. Die GOCA-Deformationsanalysesoftware vollzieht auf Basis der GKA-Dateien die statistisch fundierte Weiterverarbeitung der GPS-Daten in Form einer  Netzausgleichung und einer darauf aufbauenden Deformationsanalyse. Die Stärke des GOCA-Konzepts beruht auf einer strengen 3-stufigen Netzausgleichung mit den Daten der GNSS/GPS-Baselines und deren Kovarianzmatrizen, sowie  einer statistisch gesicherte klassische Deformationsanalyse.

Stufe 1:

• Online Initialisierung des dreidimensionalen Referenzpunktrahmens unter Berücksichtigung der Kovarianzmatrix (zu Beginn des GOCA-Monitorings und bei einer Stabilpunktüberprüfung) in strenger freier Netzausgleichung der GPS-Baselines und im Datum der Referenzpunkte.

Stufe 2:

• Fortlaufende  Ausgleichung der GPS-Baselines  im GOCA-Untersuchungsrahmen mit dreidimensionaler Georeferenzierung der Objektpunkte. Basis für die an Stufe 2 anknüpfende Stufe 3, der eigentlichen Deformationsanalyse, bilden die zu jedem Messzeitpunkt georeferenzierten Objektpunktpositionen und ihre

Stufe 3:

• Die eigentliche Deformationsanalyse basiert auf den ausgeglichenen Objektpunktpositionen mittels Trendschätzungen, Filterungen und einem Alarm-Management. Dabei werden wahlweise Kleinste Quadrate oder robuste L1-Norm Schätzungen eingesetzt, um z.B. aus den mit GPS bestimmten „ungenauen“ Einzelpositionen  die eigentliche Schätzung der aktuellen „genauen“ Zustandsgrößen der Objektpunktverschiebung, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung durchzuführen. Die Deformationsanalyse bzw. Stufe 3 umfasst die AlgorithmenGleitender Mittelwert zur Deformationsanalyse der Objektpunktverschiebungen,· Polynombasierte Trendschätzungen,· Spline-Schätzungen und· Kalmanfilterung von Verschiebung, Geschwindigkeit und Beschleunigung, welche jeweils sowohl als Kleinste Quadrate Schätzung (L2- Norm) als auch robuste L1-Norm implementiert sind.

Bei einem im online Betrieb laufenden Kalman-Filter wird nach jedem Filterschritt die Wahrscheinlichkeit für den vom Anwender vorgegebenen kritischen Zustand der betreffenden Zustandsgrößen berechnet. Alternativ kann der Alarmzustand auch auf die Online-Filterung der Objektpunktverschiebung mittels gleitendem Mittelwert unter Vorgabe einer kritischen dreidimensionalen Verschiebung erfolgen. Wird die angegebene Wahrscheinlichkeit für einen kritischen Zustand überschritten, so erfolgt von GOCA aus die entsprechende nutzerseitig definierte Alarmierung,z.B. als Meldung per SMS, als Versenden einer E-Mail an einen Empfänger.