Systemidentifikation seilgestützter Tragwerke - Die dynamische Strukturantwort von Schrägseilen E-Book
Roman Geier
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- Herausgeber: GRIN Verlag
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2005
Doktorarbeit / Dissertation aus dem Jahr 2004 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Bauingenieurwesen, Note: Gut, Technische Universität Wien, Sprache: Deutsch, Abstract: Der in der Praxis tätige Bauingenieur sieht sich in zunehmendem Maße mit Aufgaben, welche die Berechnung und Beurteilung von Bauwerken unter dynamischen Lasten (Wind, Verkehr, Erdbeben) erfordern, konfrontiert. Diese Tendenz ist nicht zufällig, sondern entspricht der allgemeinen Entwicklung in Technik und Gesellschaft. Aus diesem Grund ist noch umfassender Forschungsbedarf auf dem Gebiet der Baudynamik gegeben. Während für einige Probleme bereits entsprechende Lösungen bzw. Beurteilungsmethoden vorhanden sind, existieren noch zahlreiche Bereiche in denen praktische Ansätze und Untersuchungsmethoden fehlen. Die vorliegende Arbeit soll einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Untersuchung und Beurteilung von Zuggliedern seilgestützter Konstruktionen liefern. Die Kenntnis der aktuellen Zugkräfte in Kabeln von Schrägseilbrücken, Hängern von Bogenbrücken und externen Spanngliedern ist zur Beurteilung dieser Elemente, aber auch zur globalen Beanspruchungsprüfung der Konstruktion erforderlich. Die Feststellung dieser Kräfte durch Abhebekontrollen mit hydraulischen Pressen ist mit einem erheblichen Aufwand sowie der Gefahr von Beschädigungen verbunden. Aus diesem Grund sind Verfahren erforderlich, die rasch und vor allem zerstörungsfrei die Kabelkräfte bestimmen können. Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung genauer zerstörungsfreier Methoden für die Bestimmung der im Kabel wirksamen Zugkraft auf Basis von Schwingungsmessungen. Durch die Untersuchung der Schwingungscharakteristik von Schrägseilen ist ein Lösungsansatz vorhanden, die Eigenfrequenzen (und damit die wirksame Kabelkraft), die Biegesteifigkeit sowie die Dämpfungsparameter abzuleiten. Grundsätzlich wurden auch bisher Schwingungsmessmethoden zur Bestimmung der wirksamen Kabelkräfte herangezogen, die dabei erzielten Genauigkeiten waren jedoch nicht zufriedenstellend. Vor allem bei hohen Kabelkräften und kurzen Kabeln sind fallweise Fehler bis ± 10% zur tatsächlichen Kabelkraft feststellbar. Die wesentlichsten Ziele bei der Erstellung dieser Arbeit sind die Entwicklung eines genauen und praktisch einsetzbaren Verfahrens zur Bestimmung der Kabelkraft sowie von Dämpfungswerten. Der festgestellte Zusammenhang zwischen gemessener Eigenfrequenz, Kabelkraft sowie Biegesteifigkeit ermöglicht, durch eine Berücksichtigung der Steifigkeit sowie der Lagerungsbedingung des Kabels eine exakte Kraftbestimmung im Zugglied durchzuführen.
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Besonderen Dank möchte ich meinem Betreuer ao. Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. Christoph Adam vom Institut für allgemeine Mechanik an der Technischen Universität Wien aussprechen, der mich durch sein hohes Engagement, seine Geduld bei den Korrekturen und in den zahlreichen persönlichen Gesprächen sowie seine konstruktive Kritik während der letzten Jahre geführt, motiviert und geleitet hat. Seine Verbesserungsvorschläge und Denkanstöße waren meist mit viel Arbeit verbunden, jedoch waren diese für die Qualität der vorliegenden Arbeit von entscheidender Bedeutung.
Weiters möchte ich meinem zweiten Betreuer, dem Vorstand des Instituts für konstruktiven Ingenieurbau an der Universität für Bodenkultur, o. Univ. Prof. Dipl.-Ing. DDr. Konrad Bergmeister danken, der zur Erstellung dieser Arbeit viel beigetragen hat. Sein in mich gesetztes Vertrauen war maßgebend für meine Motivation und die Ausdauer das Doktorat abzuschließen. Überdies konnte ich bei ihm immer ein offenes Ohr für persönliche Gespräche finden, um mich in schwierigen Zeiten in Hinblick auf meine berufliche Entwicklung beraten zu lassen. Da ein solches Engagement keine Selbstverständlichkeit darstellt, möchte ich ihm besonders herzlich danken.
Herrn Dipl.-Ing. Dr. Helmut Wenzel, Geschäftsführer der VCE Holding GmbH., der mir durch meine berufliche Tätigkeit bei VCE die Infrastruktur und das konstruktive Umfeld geboten hat, Forschungsarbeit zu leisten, möchte ich besonders danken. Ohne diese Möglichkeit und die entsprechenden Geräte zur Aufzeichnung der Messdaten an den verschiedenen Schrägseilbrücken wäre das vorliegende Doktorat in dieser Form nicht möglich gewesen.
Weiters möchte ich mich bei Herrn Hofrat Dipl.-Ing. Behon von der Niederösterreichischen Landesregierung, sowie bei Herrn TOAR RgR Ing. Dornetshuber von der Oberösterreichischen Landesregierung, bedanken, die mir auf sehr unkomplizierte Weise Ihre Genehmigung erteilt haben, die Untersuchungsergebnisse der Donaubrücke Tulln sowie der Voestbrücke Linz im Rahmen dieser Arbeit zu präsentieren. In diesem Zusammenhang möchte ich all jenen meinen Dank aussprechen, die mich bei den unterschiedlichen Landesregierungen und Behörden bei der Beschaffung von Plänen und Dokumentationen der einzelnen Schrägseilbrücken unterstützt haben.
Entscheidend für meinen bisherigen Weg waren jedoch meine Eltern, die den Grundstein meiner Ausbildung gelegt, mein Diplomstudium ermöglicht haben und in jeder Situation unterstützend hinter mir stehen. Sie haben den heutigen Menschen aus mir gemacht, der stolz darauf ist solche Eltern zu haben.
Ich möchte aber auch meine Schwester nicht unerwähnt lassen, die für mich immer ein vertrauensvoller und freundschaftlicher Zuhörer ist und mir oft durch Ihre Sicht der Dinge zu einer neuen Perspektive verholfen hat. Weiters danke ich meiner Lebensgefährtin für die Motivation und Unterstützung während der schwierigen und anstrengenden Zeit bei der Fertigstellung dieser Arbeit, sowie für die akribische Durchsicht des endgültigen Manuskriptes.
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Der in der Praxis tätige Bauingenieur sieht sich in zunehmendem Maße mit Aufgaben, welche die Berechnung und Beurteilung von Bauwerken unter dynamischen Lasten (Wind, Verkehr, Erdbeben) erfordern, konfrontiert. Diese Tendenz ist nicht zufällig, sondern entspricht der allgemeinen Entwicklung in Technik und Gesellschaft. Aus diesem Grund ist noch umfassender Forschungsbedarf auf dem Gebiet der Baudynamik gegeben. Während für einige Probleme bereits entsprechende Lösungen bzw. Beurteilungsmethoden vorhanden sind, existieren noch zahlreiche Bereiche in denen praktische Ansätze und Untersuchungsmethoden fehlen. Die vorliegende Arbeit soll einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Untersuchung und Beurteilung von Zuggliedern seilgestützter Konstruktionen liefern.
Die Kenntnis der aktuellen Zugkräfte in Kabeln von Schrägseilbrücken, Hängern von Bogenbrücken und externen Spanngliedern ist zur Beurteilung dieser Elemente, aber auch zur globalen Beanspruchungsprüfung der Konstruktion erforderlich. Die Feststellung dieser Kräfte durch Abhebekontrollen mit hydraulischen Pressen ist mit einem erheblichen Aufwand sowie der Gefahr von Beschädigungen verbunden. Aus diesem Grund sind Verfahren erforderlich, die rasch und vor allem zerstörungsfrei die Kabelkräfte bestimmen können.
Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung genauer zerstörungsfreier Methoden für die Bestimmung der im Kabel wirksamen Zugkraft auf Basis von Schwingungsmessungen. Durch die Untersuchung der Schwingungscharakteristik von Schrägseilen ist ein Lösungsansatz vorhanden, die Eigenfrequenzen (und damit die wirksame Kabelkraft), die Biegesteifigkeit sowie die Dämpfungsparameter abzuleiten. Grundsätzlich wurden auch bisher Schwingungsmessmethoden zur Bestimmung der wirksamen Kabelkräfte herangezogen, die dabei erzielten Genauigkeiten waren jedoch nicht zufriedenstellend. Vor allem bei hohen Kabelkräften und kurzen Kabeln sind fallweise Fehler bis ± 10% zur tatsächlichen Kabelkraft feststellbar.
Die wesentlichsten Ziele bei der Erstellung dieser Arbeit sind die Entwicklung eines genauen und praktisch einsetzbaren Verfahrens zur Bestimmung der Kabelkraft sowie von Dämpfungswerten. Der festgestellte Zusammenhang zwischen gemessener Eigenfrequenz, Kabelkraft sowie Biegesteifigkeit ermöglicht, durch eine Berücksichtigung der Steifigkeit sowie der Lagerungsbedingung des Kabels eine exakte Kraftbestimmung im Zugglied durchzuführen. Durch diese Einflussparameter ist es möglich, eine Genauigkeit in der Größenordnung von±1% des tatsächlich vorhandenen Kraftwertes
zu erzielen. Die Anwendung des beschriebenen Verfahrens wird am Beispiel von drei ausgewählten Schrägseilbrücken dargestellt, wobei die allgemeine Eignung der Methode zur Bestimmung von Kabelkräften und Dämpfungsparametern nachgewiesen wird.
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Wann treffen wir drei wieder zusamm?
Um die siebente Stund´, am Brückendamm.
Am Mittelpfeiler.
Ich lösch die Flamm.
Ich mit.
Ich komme von Norden her.
Und ich vom Süden.
Und ich vom Meer.
Hei, das gibt einen Ringelreihn,
Und die Brücke muß in den Grund hinein.
Und der Zug, der in die Brücke triff
Um die siebente Stund´?
Ei, der muß mit.
Muß mit.
Tand, Tand ist das Gebilde von Menschenhand!
Aus historischen Zeitungen des Jahres 1880 übernommen:
„Während eines furchtbaren Windsturmes brach am 29. Nachts die große Eisenbahnbrücke über den Taystrom in Schottland zusammen, im Moment, als der Zug darüberfuhr. 90 Personen, nach anderen 300, kamen dabei ums Leben; der verunglückte Zug hatte nämlich sieben Wagen, die alle fast voll waren, und er stürzte über 100 Fuß hoch ins Wasser hinunter. Alle 13 Brückenspannungen sind samt den Säulen, worauf sie standen, verschwunden. Die Öffnung der Brücke ist eine halbe englische Meile lang. Der Bau der Brücke hat seinerzeit 350.000 Pfund Sterling gekostet und sie wurde im Frühjahr 1878 auf ihre Festigkeit hin geprüft. Bis jetzt waren alle Versuche zur Auffindung der Leichen oder des Zugs vergeblich.“
„Die Brücke von Dundee in Schottland über die Mündung des Flusses Tay war eines der gewagtesten und großartigsten Werke. Für senkrechten Druck vollständig richtig berechnet, zog sie sich, in ihrer Länge fast wie ein Drahtseil anzusehen, über die weite Distanz in schwindelnder Höhe über den Wasserspiegel. In der Silvesternacht war nun ein furchtbarer Sturm, sodaß die Anwohner es für eine Vermessenheit hielten, wenn der Edinburger Zug die Passage wage. Er wagte sie: aber nach kurzer Zeit sah man gleichsam einen Kometenschweif ins Meer versinken. Die Brücke war auf großer Strecke gebrochen, und der ganze Zug verschwand spurlos in der Tiefe: auch nicht eine Seele erreichte das jenseitige Ufer, und selbst später fand man in den zertrümmerten Wagen nur noch eine Leiche, alle anderen - wenigstens 100 - waren ins Meer weggespült. Offenbar hat der Seitendruck, welcher der Orkan ausübte, den Zug mit der Brücke ins Meer geworfen.“
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0 Aufbau der Arbeit
Mein Interesse an der Baudynamik wurde in den Jahren 1996/97 im Rahmen einer Spezialvorlesung an der Universität für Bodenkultur, die sich unter anderem mit baudynamischen Problemstellungen befasste, geweckt. Im darauffolgenden Jahr versuchte ich entsprechende Grundlagenkenntnisse in diesem Bereich aufzubauen. Durch die Möglichkeit eine Diplomarbeit im Bereich der Baudynamik zu verfassen, beschäftigte ich mich folglich ausführlich mit dieser Thematik. Nach Abschluss meines Grundstudiums 1998 war ich bei Vienna Consulting Engineers - VCE Holding GmbH. beschäftigt, wo ich im Rahmen meiner Tätigkeit die erworbenen baudynamischen Kenntnisse umsetzen konnte. Durch das starke Engagement von VCE dynamische Untersuchungsmethoden verstärkt in der Baupraxis anzuwenden, wurde neben dem operativen Bereich eine intensive Forschungstätigkeit auf nationaler und internationaler Ebene betrieben. Europäische Forschungsprojekte mit renommierten Unternehmen und Universitäten im Bereich der Zustandsüberwachung von Bauwerken mit Hilfe dynamischer Methoden wurden erfolgreich akquiriert, wodurch zahlreiche neue, innovative Verfahren entwickelt wurden.
Durch die kommerzielle Anwendung der Zustandsüberwachung (im Folgenden auch als „Health Monitoring“ bezeichnet) auf Basis dynamischer Untersuchungen, konnte im Rahmen von Feldmessungen eine umfangreiche Messdatenbank aufgebaut werden. Die zahlreichen, in der Praxis auftretenden Probleme haben entscheidend zur Entstehung dieser Arbeit beigetragen. Dieser Umstand führte auch dazu, dass der Schwerpunkt der Arbeit auf der Auswertung der Messdaten und die daraus ableitbaren Ergebnisse liegt. In den letzten 15 Jahren wurden weltweit zahlreiche Baudynamik-Lehrbücher sowie Publikationen in Fachzeitschriften und Konferenzbänden herausgegeben, die jedoch in erster Linie Grundlagen und detaillierte mathematische Abhandlungen enthalten. Mit der zunehmenden Verbreitung dynamischer Messmethoden in der Baupraxis wollte ich mit dieser Arbeit einen Teilbereich des sehr umfangreichen Forschungsgebietes auch für die praktische Anwendung aufbereiten. Die Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung der Schwingungseigenschaften von Schrägseilen sowie der Darstellung wesentlicher Erkenntnisse und neuer, innovativer Entwicklungen auf diesem Gebiet.
Da es sich bei diesem Forschungsgebiet im wahrsten Sinne des Wortes um eine „dynamische“ Wissenschaft handelt, bei der mit Sicherheit noch zahlreiche Erkenntnisse gewonnen werden, möchte ich anmerken dass es sich dabei lediglich um eine Momentaufnahme handelt. Diese Arbeit soll dabei helfen, den Blick für das Wesentliche zu schärfen und eine für die Praxis relevante Richtung vorzugeben.
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Diese Arbeit ist in sieben Kapitel unterteilt, wobei die wesentlichen Aspekte zwei Themengruppen zugeordnet werden können. Der erste Abschnitt (Kapitel 2, 3 und teilweise Kapitel 4) enthält eine allgemeine Einteilung und Einführung in die Thematik der Baudynamik und arbeitet die wesentlichen Grundlagen und Verfahren auf. Der zweite Abschnitt (Kapitel 5 und 6) entspricht dem praktisch orientierten Teil, wobei die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Methode für Schrägseile dargestellt und exemplarisch angewendet wird. Den Abschluss bildet eine Zusammenfassung sowie ein Ausblick auf weitere Forschungsziele. Im Detail ist die Dissertation wie folgt aufgebaut:
Kapitel 1:
Im allgemeinen Teil der Arbeit werden bekannte, spektakuläre baudynamische Anlassfälle mit denen Bauingenieure in der Vergangenheit und Gegenwart konfrontiert sind, erläutert. Dabei soll insbesondere die Relevanz strukturdynamischer Zusammenhänge in der modernen Bautechnik herausgearbeitet werden. Abschließend werden die Gründe für die wachsende Bedeutung dynamischer Aspekte im Rahmen der Planung erläutert, wobei die Motivation sowie Gegenstand und Aufgabenstellung der Arbeit dieses Kapitel vervollständigen.
Kapitel 2:
Das zweite Kapitel der Dissertation beschäftigt sich mit der Untersuchung von Brücken, wobei im ersten Teil der Ausarbeitung auf Grundlagen sowie Veranlassung für die Zustandsüberwachung eingegangen wird. Der Lebenszyklus eines Bauwerkes ist Ausgangspunkt für die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden und Verfahren. Die Erläuterung der Erhaltungs- und Überwachungsstrategie für Brücken sowie die Ziele zerstörungsfreier Prüfmethoden sind ein wesentlicher Bestandteil von Kapitel 2. Im abschließenden Abschnitt wird das der Arbeit zugrunde gelegte Mess- und Auswerteverfahren kurz beschrieben.
Kapitel 3:
Dieses Kapitel ist auf die theoretischen und mathematischen Grundlagen der Zustandsüberwachung ausgerichtet. Dabei werden im ersten Abschnitt die entwickelten Verfahren zur Bestimmung der modalen Parameter einer Struktur erläutert, wobei auf rechnerische und messtechnische Methoden eingegangen wird. Die Zusammenfassung der dynamischen Grundlagen für den Einmasse- und Mehrmasseschwinger sowie die derzeit vorhandenen Kenntnisse über die mathematische und messtechnische Bestimmung der Dämpfung von Baukonstruktionen ist Hauptbestandteil von Kapitel 3. Die mathematischen Grundlagen der Kabeldynamik werden ebenfalls aufgearbeitet. Eine Zusammenstellung der messtechnischen Verfahren zur Bestimmung des dynamischen Verhaltens von Tragwerken, sowie die Auswertemethoden zur Ableitung der modalen Parameter schließen die Erläuterungen von Kapitel 3 ab.
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Kapitel 4:
Dieses Kapitel bezieht sich auf Schrägseile als wesentliche Elemente einer seilgestützten Konstruktion, wobei die baupraktisch eingesetzten Kabeltechnologien zusammengestellt werden. Die Abschätzung der ersten vertikalen Biegeschwingung von Tragwerken durch Näherungsverfahren wird ebenfalls erläutert. Der Hauptteil des Kapitels bezieht sich auf die Schwingungsanregung von Schrägseilen, wobei auf aerodynamische Effekte sowie die indirekte Anregung eingegangen wird. Verfahren zur Beurteilung der Schwingungsanfälligkeit von Schrägseilen auf Basis modaler Parameter schließen Kapitel 4 ab.
Kapitel 5:
Dieser Abschnitt ist auf die praktischen Aspekte der Zustandsüberwachung von Schrägseilen durch dynamische Verfahren ausgerichtet. Das entwickelte Auswerteverfahren wird von der Aufzeichnung der Messdaten bis hin zur Bestimmung der wirksamen Kabelkraft erläutert. Die Anwendung der Untersuchungsmethode für Schrägseile wird exemplarisch an drei ausgewählten Tragwerken präsentiert. Dabei handelt es sich um die Donaubrücke Tulln und die Voestbrücke Linz in Österreich, sowie die Kao-Ping-Hsi Brücke in Taiwan.
Kapitel 6:
Die maßgebenden Erkenntnisse der Arbeit werden in Kapitel 6 zusammengefasst. Der allgemeine Teil enthält jene Ergebnisse, die für alle seilgestützten Tragwerke zutreffen. Im zweiten Teil der Ausarbeitung wird auf die Bestimmung der Kabelkraft unter Berücksichtigung der Biegesteifigkeit eingegangen um die Genauigkeit des Auswerteverfahrens zu erhöhen. Die Bestimmung von repräsentativen Dämpfungswerten für Schrägseile ist ebenfalls gezeigt, wobei in diesem Bereich noch umfangreiche Referenzversuche und Weiterentwicklungen erforderlich sind. Anhand ausgewählter Schrägseile wird das Potential der in dieser Arbeit gezeigten, verbesserten Methode dargestellt.
Kapitel 7:
Die allgemeinen Schlussfolgerungen sowie die aus der Arbeit resultierenden zukünftigen Forschungsziele beenden diese Arbeit.
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1 Einleitung
1.1 Geschichtlicher Überblick über dynamische Probleme im Brückenbau
Bis heute ist die Entwicklung des Brückenbaues kontinuierlich weitergegangen, laufend wurden neue Werkstoffe und Technologien eingesetzt - die Grenzen des technisch machbaren immer weiter in den Extrembereich verschoben. Während es erfolgreich gelingt immer größere Strecken zu überbrücken, stellen sich gleichzeitig zahlreiche Strukturprobleme ein, die bei der Planung berücksichtigt werden müssen. Die dynamischen Eigenschaften der jeweiligen Konstruktion nehmen hier einen besonderen Stellenwert ein. Bereits im 19. Jahrhundert lernte man, nach dem Unglück in der Taybucht die dynamischen Lastfälle als wichtige Faktoren bei der Tragwerksplanung kennen.
Obwohl der Eisenbahnbau in Großbritannien in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts einen Höhepunkt erlebte, waren in den folgenden Jahren und Jahrzehnten noch zahlreiche Veränderungen im Brückenbau notwendig. Wo anfangs Pionier- und Erfindungsgeist von größter Genauigkeit begleitet waren, blieb bald aus Gründen des unerbittlichen Wettbewerbes keine Zeit mehr für hohe Sicherheitsansprüche im Rahmen der Planung.
Zwei rivalisierende Eisenbahngesellschaften waren in dieser Zeit in England mit der Erschließung von Schottland beschäftigt: die „North British“ im Osten und die „Caledonian“ im Westen des Landes. Südlich der Grenze zu Schottland war die North British im Vorteil, aber zwischen Dundee und Edinburgh unterbrachen zwei große natürliche Hindernisse diese Linie. Dies waren der Firth of Forth und die Taybucht. Die Passagiere waren gezwungen, in langsame Fährboote umzusteigen, die häufig wegen schlechten Wetters ihren Betrieb einstellten. Der Ingenieur der North British, Thomas Bouch, hatte seit langem Brücken über den Tay und den Forth vorgeschlagen, aber erst um 1860, als die Caledonian Line nach taktischen Verhandlungen die Oberhand gewonnen hatte, wurde langsam deutlich, dass die beiden Brücken gebaut werden mussten, wollte der Norden Großbritanniens wirtschaftlich überleben [16].
Jede Brücke musste über eineinhalb Kilometer lang sein - eine Größenordnung die zu diesem Zeitpunkt noch nicht überspannt wurde. Bouch hatte bereits zahlreiche Eisenbahnviadukte aus Eisen errichtet, darunter das größte im Land über das Tal von Belah in Nordengland. Sein Entwurf für die Taybrücke war eine Wiederholung früherer Arbeiten im vergrößerten Maßstab [16].
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Sein Entwurf wurde akzeptiert und so begannen im Jahr 1871 die Bauarbeiten. Diese dauerten sechs Jahre und waren mit beträchtlichen Schwierigkeiten bei der Gründung der Pfeiler sowie im hydraulischen Anheben der Tragwerke verbunden. Mehr als 20 Menschen verloren bei Unfällen ihr Leben, aber all diesen Widrigkeiten zum Trotz konnte am 26. September 1877 der erste Zug mit den Direktoren der North British und Thomas Bouch auf dem Führerstand einer Lokomotive die Brücke überqueren [16]. Der Personenverkehr wurde am 31. Mai 1878 aufgenommen. Ein Jahr später überquerte Königin Victoria diese längste Brücke der Welt und der „Triumph der Ingenieurkunst“ brachte Bouch den Ritterschlag ein, während dieser bereits einen Entwurf für eine sehr große Brücke über den Firth of Forth erstellt hatte. England war zu dieser Zeit führend im Brückenbau [175], [176].
Am Sonntag den 28. Dezember 1879 kam um 5 Uhr nachmittags in der Taybucht ein sehr starker Sturm auf. Zwei Stunden später, während das Unwetter seinen Höhepunkt erreichte, näherte sich von Süden ein Postzug mit sechs Passagierwaggons. Er erreichte niemals das Nordufer. Den größten Teil der Strecke fuhren die Züge auf der oberen Gurtung der Fachwerksträgern. Bei den 13 Feldern in der Mitte aus vernieteten Trägern wurde das Fachwerk in Form eines Trogquerschnittes ausgeführt, damit der Lichtraum für die Schifffahrt nicht beeinträchtigt wurde. Dieser Abschnitt hatte eine Länge von rund 1000 m. Durch den an diesem Tag herrschenden Winddruck wurden diese Fachwerkträger mit den gusseisernen Stützen, dem Zug und 75 Passagieren in die Tiefe gerissen. Dies war der schrecklichste Unfall in der Geschichte der Eisenbahn und des Brückenbaues im 19. Jahrhundert [16], [175], [176].
Das Urteil der Untersuchungskommission war gnadenlos: Thomas Bouch wurden selbstherrliche Fehler nachgewiesen - im Entwurf, in der Qualität der Arbeit, der Bauaufsicht - und besonders bei der Berechnung des Winddruckes [16]. Er hatte sich auf 100 Jahre alte Tabellen von John Smeaton verlassen die nicht mehr als 36 kg/m² als Windlast ansetzten [16], [175]. Durch dieses Unglück lernten die Ingenieure die Bedeutung dynamischer Kräfte einer Sturmbö im Gegensatz zur gleichmäßigen Belastung richtig einzuschätzen. Die Dynamik rückte mehr in den Blickpunkt der planenden und ausführenden Ingenieure.
Im Laufe der Geschichte des Brückenbaues sollten dynamische Lasten auf Brücken noch öfter für große Überraschungen sorgen. Im 20. Jahrhundert ist in diesem Zusammenhang besonders der spektakuläre Einsturz der Tacoma Narrows Hängebrücke im US-Bundesstaat Washington am 7. November 1940 hervorzuheben, bei dem jedoch glücklicherweise kein Mensch zu Schaden kam.
Grundsätzlich war das Tragwerk der Tacoma Narrows Bridge hinsichtlich der statischen Lastfälle ausreichend dimensioniert. Die für die Ermittlung der Schnittgrößen zugrunde gelegten Einwirkungen waren Eigengewicht, ständige Lasten, Verkehrslasten, Temperaturänderungen sowie die statische Einwirkung des Windes [179]. Die durch den Wind erzeugten dynamischen Lasten wurden jedoch nicht untersucht. Die Hauptabmessungen bzw. die Geometrie der Brücke ist im Bild 1.2 dargestellt [156], [165].
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Das Verhältnis der Eigenfrequenz von symmetrischer zu asymmetrischer Schwingungsform sollte zur Vermeidung von Schwingungsproblemen üblicherweise rund 1,3 betragen; das Verhältnis betrug tatsächlich jedoch 1,6. Diese Differenz resultierte hauptsächlich aus der zum Zeitpunkt des Versagens beobachteten Verdrehungen der Pylone [165]. Das Tragwerk wurde damit durch sogenannte Flatterschwingungen zerstört.
Der katastrophale Einsturz der Taybrücke und das spektakuläre Versagen der Tacoma Narrows Brücke in den USA 1940 machte die Bedeutung dynamischer Wirkungen im Bauwesen den verantwortlichen Ingenieuren sowie einer breiten Öffentlichkeit bewusst. Weltweit wurde die Forschungstätigkeit auf dem Gebiet der Dynamik intensiviert. Heute hat man durch die Möglichkeiten der modernen Mess- und Analysetechnik die praktische und einfache Einsatzfähigkeit dynamischer Untersuchungsmethoden erreicht. In Zukunft werden auf Grund intensiver Forschungstätigkeit sowie zahlreicher kommerzieller Anwendungen dynamische Untersuchungsmethoden weiter forciert. Die flächendeckende Anwendung der Zustandsüberwachung (Health Monitoring) auf Basis der dynamischen Charakteristik hat bzw. wird im Bauwesen ebenso als Standardinstrument Einzug halten, wie in allen anderen Bereichen der modernen Industrie. Die Anwendung dynamischer Methoden im allgemeinen Maschinenbau, der Automobilindustrie bis hin zur Flugzeug- und Militärindustrie sind heute für die Untersuchung von Bauteilen und Strukturen nicht mehr wegzudenken.
Nicht nur in den vergangenen Jahrzehnten und Jahrhunderten war man mit Schwingungsproblemen an Bauwerken konfrontiert. Auch in den letzten Jahren, trotz ausreichender Kenntnis dynamischer Wirkungen sowie der maßgebenden Strukturparameter treten immer wieder Schwingungsprobleme im Bauwesen und dabei speziell im Brückenbau auf. Hier sind vor allem die 1996 dem Verkehr übergebene Erasmus-Brücke in Rotterdam und die am 10. Juni 2001 eröffnete Milleniumbridge in London anzuführen.
Die 1996 fertiggestellte Erasmusbrücke wurde als Schrägseiltragwerk über den Fluss Maas in Rotterdam ausgeführt. Die Brücke stellt vor allem durch die Geometrie des Pylons ein sehr komplexes Bauwerk dar. Der Streckträger besteht aus drei I-förmigen Hauptelementen, welche auf Grund ästhetischer Vorgaben eine sehr hohe Schlankheit aufweisen [125]. Das gesamte System besteht aus einer 280 m spannenden Schrägseilbrücke, einem Verbund-Vorlandtragwerk, sowie einer Klappbrücke. Vor allem der nach hinten geneigte, geknickte A-Pylon mit einer Höhe von 139 m war eine technische Herausforderung [180].
Am Morgen des 4. November 1996 wurden an der Erasmus-Brücke starke Schwingungen an den Schrägkabeln während windigem, leicht regnerischen Wetter beobachtet. Die Schwingungen der einzelnen Kabel traten in der Größenordnung von 2 bis 3 mal des Durchmessers, also zwischen 0,5 m und 0,7 m auf. Das Brückendeck zeigte durch die Interaktion ebenfalls Schwingungen, in einer Größenordnung von etwa 25 mm. Als Sofortmaßnahmen wurden Störseile zwischen Kabel und Brückendeck integriert, welche vorerst zu einer Beruhigung der Schwingungen führten [133].
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Dynamische Untersuchungen [125] identifizierten sehr niedrige Dämpfungswerte für die ausgeführten Schrägkabel als Ursache, wodurch diese hinsichtlich Regen-Wind-Induzierter Schwingungen hohe Anfälligkeit zeigten. Die maximale Länge der Kabel beträgt rund 300 m, wobei die PE-Oberfläche der Hüllrohre vollständig glatt ist. Als Maßnahme wurden nachträglich Dämpfungselemente zwischen Kabel und Deck eingebaut, die jedoch das Problem nicht vollständig beheben konnten, da ihre Leistungsfähigkeit für die Energiedissipation zu gering war. Erst durch die Installation von ausreichend dimensionierten passiven Dämpfern [138] wurde das Phänomen dauerhaft behoben [68], [133].
Einen weiteren interessanten Fall stellt die Milleniumbrücke im Zentrum Londons dar. Hier war die Ursache für Schwingungsprobleme in einem völlig anderen Bereich angesiedelt. Aktuelle Veröffentlichungen und Fachzeitschriften sprechen, wenn sie sich auf die Brücke beziehen, von der wahrscheinlich grazilsten Hängebrücke unserer Zeit [154]. Einige außergewöhnliche Ansätze ermöglichen die hohe Schlankheit der 330 m langen Brücke. Der 4 m breite Steg wird von insgesamt 8 Kabel getragen, die über einen Y-förmigen Pylon geführt werden. Die Besonderheit besteht darin, dass sich die mit speziell geformten Kragarmen ausgestatteten Querträger direkt auf die Kabel absetzen [31], [184]. Sehr auffällig ist der geringe Kabeldurchhang von nur 2,30 m in der Mittelöffnung bei 144 m Spannweite. Die Brücke unterschreitet damit das übliche Verhältnis von Durchhang zu Spannweite bei Hängebrücken von 1:10 um mehr als das Sechsfache [154].
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Bild 1.5 Die Milleniumbrücke im Zentrum Londons nach der Eröffnung [183], [184], [185], [186]
Nach 16-monatiger Bauzeit wurde das Bauwerk im historischen Zentrum Londons dem Fußgängerverkehr übergeben; noch am Eröffnungstag war der Besucherzustrom sehr groß. Unter der Last zahlreicher Fußgänger traten jedoch erhebliche horizontale Schwingungen auf, wobei die anwesenden Ingenieure beobachteten, dass sich die Passanten im Gleichschritt und zusätzlich in Phase mit den Schwingungen bewegten [121]. Am 12. Juni 2001, zwei Tage nach der Eröffnung, wurde das Bauwerk bis zur Aufklärung der Schwingungsursache gesperrt [154].
Detaillierte Untersuchungen wurden eingeleitet, wobei anhand einer rechnerischen Analyse Schwingungen mit einer Eigenfrequenz von 0,74 Hz und 0,87 Hz nachgewiesen wurden. Die gemessenen Frequenzen wurden bei 0,77 Hz bzw. 0,99 Hz bestimmt [121], [184]. Im Entwurfsstadium wurde lediglich eine Beurteilung hinsichtlich transversaler Bewegungen durchgeführt, die durch exzentrische Vertikalkräfte (Torsionsschwingungen) ausgelöst werden. Die am Bauwerk beobachteten Schwingungen besaßen jedoch keine sichtbare vertikale Komponente [154]. Durchgeführten Studien zufolge entstanden die horizontalen Schwingungen aus den kleinen seitlichen Kraftkomponenten die beim Gehen von Personen auf den Untergrund übertragen wurden. Die Grundfrequenz dieser Kräfte betrug dabei etwa die Hälfte der vertikalen Frequenz und wies damit eine Bandbreite von etwa 0,75 Hz bis 1,25 Hz auf [154]. Diese Anregung führte daher bei Eigenfrequenzen der Brücke von 0,77 Hz und 0,99 Hz zu ausgeprägten Resonanzerscheinungen [31], [57], [150].
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Durch die verschiedene Verteilung der Schrittfolge heben sich die Kräfte bei einer größeren Anzahl von Personen üblicherweise auf. Ab einer gewissen kritischen Menschenmenge steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit für eine Synchronisation dieser Kräfte. Beginnt die Brücke nun leicht zu schwingen, tritt eine Kettenreaktion ein, bei der immer mehr Menschen - um ihr Gleichgewicht zu halten - ihre Schrittfrequenz den Schwingungen der Brücke anpassen [154]. Während sich bei der Milleniumbrücke bei etwa 500 Personen noch keine unzulässigen Schwingungen einstellten, kam es bereits bei etwa 50 Personen mehr innerhalb weniger Minuten zu unakzeptabel hohen Werten [31]. Die Belastung des Bauwerkes geht dabei von einer zufälligen Erregung (Random Excitation) in Resonanzerregung über [154].
Zur Behebung der Schwingungsprobleme wurden 37 viskose Dämpfungselemente [184] geplant, die schräg unter dem 330 m langen Brückendeck, zwischen Tragwerk und Widerlager sowie zwischen Tragwerk und Stützen eingebaut wurden. Zusätzlich fanden etwa 50 abgestimmte Masse-Dämpfern zur Unterdrückung unzulässig hoher vertikaler Schwingungen Verwendung [31], [154].
1. Stahlverstärkung zu viskosen Dämpfer
2. Viskose Dämpfer
3. Abgestimmte Massen Dämpfer
4. Viskose Dämpfer zu den Stützen
5. Viskose Dämpfer zum Untergrund
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1.2 Motivation, Gegenstand und Aufgabenstellung dieser Arbeit
Der in der Praxis tätige Bauingenieur sieht sich in zunehmenden Maße Aufgaben, welche die Berechnung und Beurteilung von Bauwerken unter dynamischen Lasten (Wind, Verkehr, Erdbeben) erfordern, konfrontiert. Eine Reihe von Gründen zeigt, dass diese Tendenz nicht zufällig ist, sondern der allgemeinen Entwicklung in Technik und Gesellschaft entspricht. Hauptverantwortlich sind dabei die folgend angeführten Umstände:
•Die Verwendung höherfester Baustoffe, größere Abmessungen von Bauwerken sowie größere
Spannweiten führen zu elastischen Konstruktionen, die auf dynamische Lasten stärker reagieren.
•Größere Leistungseinheiten im Maschinenbau - Turbogeneratoren, Pressen, Turbinen,
Fahrzeuge - ziehen erhöhte dynamische Lasten für Bauwerke und Ansprüche an deren Verhalten und Genauigkeit nach sich.
•Neue technische Entwicklungen weisen oft gesteigerte Leistungsparameter wie Drehzahlen,
erhöhte Betriebsdrücke, Fertigungsgeschwindigkeiten usw. auf, die Anlass zu dynamischen Untersuchungen geben.
•Moderne Methoden und Verfahren erfordern die Auseinandersetzung mit seltenen, aber
möglichen und sehr hohen Lasten (Impulse) mit maßgebendem dynamischen Anteil um Folgeschäden am jeweiligen Objekt zu begrenzen.
•Technologische Anwendung von Schwingungsprozessen, erweiterte Anwendung der
Sprengtechnik, Maßnahmen bei im Betrieb befindlichen Anlagen stellen Aufgaben, die vorerst nur zum Teil wissenschaftlich geklärt sind.
•Die Entwicklung der Feintechnik und der Automatisierung sowie Präzisionsanforderungen an
Fertigungsgenauigkeit und Laufruhe von rotierenden Maschinen (Gas- und Dampfturbinen) stellen extrem hohe Anforderungen an den Schwingungsschutz und die schwingungstechnische Abstimmung.
•Dem Niveau der gesellschaftlichen Entwicklung entsprechende Schutzanforderungen und
Ansprüche im Wohnbereich zwingen zur genaueren Untersuchung des Bauwerksverhaltens, sowie zu wirksamen Schall- und Schwingungsschutzmaßnahmen. Für den Eisenbahnbau ist in diesem Zusammenhang beispielsweise die Entwicklung von Masse-Feder-Systemen anzuführen.
Aus der im Kapitel 1.1 zusammengefassten Darstellung von frühen und aktuellen Schwingungsproblemen an Brücken ist deutlich erkennbar, dass noch umfassender Forschungsbedarf auf dem Gebiet der Baudynamik besteht. Während für einige Probleme bereits entsprechende Lösungen bzw. Beurteilungsmethoden vorhanden sind, existieren noch zahlreiche Bereiche in denen praktische Ansätze und Untersuchungsmethoden fehlen. Diese Arbeit soll einen wesentlichen Beitrag für die Weiterentwicklung der Untersuchung und Beurteilung von Zuggliedern abgespannter Konstruktionen liefern.
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Im Rahmen der Planung und der im Folgenden erforderlichen Erhaltung von Brückenbauwerken ist man in zunehmendem Ausmaß mit Schrägseilen und externen Spanngliedern konfrontiert. Zum einen weil Schrägseilbrücken durch ihr ästhetisches Erscheinungsbild vermehrt entworfen und gebaut werden, und zum anderen weil im Rahmen von Sanierungen alter Tragwerke sowie bei neuen Entwürfen externe Vorspannung immer häufiger eingesetzt wird. Bei den komplexen Schrägseilbrücken ist man zusätzlich mit dem Problem konfrontiert, dass die sensibelsten Tragelemente solcher Konstruktionen - die Kabel und Seile - nur sehr schwer auf ihren Zustand und die aktuelle Tragfähigkeit geprüft werden können.
Die Kenntnis der aktuellen Zugkräfte in Seilen abgespannter Konstruktionen (Maste, Zeltdächer), in Seilen bzw. Kabeln von Schrägseilbrücken, in Hängern von Bogenbrücken und in externen Spanngliedern ist zur Beurteilung dieser Elemente, aber auch zur globalen Beanspruchungsprüfung der Konstruktion erforderlich. Die Feststellung dieser Kräfte durch Abhebekontrollen mit hydraulischen Pressen ist mit einem erheblichen Aufwand sowie der Gefahr von Beschädigungen verbunden. Die Montagearbeiten bei den Verankerungen können die Dauerhaftigkeit dieser kritischen Elemente ungünstig beeinflussen. Aus diesem Grund sind Verfahren erforderlich, die rasch und vor allem zerstörungsfrei die Kabelkräfte bestimmen können.
Hauptziel dieser Arbeit und der damit verbundenen Forschungstätigkeit ist die Entwicklung genauer, zerstörungsfreier Methoden für die Bestimmung der im Kabel wirksamen Zugkraft auf Basis von Schwingungsmessungen. Durch die Untersuchung der Schwingungscharakteristik von Schrägseilen ist ein Lösungsansatz vorhanden die Eigenfrequenzen (und damit die wirksame Kabelkraft), die Biegesteifigkeit sowie die Dämpfungsparameter abzuleiten. Mit diesen Parametern können eine Fülle von Aufgaben hinsichtlich Beurteilung des Schwingungsverhaltens und Zustandsermittlung durchgeführt werden. Grundsätzlich wurden bisher auch Schwingungsmessmethoden zur Bestimmung der wirksamen Kabelkraft herangezogen, die dabei erzielten Genauigkeiten waren jedoch nicht zufriedenstellend. Vor allem bei hohen Kabelkräften und kurzen Kabel waren fallweise Fehler bis ± 10% zur tatsächlichen Kabelkraft feststellbar.
Ein weiteres ambitioniertes Ziel der Forschungstätigkeit im Rahmen dieser Arbeit ist die Ableitung von Beurteilungsparametern, die es ermöglichen, den aktuellen Zustand eines Spanngliedes festzustellen. Dabei sind quantifizierbare und damit vergleichbare Entscheidungskriterien zu entwickeln, mit denen eine objektive Beurteilung des Kabels durchgeführt werden kann. Ziel ist es, durch die Auswertung bestimmter Kennwerte beschädigte bzw. kritische Kabel aus dem gesamten Schrägseilverband auf Basis dynamischer Messungen zu identifizieren. Damit ist ein leistungsfähiges Instrument zur Beurteilung vorhanden, auf dem Sanierungsmaßnahmen oder Überwachungskonzepte aufbauen können.
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2 Überwachung von Brücken
2.1 Allgemeines
Die Geschichte der Technik, im Besonderen die der Bautechnik, ist geprägt durch den sich ständig wiederholenden Prozess der Risiko-Abwägung zwischen dem Betreten von Neuland und dem Beharren auf Erprobtem und Bewährtem (Normung). Dabei steht der Bauingenieur vor dem Problem, ob das nach einem entwickelten Gedankenmodell errichtete Bauwerk allen späteren Einwirkungen auf Dauer und mit Sicherheit widersteht. Damit kann die Frage verstanden werden, ob die Übertragung der modellhaften Vorstellungen auf das Bauwerk unter den tatsächlichen Beanspruchungen aus Baugrund, Nutzung und Betrieb sowie unter den auftretenden Umwelteinflüssen von Wind, Sonne, Frost, Wasser und Schadstoffen richtig war [88], [115]. Die Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit des Bauwerkes soll über einen möglichst langen Zeitraum gewährleistet werden.
Brücken stellen einen wichtigen Faktor für die Verkehrsinfrastruktur eines Landes dar. Der Höhepunkt des Brückenbaues war in Europa nach dem 2. Weltkrieg sowie zwischen 1960 und 1970 festzustellen. Aus bisher gemachten Erfahrungen der Brückenerhalter zeigt sich, dass im Laufe der Nutzung ein sogenanntes „kritisches Bauwerksalter“ erreicht wird, ab dem aufwändige und kostspielige Erhaltungsbzw. Instandsetzungsarbeiten erforderlich werden, um weiterhin eine gefahrlose, uneingeschränkte Nutzung des Bauwerkes zu gewährleisten. Dieses kritische Alter wird im Schnitt nach etwa 30jährigem Betrieb auftreten [4], [32], [53]. Daraus lässt sich ableiten, dass etwa ab dem Jahr 2005 mit einem erheblichen Investitionsaufwand für die Erhaltung der Verkehrsinfrastruktur zu rechnen ist. In Zeiten, die von reduzierten Geldern für Erhaltung und Sanierung gezeichnet sind, ist daher ein alternativer Ansatz erforderlich, der eine Früherkennung von Schäden bzw. problematischen Tragwerken ermöglicht [64], [66].
mio EURO
Kosten/Jahr
Bild 2.1 Zeitlicher Verlauf der Neubauten sowie der erforderlichen Erhaltungsarbeiten [32], [54]
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Eine angestrebte Lebensdauer der Brücken von etwa 100 Jahren ist nur möglich, wenn während dieser Nutzungsdauer zeitgerecht entsprechende Erhaltungsinvestitionen getätigt werden (siehe dazu Bild 2.1). Eine Brücke gilt dabei als funktionstüchtig, wenn sie eine, an den gültigen Normen orientierte Tragsicherheit, Dauerhaftigkeit und eine an die Bedürfnisse der Benutzer angepasste Gebrauchstauglichkeit aufweist [168].
Die Erhaltung beginnt unmittelbar nach der Fertigstellung eines Neubaues, verläuft während der Gewährleistungsfrist praktisch kostenfrei, dann fällt die laufende Wartung und Instandhaltung an und ein- oder zweimal im Leben einer Brücke wird eine Instandsetzung bzw. eine Generalsanierung durchzuführen sein [4], [56], [168]. Wenn die Brücke das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht hat, das heißt nicht mehr erhaltungswürdig ist, wird sie ersetzt. Dabei fallen konzentriert die Kosten für Abbruch und Neubau an. Damit ist der Lebenszyklus (Life-Cycle) der Erhaltung beendet und ein neuer Kreislauf beginnt [130]. Man könnte Instandhaltung und Generalsanierung durch eine Ausgleichsfunktion annähern [168] und hätte eine Funktion für den Kostenverlauf mit zwei Unbekannten der Kalibrierung von Zeit- und Kostenachse:
•Zu welchem Zeitpunkt t ist mit einem hohen Finanzierungsaufwand für ein Ersatzbauwerk zu
rechnen, da das Ende der Lebensdauer erreicht wird?
•Wie hoch sind die einzelnen Anteile der Erhaltung (Lebenszyklus-Kosten)?
Werden dynamische Messungen durchgeführt, so kann die Zeitachse kalibriert werden. Dabei wird, ausgehend von der Basismessung, der zeitliche Verlauf der Tragfähigkeit abgeleitet. Fällt die gemessene Tragfähigkeit unter einen definierten Grenzwert, so sind entsprechende Maßnahmen (Sanierung, Instandsetzung) erforderlich, um die Sicherheit auf ein entsprechend hohes Maß für die gefahrlose Nutzung anzuheben. Um jedoch die Kurve für die „Ist-Tragfähigkeit“ ableiten zu können, sind periodische Messungen (z. B. jährlich) des Tragwerkszustandes erforderlich. Ist eine ausreichende Anzahl von Untersuchungsjahren vorhanden, kann der künftige Verlauf des Tragwerkszustandes durch eine Extrapolation abgeleitet werden. Vorausgesetzt wird dabei, dass in dieser Zeit keine außergewöhnlichen Ereignisse eintreten, die zu Schäden führen können [54], [56].
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2.2 Laufende Zustandsüberwachung (Health Monitoring) von Brücken
Auf Grund der weiter zunehmenden Verkehrsdichte, insbesondere im Bereich des hochrangigen Straßennetzes, sind Einschränkungen des ungehinderten Verkehrsflusses auf Grund von Inspektionsarbeiten mit großen volkswirtschaftlichen Kosten verbunden. Der laufenden Zustandsüberwachung kommt daher große Bedeutung zu, Inspektionsarbeiten müssen auf das absolut notwendige Minimum beschränkt bleiben. Neu entwickelte Systeme werden aus diesem Grund unter der Voraussetzung entwickelt, ohne Beeinträchtigung des Verkehrsflusses eingesetzt werden zu können. Ziel ist es, ein System bereitzustellen, das durch gezielte Angabe von Problemzonen ermöglicht, den Einsatz von Inspektionsgeräten zu reduzieren und damit den Verkehrsfluss möglichst ungestört aufrecht zu erhalten. Die Instandhaltung ist ein Prozess der aus mehreren Teilbereichen entsprechend Bild 2.4 besteht.
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Die Überwachung und Prüfung eines Tragwerkes über seinen Lebenszyklus ist ein kontinuierlicher Prozess, bei dem nach Durchlaufen des Verfahrens bzw. Umsetzten einer erforderlichen Maßnahme die gesamte Prozedur wieder beginnt.
