Prüfung von Brückenbauwerken
Brückenhauptprüfungen
Schwingungsmessungen
Inhalt:
Detaillierte Untersuchung lokaler Bereiche
Regelmäßig wiederkehrende Inspektionen und Kontrollen an Brückenbauwerken werden derzeit auf der Grundlage der DIN 1076 durchgeführt.
Ohne Berücksichtigung von Prüfungen aus besonderem Anlaß werden diese Aktionen als Bauwerksüberwachungsmaßnahmen, das sind
Laufende Beobachtung, Beobachtung auf offensichtliche Mängel von Verkehrsebene oder Geländeniveau, in der Regel in vierteljährlichem Turnus,
Besichtigungen, mit Begehung von Hohlräumen und unter Benutzung von bauwerksseitig vorhandenen Besichtigungseinrichtungen, regelmäßig einmal jährlich,
und als Bauwerksprüfungen bezeichnet, das sind
Einfache Bauwerksprüfung, Prüfung der Komponenten ohne besondere Rüstung, in Zeitabständen von drei Jahren,
Bauwerkshauptprüfung, die die einfache Bauwerksprüfung mit enthält. Darüber hinaus wird bei bedenklichem Zustand des Betons (Betonbrücken) Karbonatisierungstiefe und Chloridgehalt des Betons, der Rostgrad der Bewehrung und die Betondeckung geprüft. Die DIN 1076 schreibt eine Bauwerkshauptprüfung in jedem sechsten Jahr vor.
Besonders bei Betonbrücken liefern Oberflächenprüfungen unzureichende Aussagen zum Tragverhalten, da visuelle Kontrollen der Oberflächen auf Risse und Verfärbungen durch Korrosionsprodukte über Integrität und Festigkeit von Komponenten wenig Aufschluß geben.
Detaillierte Untersuchung lokaler Bereiche
Mit bekannten zerstörungsfreien Prüfmethoden, wie z.B. der Durchstrahlungsprüfung, sind an Brückenbauwerken Ergebnisse zufriedenstellender Qualität erzielbar.
Diesen brauchbaren Ergebnissen stehen jedoch in der Regel gravierende Nachteile gegenüber, die einen extensiven Einsatz aus ökonomischen Gründen verbieten.
Dem wirtschaftlichen Einsatz der Durchstrahlungsprüfung z.B. stehen folgende Argumente gegenüber:
Die Anwendung ist besonders bei Durchstrahlung von Beton mit hohem apparativen Aufwand verbunden.
Aufgrund der Eigenheit des Verfahrens kann der Zustand von eng begrenzten Bereichen, nicht der des Gesamtbauwerkes beurteilt werden.
Der Einsatz der Durchstrahlungsprüfung ist auf wenige Fälle beschränkt, in denen die Eigenheiten dieses Verfahrens vorteilhaft genutzt werden können.
Im Rahmen von außergewöhnlichen Belastungen, wie z.B. von Schwertransport-Überleitungen, kann die lastabhängige Aufweitung bereits vorhandener Risse über die Belastbarkeit des Tragwerkes Auskunft geben.
Rißaufweitungen werden i.d.R. mit Dehnungsmeßstreifen bzw. mit dehnungsmeßstreifenbestückten Wegaufnehmern gemessen.
Dynamische Prüfverfahren beruhen auf der Analyse von Eigenschwingungen, Modalanalyse, entweder integral am gesamten Bauwerk oder an tragenden Komponenten.
Sie basieren daher auf dem elastischen Verhalten des gesamten Bauwerkes oder der Frequenzantwort einzelner Tragelemente nach Schwingungsanregung.
Dynamische Prüfverfahren an Brückenbauwerken erweitern die Aussagen der in DIN 1076 vorgeschriebenen Prüfungen und geben wichtige Aussagen zum Tragverhalten, da die gemessenen Antwortspektren auf elastischen Rückstellkräften und den Massenbelegungen angeregter Komponenten beruhen.
Die von uns angewendeten Verfahren basieren auf Anregung und Messung von Eigenfrequenzen, die andererseits auch durch Modellrechnung mit FEM nachweisbar sind.
Eine Berechnung der Moden erfolgt mit Finite-Elemente-Verfahren und ergibt das auslegungsgemäße Schwingverhalten des Bauwerks, im Vergleich zum Ist-Zustand durch Messung.
Prüfung des elastischen Verhaltens von Flächentragwerken
Im Rahmen dieser Messungen an Flächentragwerken, balkenförmigen Brücken, werden die impulserregten Transienten elastischer Schwingungen aufgenommen.
Es wird mit Lastimpulsen angeregt, um ein gleichmäßiges Anregungsspektrum zu erhalten.
Zur Beurteilung des elastischen Verhaltens werden die Antwortspektren ausgewertet.
Eine andere Methode besteht darin, die Antwort der Struktur auf variierende Anregungsfrequenzen zu messen und somit die Resonanzfrequenzen zu ermitteln.
Die Anregung bei veränderlicher Frequenz liefert ein hydraulischer oder elektromagnetischer Schwinger.
Ein gegebenes, im auslegungsgemäßen Zustand befindliches Tragwerk zeigt ein definiertes Schwingungsverhalten mit reproduzierbaren Eigenfrequenzen.
Eine Änderung der Systemsteifigkeit, verursacht durch Versagen einzelner Tragelemente, z.B. von Spanngliedern, beeinflußt die Eigenfrequenzen. Auch eine Änderung des Auflagerzustands, z.B. durch Stützenabsenkung, spiegelt sich daher im Antwortspektrum wieder.
Durch eine in bestimmten Zeitintervallen durchgeführte Schwingungsanalyse an einem Tragwerk, speziell an einem Brückenbauwerk, läßt sich das Tragverhalten des Systems übewachen.
Spannkraftermittlung durch Schwingungsanalyse
Die Ermittlung der tatsächlich wirkenden Kräfte in Tragseilen und Tragstangen wird ebenfalls mit dynamischen Methoden durchgeführt. Dazu werden aus den Frequenzen einer impulserregten Schwingung die Spannkräfte ermittelt, unter Berücksichtigung
des Frequenzanteils aus der Biegesteifigkeit und
der Schwingungsmoden, die sich infolge der Einspannung ausbilden.
Das Verfahren wird an Bogenbrücken und Seilbrücken eingesetzt.
Als Ingenieurbüro sind wir seit mehr als zehn Jahren auf dem Gebiet der Schwingungsberechnung und Schwingungsanalyse an Bauwerken, Tragstrukturen und Maschinen tätig.
Im Arbeitsbereich Brückenbauwerke bieten wir folgende Leistungen an:
Durchführung der Prüfungen nach DIN 1076, einfache Bauwerksprüfung und Bauwerkshauptprüfung, Erstellung der notwendigen Dokumentationen, wie Bauwerksbüchern u.ä.,
Dynamische Prüfverfahren, als Ergänzung zu den Untersuchungen nach DIN 1076, oder zur Sicherstellung des auslegungsgemäßen Verhaltens nach Verkehrs-Karambolagen im Brückenbereich,
Ermittlung der Eigenfrequenzen von Tragstrukturen durch vibratorseismische Untersuchungen auf der Grundlage des Resonanzverfahrens,
Berechnung der konstruktionsbedingten Eigenschwingungen,
Messung der Aufweitung bereits vorhandener Risse in Beton unter Last, auch bei außergewöhnlichen Belastungen wie z.B. Überleitung von Schwertransporten,
Messung von Vibrationen und Erschütterungen im Umfeld von Reparaturen und Sanierungsarbeiten an Bauwerken, beispielsweise während Betonierarbeiten bei laufendem Verkehr, um nachzuweisen, daß maximalzulässige Schwinggeschwindigkeiten während der Abbindephase von Frischbeton nicht überschritten worden sind,
Messung von Seil- und Tragstangenkräften durch dynamische Methoden,
Langfristige Überwachung des Tragverhaltens von Brückenbauwerken durch Basismessung der Eigenfrequenzen und Vergleichsmessung im Bedarfsfall. Mit der Basismessung des Schwingungsverhaltens wird das Tragverhalten des Bauwerks charakterisiert. Durch eine Folgemessung ist dann im Bedarfsfall kurzfristig eine Aussage über die Änderung des integralen Verhaltens der Tragstruktur möglich. Zur Durchführung dieser Messungen sind keine aufwendigen Vorarbeiten am Brückenbauwerk nötig.
Zur weiteren Auskunft über die von uns angebotenen Verfahren sowie zur Abgabe eines Angebots stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.
Dr. H. Czeschik
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