Schwingungsanalyse BRIMOS® – ein neues Verfahren zur ... - VCE

Produkte & Objekte / MonitoringSchwingungsanalyse BRIMOS ® –ein neues Verfahren zurBauwerksüberwachungBauwerke der Infrastrukturwie beispielsweise Brücken stelleneinen hohen Wert dar. Um ihre Gebrauchstauglichkeit undZuverlässigkeit zu erhalten, sind Bauwerksüberwachung, Zustandsanalyseund Instandhaltung unabdingbar. Im Rahmendes europäischen Forschungsvorhabens IMAC wurde dasÜberwachungssystem BRIMOS ® (Bridge Monitoring System)zur baupraktischen Anwendungsreife für komplette Brückenkonstruktionenund einzelne Bauteile wie interne, externeSpannglieder und Schrägseile entwickelt. Die BBV VorspanntechnikGmbH als Partner in diesem Forschungsvorhaben erweitertmit dieser Innovation ihr Angebot im GeschäftsfeldBauwerksuntersuchung und Bauwerksinstandsetzung.Angesichts der zahlreichen nach einem Bauboom in den 70erJahren nun in die Jahre gekommenen Brücken steigt auch derenUnterhaltsaufwand. Er wird zukünftig die Investitionen für Neubautenweit übersteigen. Schadenskosten nehmen in der zeitlichenAbfolge nicht linear, sondern überproportional zu. Technikund Technologie in der Diagnose und Früherkennung von Schäden– im Maschinenbau und in der Medizin Alltag – steckenbeim Bau noch in den Kinderschuhen bzw. fanden bisher wenigBeachtung.Eine Vernachlässigung der Inspektionen und der Reparaturentstandener Schäden erhöht die Kosten. Begrenzte Etats zwingenjedoch zu einer Festsetzung von Prioritäten. Ein preiswertesVerfahren zur Zustandsanalyse von Stahlbetonbauwerken wardeshalb Gegenstand des Forschungsvorhabens.Das europäische ForschungsvorhabenZahlreiche Methoden und Techniken wurden entwickelt, umBauwerke zu inspizieren, Schäden zu entdecken und zu lokalisieren,das Schadensausmaß zu beurteilen und den Schaden zubeheben. Visuelle Prüfungen herrschen vor, zerstörende Prüfungenwaren teilweise unvermeidlich, zerstörungsfreie Prüfungensind vorzuziehen. Eine dieser Methoden ermöglicht, durch Messungdes Schwingungsverhaltens von Bauwerken Rückschlüsseauf ihren Zustand zu ziehen.Im Februar 2001 begann das europäische ForschungsvorhabenIMAC – Integrated Monitoring and Assessment of Cables– mit dem Ziel, ein handhabbares Gerät zur Schwingungsmessungvon Bauwerken und Spannkabeln einschließlich der erforderlichenSoftware und den notwendigen Berechnungsmodellenzu entwickeln. 10 Partner aus fünf Ländern beteiligten sich andiesem Forschungsvorhaben. Die Projektleitung lag in HändenBild 1. Versuchseinrichtung BBV-StahlrahmenBild 2. Versuchseinrichtung BBV-SpannbetonbalkenBild 3. Pylonbrücke LudwigshafenA4 Beton- und Stahlbetonbau 99 (2004), Heft 12

Produkte & Objekte / Monitoringder Vienna Consulting Engineers (VCE). Für den Partner BilfingerBerger AG übernahm deren Tochter, die BBV VorspanntechnikGmbH, die Durchführung der Entwicklungsarbeiten. Inihren Fabrikationsstätten verfügt sie über Versuchseinrichtungen,die bei der IMAC-Forschung genutzt werden konnten.Zu den Versuchseinrichtungen bei BBV gehörten ein 12 m langerStahl-Spannrahmen (Bild 1) und ein 30 m langer Spannbetonbalken(Bild 2). Die hier mehrfach durchgeführten Versuchedienten vor allem der Verifizierung der Ergebnisse der bis dahinentwickelten Hard- und Software. Im Rahmen des Forschungsvorhabenswurden 22 Schrägseilbrücken, 72 Spannbetonbrückenund 620 Spannkabel untersucht.Das PrinzipDas Verfahren nutzt die Tatsache, daß viele Bauwerke, vornehmlichBrücken, ein ausgeprägtes Schwingungsverhalten aufweisen,das durch Eigenfrequenzen, Eigenformen, Dämpfungswerteund Schwingungsintensitäten gekennzeichnet ist.Meßwertaufnehmer registrieren die Beschleunigung der schwingendenKonstruktion oder einzelner Bauteile in dreidimensionalerRichtung.Mit der BRIMOS ® -Technologie wird der globale und aktuelleZustand der Tragwerke erfaßt und analysiert. Die Untersuchungliefert Erkenntnisse zur Erhaltung der Dauerhaftigkeit,der Gebrauchstauglichkeit sowie der Tragsicherheit. Durch Auswertungund Interpretation der Meßergebnisse ist optional einVergleich mit den Ergebnissen einer Computerberechnung möglich.Die gemessenen Eigenfrequenzen stellen einen erstenBasiswert für weitere, zukünftige Messungen dar. Durch denVergleich dieser Messungen können Abweichungen sofort festgestellt,dokumentiert und nach deren Ursache gesucht werden.Die BRIMOS ® -Technologie bietet ausgezeichnete Lösungenzur Erfüllung von Kundenbedürfnissen in einer Vielzahl vonAnwendungen:– Erkennen und Beurteilung des aktuellen Zustandes von Bauwerken– Aussagen zum Tragwerkszustand und zur Bauwerkssicherheit– Aussagen zu Lastmodellen (Verkehrlasterhöhung, Einzelereignis)– Schadensfeststellung und -lokalisierung– Planung von Erhaltungs- und Instandsetzungsarbeiten– Einsatz als Warnsystem für kritische Tragwerkszustände(Schwertransporte)– Qualitätskontrolle (Basismessung)– Lebensdauerbeurteilung– Erhaltungsmanagement für das TragwerkBasis offensichtlich erkennbarer Schäden möglich. Der Einsatzaufwendiger Inspektionstechniken verursacht zusätzliche, nichtgeringe Mehrkosten. Die Schwingungsmessung an Schrägseilenbietet demzufolge eine praktische und wirtschaftliche Alternative,um ein objektives Bild über den Zustand der Seile zu erhalten.Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Kontrolle von Behelfsabspannungenin Bauzuständen, erfolgreich angewandtbeim Bau der Svinesundbogenbrücke über den Idefjord zwischenSchweden und Norwegen (Bild 4). Besonderes Augenmerkbei der Konstruktion des Betonbogens im Freivorbau bedurftedie Verformungskontrolle im Bauzustand. Lasteinwirkungenwie Eigengewicht, Wind, Temperatur sowie Kriechen undSchwinden des Betons führen zu unterschiedlichen Bogen- undPylonverformungen und folglich zu variierenden Kabelkräftenin der Hilfsabspannung. Herkömmlich werden Bündelspannpressenaufgesetzt, die das Schrägkabel anspannen und über dieAbhebelast die Kraft im Kabel messen. Allerdings ist der logistische,zeitliche und finanzielle Aufwand hierfür groß. Darüberhinaus besteht die Gefahr, daß Kabel oder Verankerung beschädigtwerden.Eine neue und einfache Methode der Kabelkraftmessungstellte die BBV mit dem BRIMOS ® -Recorder zur Verfügung (Bilder5 und 6). Hier bewies sich die hervorragende Eignung derBRIMOS ® -Geräte unter rauhen Baustellenverhältnissen. Aktuellfindet das Verfahren Anwendung beim Bau der Seidewitztalbrückeim Zuge der BAB A 17 bei Dresden.Analyse von externen SpannkabelnGemäß den Richtlinien zur Vorspannung von Hohlkastenbrückenwurden die Spannverfahren mit externer Vorspannungentwickelt. Vorteile bieten die visuelle Begutachtung und Prüfungsowie die Nachspann- und Auswechselbarkeit der Spann-Ergebnisse und AnwendbarkeitMit Abschluß des Forschungsvorhabens stehen für die baupraktischeAnwendung drei Anwendungsfälle zur Verfügung:Analyse von SchrägseilenMit dem Verfahren werden die in den Seilen tatsächlich vorhandenenKräfte, die Wirksamkeit von Dämpfern und Schadstellenim Seil selbst und an den Verankerungsstellen bestimmt. Abweichungenvom Planzustand werden erkannt und liefern Informationenüber den aktuellen Zustand. Unter diesen Prämissen wurdendie Schrägseile der Pylonbrücke in Ludwigshafen (Bild 3)einer genaueren Untersuchung unterzogen. Für die Beurteilungder Seile wurden 3dimensionale Beschleunigungsaufnehmer eingesetzt.Spezielle Konsolen, die die sichere Justierung des Sensorsermöglichen, wurden direkt an den Seilen, in ca. 1,5 mHöhe über Gehwegniveau, montiert. Durch die Auswertung dergemessenen Schwingungssignale war es möglich, eine qualitativeund quantitative Beurteilung der Kabel durchzuführen.Konventionelle Untersuchungen sind bei Schrägseilen sehraufwendig und nur durch erheblichen Einsatz von Gerät undZeit durchführbar. Eine Beurteilung ist dabei jedoch nur aufBild 4. Bauzustand der Svinesundbrücke über den Idefjord mit Behelfsabspannung

Produkte & Objekte / MonitoringBild 7. Spannglied mit BeschleunigungsaufnehmerBild 8. Gersbachtalbrücke, BRIMOS ® -MessungenBild 5 und 6. BRIMOS ® -Geräteglieder. Zunächst geht es um die Kontrolle der durch Vorspannungeingetragenen Kräfte in die Spannglieder. Darüber hinauslassen sich unplanmäßige Kraftverluste ebenso feststellen wieunvorschriftsmäßige Kantenpressungen im Aufweitungsbereichder Umlenkstellen.Mit dem BRIMOS ® -Recorder steht eine Methode zur Verfügung,die einfache und wirtschaftliche Kontrollen vorgenannterPrüfkriterien liefert. Die kleinen Sensoren erweisen sich aufgrundihrer einfachen Befestigung und Bedienung als besondershandhabungsfreundlich (Bild 7). An der Gersbachtalbrücke imZuge der L 600 bei Pirmasens wurde eine Basismessung sowohlan externen Spanngliedern als auch an der kompletten Konstruktiondurchgeführt (Bild 8). Dem Auftraggeber stehen damitDatensätze für die lebensdauerlange Zustandsüberwachung seinerBauwerke zur Verfügung.Analyse von SpannbetonbrückenEin besonderer Vorteil des entwickelten Verfahrens ist es, daßganze Brückenfelder schwingungsanalytisch gemessen werdenkönnen. Dadurch ist auch die Beurteilung von Brücken mit internerVorspannung möglich. Die dynamische Untersuchungdient dazu, parallel zu konventionellen Brückenprüfungen Ergebnisseaus dem Schwingungsverhalten der Struktur zur Feststellungund Lokalisierung von Problemzonen heranzuziehen.Zu diesem Zweck werden Schwingungsaufnehmer in einer vorbestimmtenReihe längs der Systemlinie eines Brückenfeldesaufgestellt und abgefragt.Am Beispiel der alten Nahebrücke in Bad Kreuznach(Bild 9) soll das Verfahren im Detail erläutert werden. DieBrücke wurde als 3feldriges Rahmentragwerk 1955 errichtet.Zwei durch die Fahrbahnplatte miteinander verbundene Hohlkästenbilden den Überbau. Die Stiele des Rahmens (Widerlager)wirken als Druck- und Zugstreben. Die Beurteilung desTragwerkzustandes stützt sich auf die Ergebnisse folgenderAnalysen:– Dämpfungsanalyse (hohe Dämpfung als Hinweis auf möglicheSchädigung)– Frequenzanalyse (für das Bauwerk untypische Eigenfrequenzen,Eigenformen als Hinweis auf mögliche Schädigung)– Intensitätsanalyse (hohe Schwingbreiten, Ermüdungsgefahr).A6 Beton- und Stahlbetonbau 99 (2004), Heft 12

Produkte & Objekte / MonitoringTabelle 1. EigenfrequenzenNr.Messung Messung geschädigtes Modell,Überbau Überbau ModellAusfall einerWest Ost [Hz]BemerkungZugstrebe[Hz] [Hz] [Hz]1 4,75 4,71 4,65 Biegung 4,382 6,97 6,95 6,18 Torsion 5,96Erste Eigenform(Biegung) ausdem Rechenmodellbei4,65 HzBild 9. Nahebrücke in Bad KrueznachErste Eigenform(Biegung) miteiner geschädigtenZugstrebeaus dem Rechenmodellbei 4,38 HzBild 11. Erste Eigenform des ungeschädigten/geschädigten Tragwerkes (Bilder: BBVVorspanntechnik)Bild 10. Tragwerksklassifizierung nach BRIMOS ®Die Dämpfungswerte sind ein hervorragender Indikator für denZustand des Tragwerkes bzw. der Haupttragelemente. „Problemzonen“dissipieren Energie in Form von Reibung, dieser Umstandspiegelt sich in einer Zunahme der Dämpfungswertewieder. Höhere Dämpfungswerte resultieren z. B. aus Rissen,aus Verlusten an schlaffer bzw. Spannstahlbewehrung etc. DieTragwerke werden nach ihren Dämpfungswerten in 3 Klassen(Bild 10) eingeteilt:– Klasse A: sehr guter Zustand– Klasse B: guter Zustand, jedoch beanspruchtes Tragwerk– Klasse C: problematischer Tragwerkszustand.Die Frequenzspektren zeigen die dynamische Charakteristik desTragwerkes, welche durch Messung der Beschleunigungen errechnetwird. Mit der Frequenzanalyse sind Aussagen und Beurteilungenüber die Beanspruchung von Tragwerk bzw. Tragelementenmöglich. Unterschiedliche Schädigungsgrade widerspiegelnsich im Frequenzspektrum. Grundsätzlich dokumentiertdie Basismessung den aktuellen Zustand. Durch künftige Nachmessungenentsteht ein Trend der Eigenfrequenzen, welcher genaueAussagen über deren zeitlichen Verlauf und Entwicklungwiedergibt. Dadurch ist es möglich, Prognosen über die Entwicklungdes Tragwerkzustandes zu erstellen.Die Auswertung der einzelnen Eigenformen ermöglicht dieZuordnung der Eigenfrequenzen zu entsprechenden Tragwerksbewegungen.Deutlich ausgeprägte Eigenformen signalisiereneinen guten Tragwerkszustand. Hierbei ist die Krümmung derEigenformbäuche ein wichtiger Parameter für die Beurteilung.Die Intensitätsanalyse zeigt den Zusammenhang zwischenEigenfrequenzen des Tragwerks und gemessener Schwingungsamplitude.Überschreiten die Schwingungsamplituden einenGrenzwert, so ist mit einer Schädigung des Tragwerkes oder vonTragelementen durch Materialermüdung zu rechnen. Parallel zuden meßtechnischen Untersuchungen wurde ein FE-Modell erstellt,an dem die dynamische Analyse zur rechnerischen Bestimmungder Parameter durchgeführt wurde. Die gemessenenEigenfrequenzen und die rechnerisch ermittelten Werte zeigtensehr gute Übereinstimmungen.Die Zugstreben, unzugänglich hinter der Widerlagerwandim Erdreich eingebettet, bedurften der intensiveren Betrachtung.Bei der Berechnung wurden ein Versagen dieser Zugstreben modelliertund die entsprechenden Eigenfrequenzen und Eigenformenausgewertet. Die Ergebnisse der Berechnung sind mit denMeßergebnissen zu vergleichen und erlauben dadurch Rückschlüsseauf die Funktionstüchtigkeit der Zugstreben.Auffallend war der Abfall der Eigenfrequenzen durch dieSchädigung. Weiterhin zeigten die Eigenformen einen gänzlichanderen Krümmungsverlauf. Da die Ergebnisse der Messungsehr gut mit den Ergebnissen der Berechnung am ungeschädigtenTragwerk korrespondieren, ist eine Schädigung der Zugstrebenzum Zeitpunkt der Messung auszuschließen (Tabelle 1 undBild 11).SchlußbetrachtungenDer zunehmende Bestand an Ingenieurbauwerken im Bereichder Verkehrsinfrastruktur impliziert eine immer größere Bedeutungder Erhaltungsproblematik von Kunstbauten. Allein inDeutschland wird der Straßen- und Schienenverkehr über mehrals 100000 Brücken geführt. Um diese zu erhalten und zu verwalten,ist ein effizientes Bauwerksmanagement-System erforderlich.Überwachungsmaßnahmen an Brücken kontrollieren einerseitsdas Sicherheitsrisiko für die Benutzer, andererseits dieBeton- und Stahlbetonbau 99 (2004), Heft 12A7

Produkte & Objekte / MonitoringKosten für die Erhaltung, durch Setzen von Rehabilitationsmaßnahmenzum richtigen Zeitpunkt. Voraussetzung dafür sind umfassendeKenntnisse über den Bauwerkszustand und das Bauwerksverhalten.Bei den derzeit für die Brückenprüfung eingesetzten Verfahrendominieren handwerkliche Methoden. WesentlichesMerkmal der Prüfmethoden ist die visuelle Beurteilung. DasSystem BRIMOS ® hat im Gegensatz zu diesen Untersuchungsverfahreneinen „ingenieurmäßigen“ Charakter. Durch die Messungdes Schwingungsverhaltens und die analytische Auswertungerhält man quantitative Größen, die nicht der Zufälligkeitunterliegen.Ziel der Untersuchung ist es, konventionelle Inspektionenund Begutachtungen zu ergänzen. Es ist eine sinnvolle Kombinationaus beiden Verfahren anzustreben, die sicherstellt, daßnur an Objekten gearbeitet wird, die sich tatsächlich in einembedenklichen Zustand befinden. Als vorteilhaft erweist sich dieRobustheit der Gerätschaften. Die Untersuchungen beanspruchenverhältnismäßig wenig Zeit für Auf- und Abrüsten und fürdie Messungen selbst. Der Verkehrsfluß wird gar nicht bzw. nurminimal beeinträchtigt. Dadurch kann ein besonders preiswertesVerfahren angeboten werden. Ein weiterer nicht zu übersehenderVorteil ist, daß durch die präzisen Aussagen des Verfahrenseine Reihenfolge der Dringlichkeit von Erhaltungsmaßnahmengeplant und budgetiert werden kann und damit eine längerfristigeMittelplanung möglich ist.Weitere Informationen:BBV Vorspanntechnik GmbH,Dipl.-Ing. Michael Buschlinger,Industriestraße 98, 67240 Bobenheim-Roxheim,Tel. (06239) 9981-0, Fax (06239) 9981-39,info@bbv-vorspanntechnik.de, www.bbv-vorspanntechnik.deA8 Beton- und Stahlbetonbau 99 (2004), Heft 12