K. Hosemann, 30.01.2014


Die Analyse von Brückenschwingungen ist ein wichtiges Werkzeug bei der Dauerüberwachung von Brücken und hilft bei der Beurteilung des Bauwerks hinsichtlich Dauerhaftigkeit, Qualitätssicherung und Strukturbeurteilung.

Grundlagen

Schwingungen

Als Schwingung wird eine sich wiederholende, messbare Bewegung in einer Struktur bezeichnet. Sie können einerseits das Leistungsverhalten einer Struktur negativ beeinträchtigen, aber auch erwünschte Auswirkungen auf ein Tragwerk haben. Durch die Analyse der Schwingungen kann die Auswirkung auf das Brückensystem erkannt werden. [1]

Für die Schwingungsanalyse werden verschiedene Arten von Systemschwingungen unterschieden wie z.B.

  • freie
  • erzwungene
  • deterministische
  • zufällige
  • translatorische
  • rotatorische

Schwingungen. [1]

Modalanalyse

Die Modalanalyse stellt ein Verfahren dar, bei dem mit Hilfe der Identifikation von Schwingungsmoden auf die dynamischen Eigenschaften der elastischen Struktur von Bauteilen geschlossen wird. [1] Über die detektierten elektrischen Signale kann die Art der Schwingung ermittelt werden. Dabei wird die Wellenform der Schwingung über die Zeit aufgezeichnet und anschließend (zum Beispiel mittels Fouriertransformation) in seine einzelnen Frequenzen zerlegt. [1]

Die charakteristischen modalen Eigenschaften eines Systems sind dessen

  • Eigenfrequenz
  • Eigenschwingungsformen
  • modale Masse
  • modale Dämpfung.

Dabei sind vor allem die Formen und Frequenzen der Eigenschwingung der Brücke von Interesse. Die Messung der Eigenschwingungsform (siehe Abb. 1) ist dabei zwar aufwendiger, liefert aber nicht nur Informationen über das Vorhandensein eines Strukturfehlers, sondern auch über die Position und Schwere von Schäden. [2]

Modale Tests

Bei modalen Tests, zur Analyse der Schwingungen in Brücken, werden Sensoren über das Bauwerk verteilt und Veränderungen kontinuierlich gemessen. Aus den somit gewonnenen Beschleunigungswerten können mit Hilfe von verschiedensten mathematischen Methoden modale Parameter berechnet werden. [2]

Es wird grundsätzlich zwischen zwei Varianten unterschieden:

Forced Vibration Testing (FVT)

Hierbei handelt es sich um eine Methode bei dem das Bauwerk mit einer definierten äußeren Einwirkung belastet wird. Um auch große Brücken in Schwingungen versetzen zu können werden standardisierte Nutzlasten oder auch „Shaker“ Fallgewichte verwendet. Durch die gezielte Anregung mit bestimmten Frequenzen können die erfassten dynamischen Reaktionen des Bauwerks besser interpretiert und verwertet werden.

Allerdings entsprechen die künstlich erzeugten Belastungssituationen eher selten natürlichen Einwirkungen. Auch die Bereitstellung der Geräte zur Erzeugung des Inputs ist auf Grund ihrer Größe und des Gewichts oft unwirtschaftlich und schränkt die Benutzung der Brücke während der Tests stark ein. [2]

Ambient Vibration Testing

Bei Ambient Vibration Tests (AVT) wird das Bauwerk dagegen aus natürlichen Einwirkungen wie

  • Fahrzeugverkehr
  • Fußgänger
  • Wind
  • etc.

zu messbaren dynamischen Schwingungen angeregt. Da die Anregung hierbei nicht bekannt ist bzw. gemessen werden kann, wird sie als stochastisches weißes Rauschen in der Analyse berücksichtigt. Bei diesem Verfahren wird die Nutzung der Brücke nicht beeinflusst, aber der Berechnungsaufwand zur Extraktion der modalen Parameter ist wesentlich höher als beim FVT. [2]

Auswertung

Für die Auswertung der Messdaten und die Umwandlung in die relevanten modalen Parameter steht eine Vielzahl an Methoden zur Verfügung.

Beim FVT werden die gemessenen Beschleunigungswerte zusammen mit den Informationen über den aufgebrachten Impuls mit Hilfe der schnellen Fourier-Transformation umgerechnet. Daraus ergibt sich der Frequenzgang. Über Ausgleichsrechnungen kann dann auf die modalen Parameter geschlossen werden. [2]

Die Auswertung der Daten eines AV-Tests kann, je nach erwünschter Genauigkeit der Ergebnisse, durch verschiedene Methoden erfolgen. Zwei der am häufigsten angewendeten sind dabei die

  • Peak-Picking-Methode
  • Natural Excitation Technique.

Messtechnik

Es gibt verschiedene Messsysteme:

  • Drahtgebundene Systeme
  • Drahtlose Systeme
  • Drahtlose Sensornetze

Die Messtechnik wird im Artikel Monitoring von Brücken: Allgemeine Strategien und Messgrößen genauer beschrieben.

Literatur

  • Grosse, C. U.: Grundlagen der zerstörungsfreien Prüfung. Skript. Lehrstuhl für zerstörungsfreie Prüfung TU München. München, 2013.
  • Habegger, J.: Optimale Sensorplatzierung in der vibrationsbasierten Brückenüberwachung mit drahtlosen Sensornetzen. Bachelorarbeit. Lehrstuhl für zerstörungsfreie Prüfung TU München. München, 2013.
  • Weber, B.; Feltrin, G.: Modelling the temperature-dependent dynamic behaviour of a timber bridge with asphalt pavement. In: Excerpt from the Proceedings of the 2012 COMSOL Conference in Milan. COMSOL. Stockholm, 2012.

Einzelnachweise

  1. Grosse, C. U.: Grundlagen der zerstörungsfreien Prüfung. Skript. Lehrstuhl für zerstörungsfreie Prüfung TU München. München, 2013.
  2. Habegger, J.: Optimale Sensorplatzierung in der vibrationsbasierten Brückenüberwachung mit drahtlosen Sensornetzen. Bachelorarbeit. Lehrstuhl für zerstörungsfreie Prüfung TU München. München, 2013.

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