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.
Inhaltsverzeichnis
- 0 Aufbau der Arbeit
- 1 Einleitung
- 1.1 Geschichtlicher Überblick über dynamische Probleme im Brückenbau
- 1.2 Motivation, Gegenstand und Aufgabenstellung dieser Arbeit
- 2 Überwachung von Brücken
- 2.1 Allgemeines
- 2.2 Laufende Zustandsüberwachung (Health Monitoring) von Brücken
- 2.3 Das Mess- und Auswertesystem BRIMOS zur Zustandsüberwachung von Brücken
- 3 Grundlagen für die Zustandsüberwachung
- 3.1 Übersicht
- 3.2 Definitionen
- 3.3 Der lineare Einmasseschwinger
- 3.3.1 Freie Schwingung
- 3.3.2 Erzwungene Schwingung
- 3.4 Der lineare Mehrmassenschwinger
- 3.4.1 Freie Schwingung
- 3.4.2 Erzwungene Schwingung
- 3.5 Die Dämpfung von Baukonstruktionen
- 3.5.1 Definition der Dämpfung
- 3.5.2 Messtechnische Bestimmung der modalen Dämpfung
- 3.6 Bestimmung der Kabelkraft auf Basis von Eigenfrequenzmessungen
- 3.6.1 Das massebehaftete Seil im statischen Gleichgewicht
- 3.6.2 Freie Schwingung eines idealen Seiles
- 3.6.3 Bestimmung der Eigenfrequenzen eines idealen Seiles
- 3.7 Eigenfrequenz unter Berücksichtigung der Biegesteifigkeit
- 3.8 Messtechnische Verfahren zur Bestimmung des dynamischen Verhaltens von Tragwerken
- 3.8.1 Die Methoden der Erzwungenen Anregung
- 3.8.2 Die Methode der Ambienten Anregung
- 3.8.3 Vergleich und Beurteilung der Erzwungenen und Ambienten Anregung
- 3.9 Methoden zur Systemidentifikation
- 3.9.1 Allgemeine Formulierung
- 3.9.2 Mathematische Grundlagen der ambienten Systemidentifikation
- 4 Kabel für Schrägseilbrücken
- 4.1 Allgemeines
- 4.2 Technologie der Kabel und Seile
- 4.2.1 Stabstahlbündel
- 4.2.2 Stahlseile
- 4.2.3 Vollverschlossenen Seile
- 4.2.4 Paralleldrahtkabel
- 4.2.5 Parallellitzenkabel
- 4.2.6 Monolitzenkabel
- 4.2.7 Zügelgurte
- 4.2.8 CFK-Kabel
- 4.3 Schutz der Kabel
- 4.4 Abschätzung der ersten vertikalen Biegeschwingung
- 4.5 Schwingungsanregung von Schrägseilen
- 4.5.1 Allgemeines
- 4.5.2 Aerodynamische Grundlagen
- 4.5.3 Wirbelablösung (Vortex Shedding Excitation, Karman-Wirbel)
- 4.5.4 Flatterschwingungen durch Böenwirkung (Buffeting)
- 4.5.5 Formanregung (Galloping)
- 4.5.6 Windschatteninstabilität (Wake Instability)
- 4.5.7 Regen-Wind Induzierte Schwingungen (Wind-Rain Instability)
- 4.5.8 Beurteilung der Schwingungsanfälligkeit
- 4.5.9 Indirekte Anregung von Schrägseilen
- 5 Dynamische Messungen an Schrägseilen
- 5.1 Auswerteverfahren
- 5.2 Beschreibung der untersuchten Tragwerke
- 5.3 Donaubrücke Tulln, Österreich
- 5.3.1 Allgemeines zum Bauwerk
- 5.3.2 Ergebnisse der Untersuchung
- 5.3.3 Lösungsansatz zur Behebung der Schwingungsprobleme
- 5.4 Voestbrücke Linz, Österreich
- 5.4.1 Allgemeines zum Bauwerk
- 5.4.2 Ergebnisse der Untersuchung
- 5.5 Kao-Ping-Hsi Brücke, Taiwan
- 5.5.1 Allgemeines zum Bauwerk
- 5.5.2 Ergebnisse der Untersuchung
- 6 Ergebnisse der Untersuchungen
- 6.1 Allgemeine Erkenntnisse
- 6.2 Bestimmung der Kabelkraft unter Berücksichtigung der Biegesteifigkeit
- 6.3 Bestimmung der Dämpfungsparameter
- 6.4 Referenzversuche
- 7 Schlussfolgerungen und weitere Forschungsziele
- 7.1 Schlussfolgerungen
- 7.2 Weitere Forschungsziele
- 7.3 Kommentar
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Hauptzielsetzung dieser Arbeit ist die Entwicklung genauer und praktisch einsetzbarer Methoden zur zerstörungsfreien Bestimmung der Kabelkraft in seilgestützten Tragwerken mittels Schwingungsmessungen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Bestimmung von Dämpfungswerten und deren Bedeutung für die Beurteilung der Schwingungsanfälligkeit.
- Entwicklung eines präzisen Verfahrens zur Kabelkraftbestimmung basierend auf Schwingungsmessungen.
- Bestimmung von Dämpfungswerten und deren Einfluss auf das Schwingungsverhalten.
- Analyse der Biegesteifigkeit von Schrägseilen und deren Berücksichtigung bei der Kraftbestimmung.
- Untersuchung verschiedener Anregungsmechanismen für Schrägseilschwingungen.
- Bewertung der Schwingungsanfälligkeit von Schrägseilen.
Zusammenfassung der Kapitel
0 Aufbau der Arbeit: Dieses Kapitel beschreibt den Aufbau der Dissertation und gliedert die Arbeit in zwei Hauptteile: einen allgemeinen einführenden Teil und einen praxisorientierten Teil, der sich mit der Anwendung der entwickelten Methode an ausgewählten Schrägseilbrücken befasst. Es werden die einzelnen Kapitel und deren Inhalte kurz zusammengefasst.
1 Einleitung: Das Kapitel beginnt mit einem historischen Überblick über spektakuläre Einstürze von Brücken aufgrund dynamischer Probleme. Es werden die Ursachen und die daraus resultierende wachsende Bedeutung der Baudynamik im modernen Brückenbau erläutert. Die Motivation, der Gegenstand und die Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit werden dargelegt.
2 Überwachung von Brücken: Dieses Kapitel befasst sich mit der Überwachung von Brücken und den damit verbundenen Zielen. Es wird die Bedeutung der laufenden Zustandsüberwachung (Health Monitoring) beschrieben und das vom Autor mitentwickelte Mess- und Auswertesystem BRIMOS vorgestellt. Die Notwendigkeit zerstörungsfreier Prüfmethoden wird hervorgehoben.
3 Grundlagen für die Zustandsüberwachung: Dieses Kapitel behandelt die theoretischen und mathematischen Grundlagen der Zustandsüberwachung, einschließlich der Beschreibung linearer Ein- und Mehr-Massenschwinger. Es werden verschiedene Methoden zur Bestimmung der modalen Parameter (Eigenfrequenzen, Eigenformen, Dämpfungswerte) und die Bedeutung der Dämpfung erläutert. Verschiedene messtechnische Verfahren, wie die erzwungene und ambiente Anregung, werden verglichen und bewertet. Schließlich werden Methoden der Systemidentifikation vorgestellt, die zur Auswertung der Messdaten benötigt werden.
4 Kabel für Schrägseilbrücken: Dieses Kapitel konzentriert sich auf die verschiedenen Technologien von Kabeln für Schrägseilbrücken, einschließlich der Abschätzung der ersten vertikalen Biegeschwingung. Es werden die verschiedenen Anregungsmechanismen von Schrägseilen (Wirbelablösung, Flattern, Galloping, Windschatteninstabilität, Regen-Wind-induzierte Schwingungen) sowie Verfahren zur Beurteilung der Schwingungsanfälligkeit und indirekte Anregungsmechanismen ausführlich behandelt.
Schlüsselwörter
Systemidentifikation, Schrägseilbrücken, Schwingungscharakteristik, Kabelkraft, Dämpfung, Eigenfrequenzen, Eigenformen, Ambiente Anregung, Modalanalyse, Biegesteifigkeit, Windlast, Regen-Wind-Instabilität, BRIMOS, Systemidentifikationsmethoden, Zustandsüberwachung, Health Monitoring.
Häufig gestellte Fragen (FAQ) zur Dissertation: Dynamische Messungen an Schrägseilen
Was ist das Hauptthema der Dissertation?
Die Dissertation befasst sich mit der Entwicklung genauer und praktisch einsetzbarer Methoden zur zerstörungsfreien Bestimmung der Kabelkraft in seilgestützten Tragwerken mittels Schwingungsmessungen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Bestimmung von Dämpfungswerten und deren Bedeutung für die Beurteilung der Schwingungsanfälligkeit.
Welche Zielsetzungen werden verfolgt?
Die Hauptzielsetzung ist die Entwicklung eines präzisen Verfahrens zur Kabelkraftbestimmung basierend auf Schwingungsmessungen. Weitere Ziele sind die Bestimmung von Dämpfungswerten und deren Einfluss auf das Schwingungsverhalten, die Analyse der Biegesteifigkeit von Schrägseilen und deren Berücksichtigung bei der Kraftbestimmung, die Untersuchung verschiedener Anregungsmechanismen für Schrägseilschwingungen und die Bewertung der Schwingungsanfälligkeit von Schrägseilen.
Welche Kapitel umfasst die Arbeit?
Die Arbeit gliedert sich in mehrere Kapitel. Kapitel 0 beschreibt den Aufbau, Kapitel 1 die Einleitung mit einem historischen Überblick und der Aufgabenstellung. Kapitel 2 behandelt die Überwachung von Brücken und das System BRIMOS. Kapitel 3 erläutert die Grundlagen der Zustandsüberwachung (lineare Schwingungen, Dämpfung, Messverfahren, Systemidentifikation). Kapitel 4 konzentriert sich auf Kabel für Schrägseilbrücken und deren Anregungsmechanismen. Kapitel 5 beschreibt dynamische Messungen an verschiedenen Schrägseilbrücken (Donaubrücke Tulln, Voestbrücke Linz, Kao-Ping-Hsi Brücke). Kapitel 6 präsentiert die Ergebnisse der Untersuchungen, und Kapitel 7 zieht Schlussfolgerungen und formuliert weitere Forschungsziele.
Welche Methoden werden verwendet?
Die Arbeit verwendet Methoden der Systemidentifikation, Modalanalyse, Schwingungsmessungen und berücksichtigt die Biegesteifigkeit der Schrägseile. Es werden sowohl erzwungene als auch ambiente Anregungsmethoden verglichen und angewendet. Das eigens entwickelte Messsystem BRIMOS spielt eine wichtige Rolle.
Welche Brücken werden untersucht?
Die Dissertation analysiert dynamische Messungen an drei Schrägseilbrücken: der Donaubrücke Tulln (Österreich), der Voestbrücke Linz (Österreich) und der Kao-Ping-Hsi Brücke (Taiwan).
Welche Anregungsmechanismen von Schrägseilen werden behandelt?
Die Arbeit behandelt verschiedene Anregungsmechanismen, darunter Wirbelablösung (Vortex Shedding), Flattern (Buffeting), Galloping, Windschatteninstabilität (Wake Instability) und regen-windinduzierte Schwingungen (Wind-Rain Instability).
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Dissertation?
Wichtige Schlüsselwörter sind: Systemidentifikation, Schrägseilbrücken, Schwingungscharakteristik, Kabelkraft, Dämpfung, Eigenfrequenzen, Eigenformen, Ambiente Anregung, Modalanalyse, Biegesteifigkeit, Windlast, Regen-Wind-Instabilität, BRIMOS, Systemidentifikationsmethoden, Zustandsüberwachung, Health Monitoring.
Was sind die Schlussfolgerungen der Arbeit?
Die Schlussfolgerungen und weitere Forschungsziele werden im Kapitel 7 detailliert dargestellt. Die Arbeit liefert verbesserte Methoden zur Kabelkraftbestimmung und zur Beurteilung der Schwingungsanfälligkeit von Schrägseilbrücken.
- Quote paper
- Roman Geier (Author), 2004, Systemidentifikation seilgestützter Tragwerke - Die dynamische Strukturantwort von Schrägseilen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/45742
