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 & Themen
Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, die Schwingungseigenschaften von Schrägseilen zu untersuchen und innovative, zerstörungsfreie Methoden zur Bestimmung der Kabelkraft sowie der Dämpfungsparameter auf Basis dynamischer Messungen zu entwickeln. Die zentrale Forschungsfrage fokussiert auf die präzise Ermittlung der wirksamen Zugkraft in den Zuggliedern seilgestützter Konstruktionen, um eine objektive Zustandsbeurteilung und Prognose des Tragwerksverhaltens zu ermöglichen.
- Entwicklung zerstörungsfreier Messverfahren für Kabelkräfte mittels Schwingungsmessungen
- Optimierung der Zustandsüberwachung (Health Monitoring) bei Schrägseilbrücken
- Untersuchung aerodynamischer Effekte und Schwingungsanfälligkeit von Schrägseilen
- Berücksichtigung der Biegesteifigkeit bei der Kabelkraftbestimmung zur Genauigkeitssteigerung
- Ableitung quantifizierbarer Beurteilungsparameter für den Zustand von Spanngliedern
Auszug aus dem Buch
3.6.1 Das massebehaftete Seil im statischen Gleichgewicht
Im Folgenden wird die Seilgleichung durch Freischneiden eines infinitesimalen Elementes der Länge ds für das gewichtsbehaftete Seil und anschließendes Aufstellen der Gleichgewichtsbedingungen abgeleitet (siehe Bild 3.12). Dabei wird die Seilkraft mit T bezeichnet.
Das Gleichgewicht des Kabelelementes in vertikaler Richtung liefert: -T(s) * (dz/ds) + {T(s) * (dz/ds) + d/ds[T(s) * (dz/ds)] * ds} + d/ds[T(s) * (dz/ds)] * ds + ... + d/ds[T(s) * (dz/ds)] * ds + O^2 + µ * g * ds = 0
Nach Division durch ds und anschließendem Grenzübergang ds→0 verschwinden in Gleichung (108) die Taylor Glieder höherer Ordnung exakt. Dadurch kann folgende gewöhnliche Differentialgleichung angeschrieben werden:
d/ds * (T(s) * dz/ds) = -µ * g
Zusammenfassung der Kapitel
0 AUFBAU DER ARBEIT: Der Autor erläutert die Entstehung seines Interesses an der Baudynamik sowie die methodische Struktur der Dissertation.
1 EINLEITUNG: Es werden historische Beispiele baudynamischer Probleme im Brückenbau analysiert, um die Relevanz der strukturdynamischen Forschung und die Zielsetzung der Arbeit zu begründen.
2 ÜBERWACHUNG VON BRÜCKEN: Dieses Kapitel behandelt die Notwendigkeit und die Strategien der laufenden Zustandsüberwachung (Health Monitoring) von Bauwerken zur Gewährleistung der Tragfähigkeit.
3 GRUNDLAGEN FÜR DIE ZUSTANDSÜBERWACHUNG: Hier werden die theoretischen Grundlagen der Schwingungslehre sowie messtechnische und rechnerische Verfahren zur Bestimmung modaler Parameter aufgearbeitet.
4 KABEL FÜR SCHRÄGSEILBRÜCKEN: Das Kapitel fokussiert auf Schrägseile, stellt gängige Kabeltechnologien vor und analysiert verschiedene Anregungsmechanismen wie Wirbelablösung oder Wind-Regen-induzierte Schwingungen.
5 DYNAMISCHE MESSUNGEN AN SCHRÄGSEILEN: Dieser Teil beschreibt die praktischen Anwendungen, einschließlich der Untersuchung spezifischer Brückenbauwerke und der Identifizierung von Schwingungsproblemen.
6 ERGEBNISSE DER UNTERSUCHUNGEN: Die zentralen Erkenntnisse der Arbeit werden zusammengefasst, insbesondere zur genaueren Bestimmung der Kabelkraft unter Berücksichtigung der Biegesteifigkeit.
7 SCHLUSSFOLGERUNGEN UND WEITERE FORSCHUNGSZIELE: Abschließende Reflexion der Ergebnisse und Ausblick auf zukünftige Entwicklungen im Bereich der Baudynamik.
Schlüsselwörter
Baudynamik, Schrägseilbrücken, Systemidentifikation, Kabelkraftbestimmung, Schwingungsanalyse, Health Monitoring, Dämpfungsparameter, Biegesteifigkeit, Modalanalyse, Aerodynamik, Zustandsüberwachung, Tragwerksplanung, Bauwesen, Schwingungsmessung, Tragfähigkeit
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung präziser, zerstörungsfreier Methoden zur Bestimmung von Zugkräften und Dämpfungsparametern in Schrägseilen mittels Schwingungsmessungen.
Was sind die zentralen Themenfelder der Dissertation?
Zu den Schwerpunkten zählen die Baudynamik, die Zustandsüberwachung (Health Monitoring) von Brücken, die Analyse von Schwingungsanregungen an Schrägseilen sowie die mathematische Systemidentifikation.
Welches primäre Ziel verfolgt der Autor?
Das Hauptziel ist die Entwicklung eines genauen und praktisch anwendbaren Verfahrens zur exakten Kraftbestimmung in Zuggliedern von Schrägseilbrücken unter Berücksichtigung der Biegesteifigkeit und Lagerungsbedingungen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Der Autor nutzt sowohl rechnerische Simulationen (Stabwerksmodelle) als auch umfangreiche messtechnische Verfahren, wie die ambiente Schwingungsanalyse und moderne Signalverarbeitung (FFT, Random Decrement Technik, Stochastische Subspace Identifikation).
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen der Zustandsüberwachung, eine Analyse von Kabeltechnologien und Anregungsphänomenen sowie die Auswertung von Feldmessungen an verschiedenen Schrägseilbrücken.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Forschungsarbeit?
Wichtige Begriffe sind Baudynamik, Schrägseilbrücken, Systemidentifikation, Kabelkraftbestimmung, Schwingungsanalyse, Dämpfungsparameter, Biegesteifigkeit und Modalanalyse.
Welche Rolle spielt die Biegesteifigkeit bei der Kraftbestimmung?
Die Berücksichtigung der Biegesteifigkeit ist essenziell für eine hohe Genauigkeit bei der Kabelkraftbestimmung, da sie besonders bei Oberschwingungen und kurzen, steifen Kabeln einen signifikanten Einfluss auf das dynamische Verhalten hat.
Warum ist die Unterscheidung zwischen "symmetrischen" und "unsymmetrischen" Schwingungsformen relevant?
Diese Unterscheidung ist für die korrekte Bestimmung der Kabelkraft notwendig, da bei symmetrischen Schwingungsformen zusätzliche Kraftkomponenten in das Kabel eingeleitet werden, während diese bei unsymmetrischen Formen verschwinden.
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- Roman Geier (Author), 2004, Systemidentifikation seilgestützter Tragwerke - Die dynamische Strukturantwort von Schrägseilen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/45742
