DE10008201A1 - Verfahren zum Prüfen der Biegefestigkeit eines Mastes - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Prüfen der Biegefestigkeit eines am Mastfuß im Boden verankerten, elastischen Mastes beschrieben. Zunächst wird mit Abstand über dem Boden auf den Mast gegen seine elastische Rückstellkraft ein Biegemoment mit Hilfe einer Krafteinheit ausgeübt und dann eine Auslenkung des Mastes mit Hilfe einer Meßeinheit erfaßt. Um die Wirkung von Sturmböen zu simulieren, wird der Mast bei dem Prüfverfahren, ausgehend von einer durch das Biegemoment bewirkten Auslenkposition, durch Entlasten in Eigenschwingung versetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen der Biegefestigkeit eines stehenden, am Mastfuß im Boden verankerten, elastischen Mastes, bei welchem über dem Bo­ den auf den Mast gegen seine elastische Rückstellkraft ein Biegemoment mit Hilfe einer Krafteinheit ausgeübt wird und eine Auslenkung des Mastes mit Hilfe einer Meßeinheit erfaßt wird. Die Biegefestigkeit des Mastes umfaßt im Rahmen der Er­ findung allgemein die mechanische Stabilität des Mastes und normalerweise auch dessen Standfestigkeit im Boden, also die Stabilität des Mastfundamentes.

Eine Mastprüfanlage zum Ausführen des vorgenannten Verfahrens wird beschrie­ ben in DE 195 40 319 C1. Im Bekannten wird eine Vorrichtung zum Prüfen der Bie­ gefestigkeit eines Metall-Mastes beschrieben. Auf den Mast wird mit Abstand ober­ halb des Bodens ein Biegemoment ausgeübt und mit der dadurch - nach Entla­ stung - bewirkten Auslenkung des Mastes verglichen. Um das Ergebnis der durch das Biegemoment verursachten Gesamt-Auslenkung des Mastes nicht durch eine Bewegung des unterirdischen Mastteiles im Boden zu verfälschen, wird dem Mast­ fuß unmittelbar am Boden ein zusätzlicher Wegsensor zum Erfassen der Position dieses Mastteils zugeordnet.

Nach diesem Stand der Technik wird zunächst die Position des Mastes (ohne eine Belastung) festgestellt und auf diese Weise ein Eichwert für die späteren Messun­ gen erhalten. Daraufhin wird der Mast von einer Seite her durch eine z. B. mit einer Biegelast vorgegebener Größe belastet. Nach Entlastung (Abschaltung der Kraft­ einheit) wird nachgeprüft, ob und wie weit der Mast wieder bis zu dem am Anfang registrierten Eichpunkt zurückkehrt. Die Messung der jeweiligen Mastposition kann auf beliebige Weise, z. B. durch Ablesen einer Skala oder mit Hilfe einer Meßeinheit mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem Empfänger, erfolgen.

Nach dem beschriebenen Stand der Technik wird zum Feststellen der Biegefestig­ keit des Mastes in der Regel eine Zug- oder Druckkraft mit Hilfe einer Krafteinheit ausgeübt. Als Krafteinheit kommen beispielsweise eine auf dem Boden abgestützte Hydraulik oder ein gegen den Mast gedrückter Ausleger eines Traktors, Baggers oder dergleichen in Frage. Wenn festgestellt werden soll, wie weit sich der Mast nach der Auslenkung wieder elastisch an seine ursprüngliche Position annähert, wird vor einer entsprechenden Messung die auf den Mast ausgeübte Kraft außer Wirkung gesetzt. Bei den nach dem einschlägigen Stand der Technik eingesetzten Mitteln zum Ausüben der Biegelast erfolgt das Entlasten, z. B. beim Abschalten einer Hydraulik oder beim Zurückfahren des gegen den Mast pressenden Auslegers, nur relativ langsam. Im wesentlichen wird daher die statische Festigkeit geprüft.

Mit Hilfe der statischen Prüfmethode lassen sich nicht immer Aussagen dazu ma­ chen, ob der jeweilige Mast die dynamische Stabilität besitzt, einem Sturm zu wi­ derstehen. Ein Sturm übt sehr ungleichmäßige Kräfte mit schnell ansteigender und ebenso schnell abfallender Amplitude auf den Mast aus. Der Mast kann durch Windböen gewissermaßen angestoßen und wieder losgelassen werden, so daß er elastisch zurückschnellt und erst nach einigen gedämpften Schwingungen wieder zur Ruhe kommt. Wenn ein Mast, z. B. als Peitschenmast, mit seitlich befestigten Teilen, wie Ampeln oder Hinweisschildern, ausgestattet ist, können durch die vom Wind ausgeübten Stöße Drehschwingungen im Mast erzeugt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mastprüfung wirklichkeitsnäher aus­ zuführen, so daß sich auch von Sturmböen im Mast erzeugte Schwingungen simu­ lieren lassen und damit die entsprechende dynamische Festigkeit des Mastes zu prüfen ist.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht für das Verfahren eingangs genannter Art, bei dem auf den Mast ein Biegemoment gegen seine elastische Rückstellkraft ausgeübt wird, darin, daß der Mast ausgehend von einer durch das Biegemoment be­ wirkten Auslenkposition Eigenschwingung versetzt wird. Mit anderen Worten, der Mast wird aus seiner Auslenkposition zum Ausführen von Eigenschwingungen los­ gelassen. Einige Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindungen werden in den Unteransprüchen angegeben.

Allein dadurch, daß man das Mittel zum Ausüben der Biegekraft - im Anschluß an eine erzwungene Mastbiegung - so schnell aus dem Bereich der maximalen Ei­ genschwingungs-Amplitude des Mastes herausbringt, bevor man den Mast für das freie Schwingen losläßt, wird der Einfluß einer auf den Mast wirkenden Sturmbö wirklichkeitsnahe simuliert. Um diesen Verfahrensaspekt in die Praxis umzusetzen, können vorzugsweise die folgenden Schritte im Anschluß an das Ausüben der Biegelast ausgeführt werden. Zuerst wird der Mast mit Hilfe einer Arretiereinheit in der ausgelenkten Position gegen seine elastische Rückstellkraft festgehalten. In der zweiten Stufe wird die die Biegelast aufbringende Krafteinheit abgeschaltet und aus dem Bereich der maximalen (elastischen) Schwingungsweite des Mastes heraus­ bewegt. In einer dritten Stufe wird dem Mast durch Ausrasten der Arretiereinheit die Möglichkeit zum Zurückschnellen und damit zum freien Schwingen gegeben. Als Arretiereinheit kommt im Rahmen der Erfindung z. B. ein 2-Stellungs-Riegel in Fra­ ge, der den Mast in einer Stellung arretiert und in der anderen Stellung - praktisch ohne Übergang - losläßt.

Ein intakter Mast (mit bezüglich seiner Längsachse symmetrischer Massenvertei­ lung), den man in einer vertikalen Ebene auslenkt und erfindungsgemäß aus der Auslenkposition zurückschnellen läßt, führt gedämpfte Schwingungen, insbesonde­ re mit Sinus-Form, aus. Für diese Schwingungen kann durch Messung, z. B. an ei­ nem intakten, zu einer Prüfserie gehörenden Mast, ein Eich- oder Normalverlauf ermittelt werden. Wenn sich bei Messungen an einem anderen zu prüfenden Mast deutliche Abweichungen von diesem Normverlauf ergeben, wird der fragliche Mast einer näheren Untersuchung zu unterwerfen sein.

Wie gesagt, ein erfindungsgemäß aus einer Auslenkposition zurückschnellender Mast schwingt - wenn er eine in Bezug auf seine Längsachse symmetrische Massenverteilung besitzt und senkrecht zu seiner Längsachse ausgelenkt wird, - prak­ tisch nur in der (vertikalen) Ebene, in der er ausgelenkt wurde. In der Natur erfolgt das Anstoßen, z. B. durch eine Windbö, aber nicht genau senkrecht zu der Längs­ achse, außerdem haben zu prüfende Masten häufig eine - wie oben beschrieben - in Bezug auf die Längsachse unsymmetrische Massenverteilung. Eine Windbö ver­ setzt den jeweiligen Masten also nicht nur in eine Schwingung in einer Ebene, son­ dern zugleich in eine Drehschwingung. Auf den Mast wirken dann zugleich Linear- und Torsionskräfte. Nach der Erfindung kann auch eine solche kombinierte Dreh­ schwingung simuliert werden. Vorzugsweise geschieht das dadurch, daß das Bie­ gemoment etwa senkrecht zu einer Ebene ausgeübt wird, in welcher die Massen­ verteilung konstruktiv und/oder künstlich unsymmetrisch in Bezug auf die Mast­ längsachse ist. Auf diese Weise lassen sich kritische Haarrisse und Materialermü­ dungen, speziell auch bei Aluminiummasten erkennen.

Eine besonders deutliche Simulation bzw. Verstärkung der Drehschwingungen läßt sich - auch bei Masten mit in obigem Sinne an sich symmetrische Massenverteilung erreichen, wenn gemäß weiterer Erfindung einseitig am Mast ein, vorzugsweise be­ treffend Größe und/oder Mastabstand veränderbares, Gewicht fixiert wird. Zu die­ sem Zweck kann am Mast ein Hebel unverdrehbar fixiert werden, der das Gewicht trägt. In der Praxis kann es günstig sein, wenn ein Gewicht auf den Hebel in Rich­ tung etwa senkrecht von Mastlängsachse verschiebbar, aber in jeder Position fest­ stellbar, gelagert wird. Die Wirkung der gegebenenfalls auf den zurückschnellenden Mast durch das Gewicht ausgeübten Drehschwingungslast hängt ab von der Größe des Gewichts und vom Abstand des Gewichts von der Mastlängsachse.

Wenn man die Bewegung eines in Bezug auf den Mast festen Meßpunktes während der Mastschwingung beim Zurückschnellen beobachtet, erkennt man zugleich eine lineare Hin- und Herschwingung des Meßpunktes in einer vertikalen Ebene und eine Drehschwingung des Meßpunktes um eine etwa vertikale Achse. In beiden Fällen handelt es sich um gedämpfte elastische Schwingungen. Eine Eich- oder Normform dieser gegebenenfalls kombinierten Linear- und Torsionsschwingung kann durch Messung an einem einwandfreien Mast ermittelt werden. Nach bisherigen Ver­ suchsergebnissen können die beiden periodischen Bewegungen auf einem Bildschirm in Form einer von außen nach innen laufenden Spiralkurve aufgezeichnet werden. Ein Mast kann als intakt bezeichnet werden, wenn die (künstlich erzeugte) Drehschwingungskurve einigermaßen symmetrisch mit der Normform verläuft. Zeigt die gemessene Bewegungskurve jedoch deutliche Abweichungen von der Norm­ form, z. B. Ein- oder Ausbuchtungen oder sonstige erhebliche Unsymmetrien, muß der Mast einer eingehenden Prüfung auf Standfestigkeit und Stabilität unterzogen werden.

Zum Beobachten und gegebenenfalls Registrieren der erfindungsgemäß erzeugten Schwingungen können einschlägige, z. B. mechanische oder optische, Verfahren und Geräte mit oder ohne Elektronik eingesetzt werden. Beispielsweise kann am Mast eine Lichtquelle fixiert werden, deren gebündelter Lichtstrahl auf eine gegen­ über dem den Mast umgebenden Boden ortsfest fixierte Zielscheibe gerichtet wird. (Die Position von Lichtquelle und Zielscheibe ist austauschbar). Auf der Zielscheibe kann der Verlauf der (kombinierten) Schwingung beobachtet werden. Als Lichtquelle kommen Glühlampen, Laser, Leuchtdioden, LEDs usw. in Frage. Die Zielscheibe kann mit bloßem Auge, aber auch automatisch, z. B. mit Hilfe einer Meßkamera, insbesondere CCD-Kamera kontrolliert werden. Der Meßkamera usw. kann ein Rechner mit zugeordnetem Display (Bildschirm) nachgeschaltet werden. In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Messung mit Hilfe von Lasern ausgeführt.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden einige Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Mast mit darauf einwirkender Biegelast und Arretiermittel zum Fixieren der durch die Biegelast ausgelenkten Mastposition;

Fig. 2 ein Beispiel eines Arretierriegels gemäß Schnitt II-II von Fig. 1;

Fig. 3 einen nach Entfernen der Krafteinheit und plötzlichem Lösen des Arre­ tierriegels in einer vertikalen Ebene gedämpft schwingenden Mast;

Fig. 4 einen Peitschenmast mit insgesamt in Bezug auf seine Längsachse unsymmetrischer Massenverteilung, der nach Entfernen der Kraftein­ heit und plötzlichem Lösen des Arretiermittels zugleich eine lineare Schwingung in einer vertikalen Ebene (wie in Fig. 3) und eine Dreh­ schwingung ausführt; und

Fig. 5 einen Mast mit einseitig unverdrehbar daran fixiertem Zusatzgewicht zum Erzeugen einer (künstlichen) Drehschwingung.

Fig. 1 zeigt einen Mast 1, der im Boden 2 verankert ist. Es wird angenommen, der Mast 1 sei (in der Zeichnungsebene) aus der gestrichelt dargestellten Normalpositi­ on a in die mit ausgezogenen Linien dargestellte Position b infolge einer Biegelast ausgelenkt. Als Verursacher der Biegelast wird ein Hydraulikzylinder 3 symbolisch dargestellt. Der Kolben 4 des Zylinders 3 drückt mit seinem Stempel 5 gegen den Mast. 1. Wenn die Auslenkung oder die mit dem Hydraulikzylinder 3 aufgebrachte Kraft ein gewünschtes Maß erreicht haben, wird die ausgelenkte Position mit Hilfe des auch in Fig. 2 dargestellten Riegels 6 arretiert. Daraufhin wird der Kolben 4 des Hydraulikzylinders 3 - wie schließlich in Fig. 3 symbolisch dargestellt - zurückgezo­ gen. Danach wird der Riegel 6 gelöst, z. B. in der dargestellten Pfeilrichtung 7 vom Mast 1 weggeschwenkt, so daß der Mast die in Fig. 3 dargestellte Eigenschwingung 8 - annähernd in der Ebene, in der er vorher ausgelenkt war - ausführen kann. Da­ bei soll also das Mittel zum Aufbringen der Biegelast so weit vom Mast 1 wegbe­ wegt werden, daß der Mast auch mit seiner größten Eigenschwingungsamplitude nicht an das Auslenkmittel, z. B. den Stempel 5 anstoßen kann.

Die Bewegung des Mastes 1 kann mit Hilfe einer Meßeinheit 9 aufgenommen wer­ den, die im Ausführungsbeispiel aus einem am Mast 1 befestigten Lasersender 10 und einem am Boden 2 fixierten Laserempfänger 11 besteht. Die Bewegung des Mastes 1 wird mit Hilfe des vom Lasersender 10 ausgehenden Laserstrahls 12 in der Optik des Laserempfängers 11 aufgenommen und über nachgeschaltete Rech­ ner 13, z. B. online, über Draht oder drahtlos auf einen Bildschirm 14 übertragen. Auf dem Bildschirm 14 kann dann die gedämpfte elastische Eigenschwingungskur­ ve 15 des Mastes 1 sichtbar gemacht werden. Hat diese Kurve 15 bei einer Messung wenigstens annähernd den Normalverlauf, z. B. einer gedämpften elastischen- Schwingung, kann man annehmen, daß der geprüfte Mast intakt ist. Zeigen sich in der Kurve 15 jedoch starke Abweichungen dem Normverlauf, muß der Mast näher untersucht werden.

Bei dem Mast 1 nach Fig. 3 wurde eine in Bezug auf die Mastlängsachse symmetri­ sche Massenverteilung angenommen. In Fig. 4 wird ein sogenannter Peitschenmast 21 dargestellt, dessen Massenverteilung in Bezug auf die Mastlängsachse 22 ins­ gesamt unsymmetrisch ist, denn die vom Peitschenmast 21 getragene Leuchte 23 sitzt seitlich in Bezug auf die Längsachse 22. Wenn ein solcher Mast in der Zeich­ nungsebene, also in der Ebene, in der der Mast insgesamt eine unsymmetrische Massenverteilung besitzt, ausgelenkt wird, ergibt sich nach dem Ausführen der an­ hand der Fig. 1 bis 3 beschriebenen Verfahrensschritte etwa dasselbe Schwin­ gungsbild wie in Fig. 3. Wird jedoch der Mast nach Fig. 4 in einer Richtung schräg, insbesondere senkrecht, zu der Zeichnungsebene gemäß Fig. 1 ausgelenkt und dann losgelassen, so wird dem Mast ähnlich wie in Fig. 2 die Möglichkeit gegeben, anfänglich annähernd in dieser Ebene elastisch zurückzuschnellen. Der Mast führt aber nicht nur die Eigenschwingung 8 in einer vertikalen Ebene, sondern zugleich eine Drehschwingung 24 - etwa um die Längsachse 22 - aus.

Wenn im Falle von Fig. 4 wieder die Meßeinheit 9 nach Fig. 3 mit Lasersender 10, Laserempfänger 11, Rechner 13 und Bildschirm 14 benutzt wird, kann sich als Ei­ genschwingungskurve 25 eine Art Spirale ergeben. In Versuchen wurde festgestellt, daß die Form der Kurve 25 empfindlich auf Fehler des jeweiligen Mastes reagiert, d. h., wenn der untersuchte Mast von der vorgeschriebenen Norm abweicht, kann man das fast immer an einer Abweichung der Kurve 25 von ihrer Ideal- bzw. Norm­ form ablesen.

Da also die kombinierte Aufzeichnung einer linearen Eigenschwingung 8 und einer Dreh-Eigenschwingung 24 gute Aussagen über die Qualität eines Mastes ver­ spricht, besteht - auch bei Masten mit an sich symmetrischer Massenverteilung - ein Bedürfnis, die Amplitude von linearer Schwingung 8 und Drehschwingung 24 abhängig von der Größe der anfänglichen Mastauslenkung, d. h. abhängig von der Größe der Biegelast so anzupassen, daß bei einem intakten Mast eine deutlich sichtbare und der Normform gut angepaßte Meßkurve aufgezeichnet wird.

Um Vorstehendes zu erreichen, wird nach Fig. 5 am Mast, in einer Ebene, in der die Unsymmetrie erwünscht ist bzw. ohnehin vorhanden ist, an einem am Mast 1 fixier­ ten Hebel 31 ein in Längsrichtung 32 des Hebels verschiebbares aber in der jeweili­ gen Position zu arretierbares Gewicht 33 angebracht. Senkrecht zu der Ebene (in Fig. 5 Zeichnungsebene), in der der unverdrehbar am Mast 1 befestigte Hebel 31 mit dem Gewicht 33 positioniert ist, wird auf den Mast 1 eine (senkrecht zur Zeich­ nungsebene wirkende)Biegelast zum Erzeugen der anfänglichen Auslenkung aus­ geübt. In Fig. 5 wird die Biegelast durch den am Mast 1 anliegenden Stempel 5 symbolisiert. Wenn die Biegelast im Beispiel von Fig. 5 und eine anfängliche Aus­ lenkung der gewünschten Größe erreicht hat, wird die ausgelenkte Position b (Fig. 1) mit Hilfe des nach Fig. 5 beispielhaft auf den Hebel 31 wirkenden Riegel 6 arre­ tiert. Daraufhin wird der Hydraulikzylinder 3 entlastet und der Stempel 5 um einen Weg größer als die größte Schwingungsamplitude des frei schwingenden Mastes 1 von diesem entfernt. Dann wird der Riegel 6 plötzlich gelöst, so daß der ausgelenk­ te Mast 1 einer in ihm wirkenden elastischen Rückstellkraft frei (ungehindert) folgen und die Eigenschwingungen des Mastes 1 einsetzen können.

Wegen der künstlich unsymmetrischen Massenverteilung des Mastes 1 nach Fig. 5 wird auch dort - wie in Fig. 4 - die lineare Eigenschwingung 8 von einer Dreh­ schwingung 24 überlagert. Die Amplitude der Drehschwingung läßt sich durch die Größe und/oder den Abstand des Gewichts 33 vom Mast 1 vorbestimmen. Wenn ein Mast bereits von Natur aus eine unsymmetrische Massenverteilung hat, wie et­ wa der Peitschenmast nach Fig. 4, kann es sinnvoll sein, die Wirkung des Zusatz­ gewichts 33 zu verkleinern, um eine (bei intaktem Mast) möglichst ideale Normform der Kurve 25 zu erhalten. Wenn dagegen der Mast 1, wie in Fig. 5 dargestellt, an sich eine in Bezug auf seine Längsachse 22 symmetrische Massenverteilung be­ sitzt, kann es sinnvoll sein, die Wirkung des Gewichts 23 möglichst groß einzustel­ len um wiederum (bei intaktem Mast) eine möglichst ideale Normform der Kurve 25 vorzugeben.

Bezugszeichenliste

1

= Mast

2

= Boden

3

= Hydraulikzylinder

4

= Kolben (

3

)

5

= Stempel (

4

)

6

= Riegel

7

= Pfeilrichtung (

Fig.

2

)

8

= lineare Eigenschwingung

9

= Meßeinheit

10

= Lasersender

11

= Laserempfänger

12

= Laserstrahl

13

= Rechner

14

= Bildschirm

15

= Eigenschwingungskurve

21

= Peitschenmast

22

= Längsachse

23

= Leuchte

24

= Drehschwingung

25

= Spiralkurve

31

= Hebel

32

= Längsrichtung (

31

)

33

= Gewicht

Claims (6)

1. Verfahren zum Prüfen der Biegefestigkeit eines stehenden, am Mastfuß im Boden (2) verankerten, elastischen Mastes (1), bei welchem über dem Boden (2) auf den Mast (1) gegen seine elastische Rückstellkraft ein Biegemoment mit Hilfe einer Krafteinheit (3) ausgeübt wird und eine Auslenkung des Ma­ stes (1) mit Hilfe einer Meßeinheit (9) erfaßt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Mast (1) ausgehend von einer durch das Biegemoment bewirkten Auslenkposition (b) in Eigenschwingung (8, 24) versetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mast (1) mit Hilfe einer Arretiereinheit (6) in einer ausgelenkten Position gegen seine ela­ stische Rückstellkraft festgehalten wird, daß dann die Krafteinheit (3) abge­ schaltet und aus dem elastischen Schwingungsbereich des Mastes (1) her­ ausbewegt wird und daß danach dem Mast (1) durch Ausrasten des Arre­ tiermittels (6) die Möglichkeit zum elastischen Zurückschnellen gegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mast (1) mit insgesamt in Bezug auf seine Längsachse (22) unsymmetrischer Massenverteilung durch das plötzliche Entlasten auch in Drehschwingung (24) versetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegemo­ ment etwa senkrecht zu einer Ebene ausgeübt wird, in welcher die Massen­ verteilung unsymmetrisch in Bezug auf die Mastlängsachse (22) ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß einseitig am Mast (1) ein - vorzugsweise betreffend Größe und/oder Mastabstand ve­ ränderbares - Gewicht (33) fixiert wird.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Mast (1) einseitig unverdrehbar fixierter Hebel (31) vorgesehen ist, auf dem ein zum Erzeugen der Drehschwingung (24) ausreichendes Gewicht (33) vorzugsweise in Richtung senkrecht zur Mast­ längsachse (22) verschiebbar, arretiert ist.