DE102005038033A1

DE102005038033A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit von Masten

Info

Publication number: DE102005038033A1
Application number: DE102005038033A
Authority: DE
Inventors: Sven Homburg; Günther Jost
Original assignee: LGA BETEILIGUNGS GmbH
Current assignee: LGA BETEILIGUNGS GmbH
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2007-02-15
Also published as: EP1913356A1; WO2007017090A1; US20080223134A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zur Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit von Masten (11), insbesondere nicht abgespannten Masten (11). Das Verfahren sieht vor, DOLLAR A a) dass die Prüfung dynamisch erfolgt, DOLLAR A b) wobei der Mast (11) durch eine künstlich erzeugte Kraft zu Bewegungen, insbesondere Schwingungen, angeregt wird und DOLLAR A c) wobei die Bewegungen des Mastes (11) durch einen oder mehrere am Mast (11) angeordnete Sensoren (Beschleunigungsaufnehmer) (13, 14), die Beschleunigungswerte an ihrer jeweiligen Position am Mast (11) erfassen, ermittelt werden. DOLLAR A Die Vorrichtung (10) umfasst DOLLAR A a) einen Unwuchterreger (12), der zur Erzeugung einer auf den zu prüfenden Mast (11) einwirkenden Kraft, insbesondere einer periodischen Kraft, an dem Mast (11) angeordnet oder anordenbar ist, insbesondere im oberen Drittel der Masthöhe (h), DOLLAR A b) einen oder mehrere Beschleunigungsaufnehmern (13, 14), die zur Erfassung von Beschleunigungswerten am Mast (11) angeordnet oder anordenbar sind, und DOLLAR A c) eine Auswerteeinrichtung (21) zur Ermittlung der Stand- und/oder Biegefestigkeit des zu prüfenden Mastes (11) und/oder von Qualitätsmängeln des zu prüfenden Mastes (11).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit von Masten, insbesondere nicht abgespannten Masten.
Unter Mast wird dabei allgemein ein länglicher Gegenstand, insbesondere nach Art einer Stange, verstanden, der an einem Längsende, dem Mastfuß, verankert bzw. fixiert ist, während das gegenüberliegende Längsende, die Mastspitze, üblicherweise frei im Raum steht. Die Verankerung bzw. Fixierung des Mastes am Mastfuß erfolgt in der Regel im Boden, beispielsweise in einem Fundament. Der Mast steht dann üblicherweise senkrecht. Es ist aber auch eine Verankerung an einer Wand möglich.
Die zu prüfenden Masten können für beliebige Zwecke eingesetzt sein, beispielsweise als Masten für Strom- oder Telefonleitungen, Bahnmasten, Antennenmasten, Fahnenmasten, Masten von Windenergieanlagen, Laternenmasten und Masten von Ampeln und/oder Verkehrsschildern. Auch können Masten aus allen denkbaren Materialien geprüft werden, beispielsweise aus Holz, Kunststoff, Beton und/oder Metall hergestellte Masten.
Masten weisen üblicherweise einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt auf, es sind aber auch andere Querschnittsformen, beispielsweise eckige (z.B. quadratische oder rechteckige) Querschnitte möglich. Der Durchmesser des Mastes kann über die gesamte Höhe konstant sein, er kann sich aber ebenso entlang des Mastes verändern, insbesondere kann sein Durchmesser ausgehend vom Mastfuß zur Mastspitze hin abnehmen.
Es sind sowohl Masten aus Vollmaterial als auch Masten mit innerem Hohlraum bekannt. Die Masten werden seitlich nach außen von Seitenflächen begrenzt, wobei die Seitenfläche bei runden und ovalen Masten als Mantelfläche bezeichnet werden kann.
Die Verankerung des Mastfußes muss zumeist alleine die Standfestigkeit des Mastes gewährleisten. Als zusätzliche Sicherung ist das Abspannen des Mastes, insbesondere an der Mastspitze, bekannt. Allerdings scheidet diese Sicherungsmaßnahme in vielen Fällen aus, beispielsweise aufgrund von Platzverhältnissen (z.B. in Ortschaften bzw. im Straßenverkehr) oder aufgrund fehlender oder nur aufwendig zu schaffender Fixiermöglichkeiten für Abspannseile bzw. -stangen.
Masten sind fortlaufend Belastungen durch die Witterung, insbesondere Wind, ausgesetzt. Um den auf sie einwirkenden Kräften standzuhalten und nicht umzufallen oder umzuknicken, müssen die Masten, insbesondere die nicht abgespannten Masten, daher eine ausreichende Standfestigkeit und Biegefestigkeit aufweisen. Gerade diese Eigenschaften können sich aber aufgrund zahlreicher Umwelteinflüsse, denen Masten ausgesetzt sind, beispielsweise Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen, Sonnenstrahlung und Industrie- oder Verkehrsemissionen, im Laufe der Zeit verschlechtern, insbesondere aufgrund von Materialermüdung in Mast oder Verankerung (Fundament).
Eine reduzierte Stand- und/oder Biegefestigkeit erhöht das Risiko eines Unfalles aufgrund eines umfallenden oder abknickenden Mastes. Dem kann durch eine regelmäßige Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit vorgebeugt werden. Darüber hinaus kann eine entsprechende Prüfung auch direkt nach der Fertigung bzw. beim Neuaufstellen eines Mastes sinnvoll sein (Nullmessung), um Fertigungs-, Material- und/oder Verankerungsfehler gleich zu Beginn festzustellen.

Aus DE 94 04 664 U1 und EP 0 638 794 B1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Prüfen der Stand- und Biegefestigkeit von Masten bekannt. Dabei wird ein zu prüfender Mast einem variablen Biegemoment ausgesetzt, indem er mit einer oberhalb seiner Verankerung eingeleiteten und im Verlauf des Prüfvorgangs ansteigenden Kraft belastet wird. Mit Sensoren werden zeitgleich die Kraft und die Strecke, um die der Mast an einer ausgewählten Stelle aufgrund des Biegemoments seitlich ausgelenkt wird, gemessen. Aus der Entwicklung des Verhältnisses dieser beiden Werte zueinander bis zu einer Sollprüflast wird darauf geschlossen, ob der Mast eine ausreichende Festigkeit aufweist oder nicht.

Eine Weiterbildung hierzu, mit der ergänzend auch eine Aussage über eine Rissfreiheit oder Rissbehaftung des Mastes erreicht werden soll, ist aus DE 296 07 045 U1 bekannt. Hier werden in den Mast oberhalb seiner Verankerung ansteigende Zug- und Druckkräfte eingeleitet, um den Mast mit entgegengesetzt gerichteten Biegemomenten zu belasten. Aus der Gegenüberstellung der ermittelten Kraft-Weg-Kennlinien im Druckbelastungs- und im Zugbelastungsfall bzw. aus dem Vergleich mit Referenzwerten wird dann auf eine Rissbildung im Mast geschlossen.

Ein vergleichbares Vorrichtung ist aus DE 100 62 795 A1 bekannt.

Diese Verfahren und Vorrichtungen arbeiten grundsätzlich mit einer quasi statischen Kraft, für die als Reaktion des Mastes dessen Auslenkung gemessen wird. Dieser statische Zustand wird nacheinander für verschiedene Kräfte gemessen, so dass sich eine Kraft-Weg-Kennlinie ergibt, die für eine entsprechende Auswertung herangezogen wird. Die in der Praxis auftretende dynamische Reaktion des Mastes auf natürliche Krafteinwirkungen, beispielsweise durch Wind, wird jedoch nicht erfasst und steht somit für eine Auswertung nicht zur Verfügung.

Die in der Praxis auftretende dynamische Belastung des Mastes, d. h. die vektorielle Addition einer externen Kraft, beispielsweise Wind oder Erdbeben, plus den internen Kräften, die sich aus der Eigendynamik des schwingenden Mastes ergeben, wird jedoch nicht erkannt und steht somit für eine Auswertung nicht zur Verfügung.

Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren und Vorrichtungen liegt darin, dass der Mast für die Beurteilung hinsichtlich ausreichender Festigkeit Kräften ausgesetzt werden muss, die den zu erwartenden Maximalbelastungen zumindest entsprechen und sogar deutlich darüber hinaus gehen müssen. Sinnvoll ist beispielsweise eine statische Maximalbelastung mit dem 1,5-fachen der Windlast. Diese künstlichen, statischen Belastungen können zu einer Überlastung des Mastes und damit zu einer Beschädigung des Mastes oder seiner Verankerung (Fundament) führen.

In DE 102 29 448 A1 ist eine Einrichtung zum Kontrollieren der Stabilität eines im Boden verankerten Mastes offenbart, bei der an dem Mast permanent ein Schwingungssensor fixiert ist. Die Schwingungserregung erfolgt dabei ausschließlich durch die natürliche Belastung des Mastes durch Wind und Wetter. Weichen die Schwingungen des Mastes hinsichtlich Frequenz, Amplitude oder Schwingungsform von einer vorgegebenen Norm ab, wird dies als Indiz für einen Mastfehler gewertet. Die Prüfung wird lediglich als Vorprüfung verstanden, die bei entsprechendem Ergebnis Anlass für eine umfassende Kontrolle sein soll.

Der Vorteil der letztgenannten Einrichtung liegt in der Reduzierung der Zahl der zu überprüfenden Masten. Die Ergebnisse sind allerdings lediglich als Indiz zu werten, eine zuverlässige Aussage über die Stand- und Biegefestigkeit kann diese Einrichtung jedoch nicht liefern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit von Masten anzugeben, das bzw. die die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1, hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 30. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sind jeweils aus den abhängigen Ansprüchen.

Das Verfahren zur Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit von Masten, insbesondere nicht abgespannten Masten, nach Anspruch 1 sieht vor,

a) dass die Prüfung dynamisch erfolgt,
b) wobei der Mast durch eine künstlich erzeugte Kraft zu Bewegungen, insbesondere Schwingungen, angeregt wird, und
c) wobei die Bewegungen des Mastes durch einen oder mehrere am Mast angeordnete Sensoren, insbesondere Beschleunigungsaufnehmer, die Messwerte an ihrer jeweiligen Position am Mast erfassen, ermittelt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass für die Auswertung nicht allein statische Werte zur Verfügung stehen, sondern ergänzend vor allem auch das dynamische Verhalten des Mastes erfasst wird und damit auswertbar ist. Dadurch lässt sich die reale Belastung durch natürliche Kräfte, insbesondere Windkräfte, wesentlich besser simulieren. Die bekannte Auswertung anhand einer Kraft-Weg-Kennlinie ist bei diesem Verfahren jedoch ebenso durchführbar, da sich der Weg durch zweifache Integration der ermittelten Mess- bzw. Beschleunigungswerte bestimmen lässt.

Ferner können bei dem dynamischen Verfahren nach der Erfindung ausreichende Ergebnisse mit deutlich geringeren Kräften als bei den statischen Verfahren gewonnen werden, so dass die beim Stand der Technik aufgrund der erforderlichen großen Kräfte gegebene Gefahr der Überbelastung des Mastes und damit die Möglichkeit der Beschädigung des Mastes durch die Prüfung nicht gegeben ist.

Unter dynamischer Prüfung ist hierbei das Erfassen des dynamischen Verhaltens des Mastes bei Anregung durch eine Kraft, d.h. des Bewegungsverhaltens des Mastes, zu verstehen. Dementsprechend wird auch nicht, wie im Stand der Technik, mittels Wegsensoren gearbeitet, sondern bevorzugt mit Beschleunigungsaufnehmern.

Als Beschleunigungsaufnehmer (oder: Beschleunigungsmesser) kommen handelsübliche Geräte in Betracht. Diese arbeiten beispielsweise nach dem Feder-Masse Prinzip, mit mikromechanischen Methoden und kapazitiver Analyse, mit Magnetfeld-Sensoren, mit Drucksensoren oder mit Piezoelektrizität.

Unter künstlich erzeugter Kraft ist, in Abgrenzung zur natürlichen Windkraft, eine gezielte Krafteinwirkung, üblicherweise durch eine hierfür geeignete Vorrichtung, zu verstehen, die auf einen Mast einwirkt. Dadurch ist die Prüfung nicht von zufälligen, natürlich auftretenden Kräften abhängig, sondern kann reproduzierbar durch entsprechende Regelung der künstlich erzeugten Kraft anhand eines vorgegebenen oder vorgebbaren Prüfplans durchgeführt werden. Auch müssen dadurch nicht alle Messungen parallel vorgenommen werden, vielmehr ist aufgrund der Reproduzierbarkeit der Kräfte auch eine Messung von Parametern nacheinander möglich, wobei die Messwerte im nachhinein zu einander in Korrelation gesetzt werden können.

Zweckmäßigerweise werden die Mastbewegungen durch eine sich zeitlich, räumlich bzw. in ihrer Richtung und/oder ihrem Betrag ändernde Kraft angeregt.

Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die Mastbewegungen durch eine sich periodische in ihrer Richtung und/oder ihrem Betrag ändernde Kraft angeregt werden. Sinnvoll ist dabei, wenn die Anregungsfrequenz der Kraft einstellbar ist, insbesondere kontinuierlich. Insbesondere sollte die Einstellbarkeit auch die Erzeugung von Grundwelle (oder: Eigenfrequenzen) und gegebenenfalls auch Oberwellen eines zu prüfenden Mastes umfassen und damit Resonanzanregungen ermöglichen. Dies kann auch automatisch adaptiv erfolgen.

Gemäß einer Weiterbildung kann die die Mastbewegungen anregende Kraft auch ein Kraftimpuls und/oder eine Kraftimpulsfolge sein. Unter Kraftimpuls ist eine kurzfristig Krafteinwirkung, die sofort wieder auf Null bzw. einen kleineren Wert abfällt, zu verstehen. Dadurch lassen sich Windstöße simulieren.

Zweckmäßigerweise liegt die Kraft im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse (oder: Längsmittelachse, Mastlängsachse, Mastachse) des Mastes, insbesondere ist sie radial zu einer Längsachse des Mastes gerichtet. Die künstliche Kraft greift damit wie die natürliche Windkraft seitlich am Mast an.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens läuft die Kraft zirkular um eine Längsachse des Mastes, insbesondere periodisch und/oder mit zeitlich konstantem Kraftbetrag. Eine derartige Kraft ruft eine um die Längsachse im Ruhezustand kreisende Mastbewegung hervor.

Alternativ kann die Kraftrichtung auf einer Geraden senkrecht zu einer Mastlängsachse liegen und der Kraftvektor sich mit der Zeit verändern. Die Mastauslenkung findet dann in einer Ebene parallel zur Mastlängsachse im Ruhezustand statt, die die Mastlängsachse im Ruhezustand auch enthält.

Zweckmäßig kann es auch sein, dass die Kraft torsierend am Mast angreift, insbesondere zumindest hinsichtlich einer Kraftkomponente tangential an einer Seiten- oder Mantelfläche des Mastes angreift. Dadurch wird der Mast in sich um seine Längsachse verdreht. Es ist auch möglich, dass eine Kraft sowohl eine radiale als auch eine tangentiale und damit torsierend wirkende Komponente aufweist.

Bevorzugt wird die auf den Mast einwirkende Kraft von einer Vorrichtung erzeugt, die am Mast angeordnet ist, insbesondere im oberen Drittel der Masthöhe und/oder an einer Außenseite, vorzugsweise einer äußeren Seiten- oder Mantelfläche des Mastes. Eine Anbringung der Vorrichtung im oberen Drittel sorgt für ein Angreifen der künstlich erzeugten Kraft in diesem Bereich und damit aufgrund des Abstandes zum verankerten Mastfuß – im Vergleich zu einer Anbringung im unteren Mastbereich – für eine möglichst große Reaktion des Mastes auf die anregende Kraft. Die Anbringung an der Außenseite bzw. bei runden oder ovalen Masten an der Mantelfläche ist sinnvoll, da dadurch kein aufwendiges Einbringen der Vorrichtung ins Mastinnere nötig ist, was ohnehin nur bei entsprechend ausgebildeten Masten möglich wäre.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, als Vorrichtung zur Krafterzeugung einen Unwuchterreger einzusetzen. Zweckmäßig ist dabei die Verwendung eines Unwuchterregers, dessen Unwucht, die bei entsprechender Bewegung die gewünschten Kräfte erzeugt, im Wesentlichen auf mindestens einer Masse beruht. Bevorzugt werden sogar zwei oder mehrere Massen. Diese Massen werden beim Betrieb des Unwuchterregers, d.h. zur Erzeugung der Kräfte, bewegt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Masse oder die Massen des Unwuchterregers um die Mastlängsachse und/oder um den Mast bewegt wird bzw. werden. Insbesondere sollten die Massen radial außerhalb einer Außenseite oder – bei runden oder ovalen Masten – einer Mantelfläche des Mastes bewegt werden. Die Massen sollten somit den Mast umkreisen, d.h. sich bevorzugt kreisförmig um den Mast bewegen, und zwar in einer Ebene senkrecht zur Mastlängsachse.

Bevorzugt ist auch, dass die Masse oder die Massen durch einen oder mehrere Linearantriebe, insbesondere einen oder mehrere Linearmotoren, angetrieben wird bzw. werden. Ein Linearmotor setzt sich aus einzelnen Elementen (Linear- bzw. Erregerwicklungen) zusammen, die bei entsprechender Anordnung auch eine kreisförmige Bewegung der Massen um den Mast erzeugen können. Beispielsweise kann ein derartiger Linearmotor 256 zu einem Ring angeordnete Elemente aufweisen. Die Masse bzw. Massen bilden unter anderem den Läufer des Linearmotors.

Die Abstandshaltung zwischen Linearwicklung und Läufer erfolgt bevorzugt durch ein elektromagnetisches Schweben, d.h. die Masse oder Massen schweben elektromagnetisch geregelt. Sie haben damit im Betrieb keinen direkten Kontakt zu anderen Komponenten, die Reibungsverluste sind dementsprechend gering.

In einer alternativen Ausführungsform kann der Läufer auch mechanisch geführt sein.

Erzeugen lassen sich die erforderlichen bzw. gewünschten Kräfte beispielsweise durch einen Unwuchterreger, bei dem zwei Massen kreis- oder ellipsenförmig umlaufen. Bei entsprechender Anordnung dieses Unwuchterregers am Mast laufen somit beide Massen kreisförmig oder ellipsenförmig um den Mast bzw. die Mastlängsachse. Realisieren lässt sich ein derartiger Unwuchterreger durch zwei Antriebe, wobei in jedem Antrieb eine der Massen umläuft. Zweckmäßigerweise werden beide Linearantriebe übereinander angeordnet, so dass die Radien der Umlaufbahnen der Massen einander entsprechen. In diesem Fall sollten die beiden Massen einander entsprechen, das heißt unter anderem ein gleiches Gewicht und eine gleiche Form aufweisen. Die Wirkung einer elliptisch umlaufenden Masse lässt sich auch durch eine auf einer Kreisbahn umlaufende zweiteilige Masse bestehend aus einer Ba sismasse und einer Trimmmasse erreichen, wenn der Abstand zwischen Basismasse und Trimmmasse – abgestimmt auf die Umlauffrequenz auf der Kreisbahn – periodisch verändert wird.

Werden beide Massen, die eventuell jeweils zweiteilig umfassend Basis- und Trimmmasse ausgebildet sein können, derart gesteuert, dass sie sich gegenläufig um den Mast bewegen, und zwar mit gleicher Geschwindigkeit auf radial um die Mastachse einander entsprechenden Bahnen, so führt dies zu einer linearen Krafteinwirkung auf den Mast, das heißt die Kraft liegt immer in einer Ebene parallel zur Mastlängsachse. Dies ergibt sich daraus, dass jede Masse für sich eine radial umlaufende Kraft hervorruft. Die vektorielle Addition der von beiden gegenläufig umlaufenden Massen ausgehenden Kräfte ergibt eine variable lineare Kraft, d. h. eine sich periodisch mit der Massenumlauffrequenz verändernde Kraft in einer Ebene parallel zur Mastachse. Dementsprechend wird der Mast zu einer linearen Auslenkbewegung angeregt, d.h. die Mastauslenkung erfolgt in einer Ebene parallel zur Mastlängsachse im Ruhezustand, die die Mastlängsachse im Ruhezustand auch enthält. In dieser Ebene liegen auch die radialen „Begegnungspunkte" der umlaufenden Massen. Da die Massen axial entlang der Mastachse zueinander versetzt um den Mast umlaufen, sind diese „Begegnungspunkte" die Kreuzungspunkte der Massenbahnen, die sich bei axialer Projektion aufeinander ergeben.

Diese Kreuzungspunkte lassen sich durch die Variation der Phasenansteuerung der Antriebe determinieren, so dass eine gewünschte Schwingungsebene elektrisch/elektronisch einstellbar ist. Eine zeitraubende mechanische Verdrehung der Vorrichtung entfällt.

Eine kreisende Mastauslenkbewegung (im Gegensatz zur linearen Auslenkbewegung kreist hier der Mast um die Mastachse im Ruhezustand) lässt sich mit einer derartigen Vorrichtung mit zwei Massen beispielsweise durch eine gleichläufige, d.h. gleichgerichtete Umlaufbewegung, beider Massen hervorrufen, insbesondere durch parallel zueinander umlaufende Massen.

Eine torsierend auf den Mast wirkende Kraft lässt sich erzeugen durch ein Abbremsen und/oder Beschleunigen der Massen, wobei dies sich gleicher maßen mit einem Unwuchterreger mit einer Masse, mit zwei Massen oder mit mehreren Massen durch entsprechende Massensteuerung erreichen lässt.

Nach einer zweckmäßigen Ausführungsvariante des Verfahrens handelt es sich bei den erfassten Mess- bzw. Beschleunigungswerten um horizontale Beschleunigungswerte, die im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zu einer Mastlängsachse ermittelt werden, insbesondere durch am Mast angeordnete und zur Aufnahme seitlicher Bewegungen ausgerichtete Bewegungsaufnehmer, d.h. horizontale Bewegungsaufnehmer. Additiv oder alternativ können aber auch vertikale Beschleunigungswerte erfasst werden, die im Wesentlichen parallel zu einer Mastlängsachse ermittelt werden, insbesondere durch am Mast angeordnete und zur Aufnahme von Längsbewegungen ausgerichtete Beschleunigungsaufnehmer, d.h. vertikale Bewegungsaufnehmer.

Gemäß einer Weiterbildung werden horizontale Beschleunigungswerte in einer oder mehreren über die Masthöhe verteilten Messebenen ermittelt, insbesondere in drei Messebenen, wobei vorzugsweise eine erste Messebene im unteren Drittel der Masthöhe und eine zweite Messebene im mittleren Drittel der Masthöhe und eine dritte Messebene im obersten Drittel der Masthöhe liegt.

Dabei können die Beschleunigungswerte in verschiedenen Messebenen durch Anordnung einer entsprechenden Anzahl von Beschleunigungsaufnehmern parallel ermittelt werden. Alternativ ist es aber ebenso möglich, die Mess- bzw. Beschleunigungswerte verschiedener Messebenen nacheinander zu ermitteln, indem beispielsweise ein Roboter mit Beschleunigungsaufnehmern, der entlang des Mastes verfahrbar (insbesondere selbstfahrend) ist, nacheinander in die jeweiligen Messebene am Mast gefahren wird. Bevorzugt steuert der Roboter die jeweiligen Messebenen selbstgesteuert oder durch eine Steuereinrichtung automatisch gesteuert an. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass an dem Mast keine Hindernisse vorhanden sind, beispielsweise angebrachte Schilder oder außen am Mast verlegte Leitungen. Gegebenenfalls müssen Hindernisse entfernt werden. Alternativ ist auch das Verfahren mittels einer Seilaufhängung möglich.

Nach einer weiteren Verfahrensvariante werden in zumindest einer Messebene, insbesondere in der obersten Messebene, zwei oder mehrere, vorzugsweise vier, Mess- bzw. Beschleunigungswerte ermittelt, wobei die Messpunkte gleichmäßig in der Messebene am Mast verteilt sind. Dies bedeutet, dass bei vier Messwerten in einer Ebene diese hinsichtlich der Mastlängsachse senkrecht zueinander angeordnet sind. Die Mess- bzw. Beschleunigungswerte einer Messebene können durch eine entsprechende Anzahl an Beschleunigungsaufnehmern, d.h. bei vier Messwerten auch vier Beschleunigungsaufnehmer, die hinsichtlich der Mastlängsachse senkrecht zueinander angeordnet werden, parallel ermittelt werden. Die Mess- bzw. Beschleunigungswerte einer Messebene können aber auch nacheinander ermittelt werden, indem beispielsweise am Mast ein Roboter mit einem oder mehreren Beschleunigungsaufnehmern angeordnet wird, der den oder die Beschleunigungsaufnehmer um die Mastlängsachse drehen kann zur Einnahme der verschiedenen Messpositionen innerhalb einer Messebene. Bei diesem Roboter und bei dem vorgenannten, entlang des Mastes verfahrbaren Roboter kann es sich um eine Vorrichtung handeln.

Eine weitere Verfahrensfortbildung sieht vor, dass ein oder mehrere vertikale Mess- bzw. Beschleunigungswerte, insbesondere zwei vertikale Beschleunigungswerte, am oder in der Nähe eines Mastfußes ermittelt werden. Mastfuß ist das (üblicherweise in einem Fundament) verankerte Längsende des Mastes. Zur Ermittlung von zwei vertikalen Beschleunigungswerten werden die Beschleunigungsaufnehmer vorzugsweise an je zwei gegenüberliegenden Seiten des Mastes am oder in der Nähe des Mastfußes angeordnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt Beschleunigungswerte und damit dynamische Messgrößen für Auswertungen zur Verfügung. Durch Vergleich dieser Messgrößen beziehungsweise daraus errechneter Werte untereinander, beispielsweise für verschiedene Messebenen und/oder Auslenkrichtungen, und/oder durch Vergleich mit Referenzwerten, beispielsweise theoretisch errechneten Werten oder Werten aus früheren Messungen, können Rückschlüsse auf die Stand- oder Biegefestigkeit des Mastes gezogen werden. Insbesondere lassen sich folgende Kennwerte des Mastes überprüfen: Fundamentkippen, Verbiegen des Mastes über die Höhe und Torsionsbelastung.

Zur Auswertung sieht das Verfahren in einer Weiterbildung vor, dass

a) durch zweifache Integration der ermittelten horizontalen Beschleunigungswerte die Mastauslenkung in den jeweiligen Messebenen berechnet wird und hieraus eine gemessene (d.h. tatsächliche) Biegelinie des Mastes bestimmt wird,
b) die gemessene Biegelinie mit einer Muster-Biegelinie, insbesondere einer unter Berücksichtigung von anregender Kraft und/oder Mastquerschnitt und/oder Mastmaterial theoretisch ermittelten Biegelinie, verglichen wird, und
c) Abweichungen zwischen gemessener und Muster-Biegelinie festgestellt werden.

Bei der Bestimmung der Muster-Biegelinie kann zusätzlich oder alternativ auch von den Systemeigenschaften des Mastes im Neuzustand (Nullmessung) ausgegangen werden.

In einem weiteren Schritt lassen sich dann aus festgestellten Abweichungen zwischen gemessener und berechneter Biegelinie Qualitätsmängel des Mastes, insbesondere Materialfehler und/oder Einschlüsse und/oder Brüche, erkennen. Damit kann die Biegefestigkeit des Mastes ermittelt und beurteilt werden. Kritisch sind insbesondere erkennbare Nichtlinearitäten im Biegeverhalten.

Zur Auswertung kann auch durch zweifache Integration der ermittelten horizontalen Beschleunigungswerte die Mastauslenkung in den jeweiligen Messebenen berechnet werden und hieraus eine Kraft-Auslenkungs-Kennlinie aufgestellt werden, aus deren Verlauf, insbesondere aus erkennbaren Nichtlinearitäten, Qualitätsmängel des Mastes, insbesondere Materialfehler und/oder Einschlüsse und/oder Brüche, erkannt werden.

Somit ist auch bei dem erfindungsgemäßen dynamischen Verfahren eine Auswertung wie bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik (statische Verfahren) möglich.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass

a) durch zweifache Integration mehrerer horizontaler Beschleunigungswerte, die in einer Messebene ermittelt wurden, Mastauslenkungen in verschiedene Richtungen ermittelt werden, und
b) aus Unterschieden dieser Auslenkungen, insbesondere hinsichtlich des Betrages der maximalen Auslenkung, Qualitätsmängel des Mastes, insbesondere Querschnittsverformungen und/oder Verdrehungen des Mastes, erkannt werden.

Nach einem vorteilhaften weiteren Auswertungsschritt soll

a) durch zweifache Integration der ermittelten vertikalen Beschleunigungswerte, insbesondere von zwei an gegenüberliegenden Mastseiten ermittelten Beschleunigungswerten, die Bewegung der jeweiligen Messpunkte ermittelt werden und
b) aus diesen Bewegungen und dem Abstand der Messpunkte voneinander ein Kippen des Mastes in seiner Verankerung (Fundament) bestimmt werden.

Dadurch kann die Standfestigkeit des Mastes ermittelt und beurteilt werden.

Eine zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass aus der von der Kraft angeregten Bewegung des Mastes bei verschiedenen Anregungsfrequenzen der Frequenzgang, der Dämpfungskoeffizient, insbesondere aus der maximalen Auslenkung des Mastes bei verschiedenen Anregungsfrequenzen, die Eigenfrequenz des Mastes ermittelt wird. Die maximale Auslenkung bei einer bestimmten Anregungsfrequenz kann jeweils mittels einer zweifachen Integration der ermittelten Beschleunigungswerte bestimmt werden.

Nach Anspruch 30 umfasst die Vorrichtung zur Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit von Masten, insbesondere nicht abgespannten Masten, vorzugsweise mittels eines vorstehend beschriebenen dynamischen Verfahrens,

a) einen Unwuchterreger, der zur Erzeugung einer auf den zu prüfenden Mast einwirkenden Kraft, insbesondere einer periodischen Kraft, an dem Mast angeordnet oder anordenbar ist, insbesondere im oberen Drittel der Masthöhe,
b) einen oder mehrere Beschleunigungsaufnehmern, die zur Erfassung von Beschleunigungswerten am Mast angeordnet oder anordenbar sind, und
c) eine Auswerteinrichtung zur Ermittlung der Stand- und/oder Biegefestigkeit des zu prüfenden Mastes und/oder von Qualitätsmängeln des zu prüfenden Mastes.

Die Vorteile dieser Vorrichtung ergeben sich aus den vorstehenden Erläuterungen zum Verfahren.

Bevorzugt beruht die Unwucht des Unwuchterregers im Wesentlichen auf mindestens einer Masse, vorzugsweise auf zwei oder mehreren Massen. Diese Masse oder die Massen ist bzw. sind beim Betrieb des Unwuchterregers bewegt.

Gemäß einer Weiterbildung ist die Masse oder sind die Massen kreisförmig um die Mastlängsachse bewegt, insbesondere außerhalb des Mastes, vorzugsweise radial außerhalb einer Seiten- bzw. Mantelfläche des Mastes.

Zweckmäßigerweise wird die Masse oder werden die Massen durch einen Linearantrieb, insbesondere einen Linearmotor, angetrieben, der beispielsweise aus 256 Elementen (Erregerspulen) insbesondere ringförmig zusammengesetzt ist. Von Vorteil ist auch, wenn die Masse oder die Massen beim Betrieb des Unwuchterregers elektromagnetisch geregelt schwebt oder schweben, d.h. beim Betrieb keinen Kontakt zu anderen Komponenten aufweisen.

Speziell für die oben angesprochenen Verfahrensvarianten, die ein Verfahren von Beschleunigungsaufnehmern in unterschiedliche Messpositionen vorsehen, sollte die Vorrichtung mindestens einen Roboter zur Positionierung der Beschleunigungsaufnehmer und/oder des Unwuchterregers am zu prüfenden Mast umfassen, wobei der Roboter zwei oder mehrere Komponenten, die miteinander verbunden ringförmig um den zu prüfenden Mast gelegt oder legbar sind, und mindestens eine Einrichtung zur Anbringung von Beschleunigungsaufnehmern und/oder Unwuchterreger umfasst. Dabei kann zumindest eine Komponentenverbindung ein Scharnier sein Zweckmäßig ist weiter, wenn der Roboter einen Mechanismus zum Verfahren des Roboters entlang des Mastes umfasst, vorzugsweise einen Mechanismus mit angetriebenen Rädern, die beim Verfahren am Mast anliegen. Die Anbringung der Räder sollte dabei flexibel gestaltet sein, so dass der Roboter an Masten mit verschiedenen Durchmessern eingesetzt werden kann. Auch ermöglicht eine flexible Räderaufhängung ein Fahren des Roboters entlang eines Mastes mit sich entlang der Mastachse änderndem Mastdurchmesser. Dies ist erreichbar durch eine gefederte Räderaufhängung oder durch eine entsprechend steuerbare Räderaufhängung, bei der die Steuerung immer für ein festes Anliegen der Räder am Mast sorgt.

Zweckmäßig ist auch eine Weiterbildung der Vorrichtung, bei der der Roboter einen Mechanismus zum Drehen der Einrichtung zum Anbringen von Beschleunigungsaufnehmern um die Mastlängsachse umfasst. Dadurch können die Beschleunigungsaufnehmer innerhalb einer Messebene automatisch in verschiedenen Messpositionen gebracht werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen
1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung, angeordnet an einem zu prüfenden Mast,
2 schematisch einen Querschnitt bzgl. der Mastlängsachse eines weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung, angeordnet an einem zu prüfenden Mast,
3 ein Ausführungsbeispiel eines Roboters einer Vorrichtung nach der Erfindung in einem nicht am Mast angebrachten Zustand, und
4 den Roboter nach 3 in einem am Mast angebrachten Zustand.
Einander entsprechende Teile und sind in den 1 bis 4 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit von Masten nach der Erfindung, angeordnet an einem zu prüfenden Mast 11. Diese Vorrichtung 10 ist dazu eingerichtet und bestimmt, das erfindungsgemäße Verfahren zur Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit des Mastes 11 durchzuführen.
Der Mast 11 ist ein länglicher Gegenstand mit einer Mast(längs)achse 19. In 1 ist der Durchmesser des Mastes 11 über seine gesamte Länge konstant, es kommt aber ebenso ein Mast mit sich entlang der Mastlänge veränderndem Durchmesser in Betracht. Der Mast 11 weist an einem Längsende eine Mastspitze 15 und an einem der Mastspitze 15 gegenüberliegenden Längsende einen Mastfuß 16 auf. Der Mast 11 ist am Mastfuß 16 in einem Fundament 17 im Boden 18 verankert und ragt senkrecht über dem Boden 18 in die Höhe. Er ist nicht abgespannt, d.h. die Verankerung des Mastfußes 16, im Fundament 17 und im Boden 18 muss eine ausreichende Standfestigkeit des Mastes 11 gewährleisten. Die Höhe der Mastspitze 15 über dem Boden 18 wird als Masthöhe h bezeichnet. Der Mast kann beispielsweise aus Holz, Metall, Beton und/oder Kunststoff bestehen. Er kann im Inneren hohl sein, beispielsweise zur Durchführung von Leitungen, er kann aber ebenso auch ohne Hohlraum ausgebildet sein. Der Durchmesser des Mastes kann rund oder oval sein, es sind aber auch andere Querschnittsformen möglich, beispielsweise quadratische oder rechteckige Querschnitte oder T-förmige oder U-förmige Querschnitte. Nach außen wird der Mast 11 seitlich von einer Seiten- oder Mantelfläche 20 begrenzt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren soll die Standfestigkeit des Mastes 11, d.h. insbesondere die Festigkeit der Verankerung im Boden 18, sowie die Biegefestigkeit des Mastes 11, d.h. seine Elastizität bzw. Stabilität gegen eine Beschädigung bei Belastung, geprüft werden.
Hierzu ist in 1 in stilisierter Form die Anordnung verschiedene Komponenten der Vorrichtung 10 gezeigt. Die Vorrichtung 10 umfasst, wie in 1 schematisch dargestellt, einen Unwuchterreger 12, der zur Erzeugung einer auf den zu prüfenden Mast 11 einwirkenden Kraft, insbesondere einer periodischen Kraft, bestimmt ist. Der Unwuchterreger 12 ist im oberen Drittel der Masthöhe h an dem Mast 11 angeordnet.
Die Unwucht des Unwuchterregers 12 beruht gemäß einer ersten Variante auf einer Masse (nicht dargestellt). Diese Masse umkreist beim Betrieb des Unwuchterregers 12 innerhalb des Unwuchterregers 12 den Mast 11, d.h. die Masse läuft kreisförmig (oder ellipsenförmig) um die Mastachse 19, und zwar radial außerhalb der Seiten- oder Mantelfläche 20 des Mastes 11. Dies führt zu einer kreisenden (oder ellipsenförmigen) Bewegung des Mastes 11 um die Mastachse 19 im Ruhezustand des Mastes 11, d.h. die kreisende Masse übt zunächst eine Radialkraft auf den Mast 11 aus, die zu einer Mastauslenkung führt, und weiter kreist diese Auslenkungskraft aufgrund der kreisenden Masse um die Mastachse, so dass sich insgesamt die kreisende Auslenkbewegung des Mastes 11 ergibt. Der Mast 11 wird somit durch die künstlich erzeugte Kraft, die von der Unwucht des Umwuchterreger 12 ausgeht, in Verbindung mit seinen Eigenkräften zu Bewegungen, insbesondere Schwingungen, angeregt, deren Erfassung den Kern des Prüfungsverfahrens darstellt.
Die Bewegung der Masse erfolgt durch einen Linearmotor (nicht dargestellt), dessen einzelne Elemente (Linear- oder Erregerwicklungen) kreis- oder ellipsenförmig im Unwuchterreger 12 angeordnet sind, um eine kreis- oder ellipsenförmige Bewegung zu ermöglichen. Hierzu können beispielsweise 256 Elemente verwendet werden. Die Masse schwebt beim Betrieb des Unwuchterregers 12 elektromagnetisch geregelt innerhalb des Unwuchterregers 12, insbesondere innerhalb der einzelnen Elemente.
Nach einer zweiten, bevorzugten Variante beruht die Unwucht des Unwuchterregers 12 im Wesentlichen auf zwei einander entsprechenden, d.h. gleiche Form aufweisenden und aus gleichen Materialien bestehenden Einheiten (Massen, nicht dargestellt). Diese Massen umkreisen beim Betrieb des Unwuchterregers 12 innerhalb des Unwuchterregers 12 den Mast 11, d.h. die Massen laufen kreisförmig (oder ellipsenförmig) um die Mastachse 19, und zwar radial außerhalb der Seiten- oder Mantelfläche 20 des Mastes 11. Die Bewegungsebenen der beiden Massen sind dabei axial entlang der Mastachse 19 zueinander versetzt, weisen jedoch im Wesentlichen den gleichen radialen Abstand zur Mastachse auf. Bei einer parallelen Bewegung der Massen führt dies wie bei nur einer Masse zu einer kreisenden Bewegung des Mastes 11 um die Mastachse 19 im Ruhezustand des Mastes 11. Bei einer gegenläufigen Bewegung der Massen ergibt sich jedoch eine lineare Bewegung des Mastes 11, d.h. der Mast schwingt in einer Ebene parallel zur Mastachse 19 im Ruhezustand. Der Mast 11 lässt sich somit durch die künstlich durch diesen Unwuchterreger 12 erzeugte Kraft auch zu linearen Bewegungen, insbesondere Schwingungen, anregen.
Auch bei der zweiten Variante erfolgt die Bewegung der Masse durch Linearmotoren (nicht dargestellt), in diesem Fall jedoch durch zwei Linearmotoren, für jede Masse einen. Die Linearmotoren sind im Umwuchterreger derart angeordnet, dass sie im Betriebszustand am Mast übereinander liegen (bezogen auf die Mastachse). Die einzelnen Elemente (Linear- oder Erregerwicklungen) jedes Unwuchterregers sind wiederum kreis- oder ellipsenförmig im Unwuchterreger 12 angeordnet, um eine kreis- oder ellipsenförmige Bewegung der Massen zu ermöglichen.
Mit beiden Varianten des Unwuchterregers lässt sich eine torsierend auf den Mast wirkende Kraft erzeugen, indem die Masse oder Massen in geeigneter Weise durch die Linearmotoren abgebremst und/oder beschleunigt werden.
Zur Vorrichtung 10 gehören ferner mehrere Beschleunigungsaufnehmer 13, 14 zur Erfassung von Beschleunigungswerten des Mastes 11. Diese sind über die Masthöhe h verteilt am Mast 11 angeordnet. Konkret sitzt hierzu entlang einer Linie parallel zur Mastachse 19 mindestens je zwei horizontale Beschleunigungsaufnehmer 13 im untersten Drittel, im mittleren Drittel und im obersten Drittel (nahe der Mastspitze 15) der Masthöhe h der Mastes 11. In einer Ebene senkrecht zur Mastachse 19 sind auf Höhe des obersten horizontalen Beschleunigungsaufnehmers 13 zwei weitere horizontale Beschleunigungsaufnehmer 13, jeweils zueinander an der Seiten- bzw. Mantelfläche um 90° versetzt, angeordnet (in 1 ein Beschleunigungsaufnehmer verdeckt auf der Mastrückseite). Unter der Bezeichnung „horizontale Beschleunigungsaufnehmer" ist hierbei zu verstehen, dass diese Beschleunigungsaufnehmer 13 derart am Mast 11 angeordnet sind, dass sie eine Beschleunigung des Mastes 11 in (im Wesentlichen) horizontaler Richtung erfassen.
Am Mastfuß 16 sind ferner einander gegenüberliegend an der Seiten- oder Mantelfläche 20 des Mastes 11 drei, bevorzugt vier jeweils um 90° versetzte vertikale Beschleunigungsaufnehmer 14 angeordnet, die eine (im Wesentlichen) vertikale Bewegung des Mastes 11, d.h. eine Bewegung (im Wesentlichen) parallel zur Mastachse 19, erfassen.
Schließlich gehört zur Vorrichtung 10 auch eine Auswerteinrichtung 21, die in 1 symbolisch dargestellt ist. Der Auswerteinrichtung 21 kann auch die Steuerung bzw. Regelung der gesamten Vorrichtung 10 zugeordnet sein, so dass es sich dann um eine Steuer- und Auswerteinrichtung 21 handelt. Auch kann auf eine Auswertung der Prüfung vor Ort verzichtet werden, so dass es sich in diesem Fall lediglich um eine Erfassungseinrichtung 21 für die Messwerte bzw. um eine Steuer- und Erfassungseinrichtung 21 handelt.
Die einzelnen Komponenten der Vorrichtung können zur Übertragung insbesondere von Steuerbefehlen und/oder Messwerten über Kabel miteinander verbunden sein, es ist aber auch eine Funkübertragung möglich. Die Energieversorgung der einzelnen Komponenten kann jeweils autark über Batterien oder Akkumulatoren erfolgen oder über Kabelverbindungen von einer zentralen Energiequelle ausgehend.
Mit der Vorrichtung 10 lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit von Masten 11, insbesondere nicht abgespannten Masten 11, durchführen.
Hierzu wird der Mast 11 im obersten Drittel der Masthöhe h durch die Unwucht des Unwuchterregers 12 zum Schwingen angeregt. Die horizontalen Beschleunigungsaufnehmer 13 ermitteln die Beschleunigungswerte (Beschleunigungssignale) an ihren jeweiligen Positionen (Messpunkten) am Mast 11 und geben diese zur Aufzeichnung und/oder Auswertung an die Erfassungs- und/oder Auswerteinrichtung 21 weiter.
Hinsichtlich der Auswertung lässt sich beispielsweise durch zweifache Integration der Beschleunigungssignale die Auslenkung des Mastes in den verschiedenen Ebenen berechnen und so eine gemessene Biegelinie des Mastes 11 ermitteln. Durch den Vergleich dieser gemessenen Biegelinie mit einer insbesondere für die aufgebrachte Last (d.h. die von dem Unwuchterreger 12 angeregte Krafteinwirkung auf den Mast 11), den speziellen Querschnitt des Mastes 11 und das Mastmaterial berechneten Biegelinie kann auf die Materialgüte des Mastes 11 geschlossen werden und es können Materialfehler, Einschlüsse und Brüche erkannt werden.
Ergibt die Auswertung der ermittelten Werte kritische bzw. unsichere Ergebnisse für eine bestimmte Auslenkrichtung des Mastes 11, so ermöglicht die Vorrichtung 10 durch entsprechende Anordnung der Beschleunigungsaufnehmer 13 (gegebenenfalls auch 14) eine nochmalige gezielte und eventuell auch detailliertere Untersuchung dieser Auslenkrichtung.
Die Anordnung von vier Beschleunigungsaufnehmern 13 in einer Ebene im obersten Drittel der Masthöhe h liefert ebenfalls durch zweifache Integration Angaben über Auslenkungen des Mastes 11, die sich nicht nur in ihrer Richtung, sondern auch in ihrem Betrag unterscheiden können. Diese Auswertung ermöglicht Rückschlüsse auf Querschnittsverformungen und Verdrehungen des Mastes, die so dokumentiert und insbesondere unter Heranziehung von Materialkennwerten bewertet werden können.
Die Messwerte der Anordnung der vier vertikalen Beschleunigungsaufnehmer 14 an je zwei gegenüberliegenden Seiten des Mastfußes ermöglichen durch Berechnung der Wege (wiederum durch zweifache Integration) und unter Berücksichtigung des Abstandes der vertikalen Beschleunigungsaufnehmer 14 die Ermittlung eines Kippens des Fundamentes 17. Dadurch lässt sich die Wahrscheinlichkeit eines Umkippen des Mastes 11 beurteilen, d.h. die Standfestigkeit des Mastes 11.
Schließlich kann durch Variation der Umdrehungsgeschwindigkeit der Unwucht (der Masse) der Frequenzgang, der Dämpfungskoeffizient sowie die maximale Auslenkung des Mastes 11 und damit die Eigenfrequenz des Mastes 11 ermittelt werden. Diese Frequenz stellt den kritischen Fall bei Windanregung dar. Daher darf die Windanregung diese Eigenfrequenz des Mastes 11 nicht erregen, die (ermittelte) Eigenfrequenz des Mastes 11 muss daher außerhalb eines kritischen Frequenzbereichs liegen. Andernfalls sind gege benenfalls Anpassungsmaßnahmen zur Änderung der Eigenfrequenz des Mastes erforderlich.
Das beschriebene Prüfverfahren hat den Vorteil, dass der Verlauf der Biegelinie im elastischen Bereich des Materials proportional der Belastung ist und daher bei der Anregung mit kleinen Unwuchten und damit mit geringen Kräften gearbeitet werden kann. Es besteht somit nicht die Gefahr der Überbelastung des Mastes, so dass die Wahrscheinlichkeit der Beschädigung des Mastes durch die Prüfung gering ist, jedenfalls deutlich geringer als bei den aus dem Stand der Technik bekannten und eingangs erläuterten Verfahren, die eine Mastbelastung erfordern, die deutlich über der zu erwartenden natürlichen Maximalbelastung durch Wind liegt.
Die beschriebene Vorrichtung ist besonders geeignet für runde und/oder ovale Masten mit einem Durchmesser von maximal 50 cm, insbesondere von maximal 30 cm.
2 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Unwuchterregers 12 im Querschnitt bzgl. der Mastlängsachse, angeordnet an einem zu prüfenden Mast 11. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Masse des Unwuchterregers 12 eine Basismasse 28 und eine Trimmmasse 29, wobei der maßgebliche radiale Abstand δ in der Projektion auf eine zur Mastlängsachse senkrechten Ebene zwischen Basismasse 28 und Trimmmasse 29 mittels einer Abstandseinstellkomponente 30 eingestellt werden kann. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass eine für das Prüfungsverfahren angepasste Kraft durch einen Benutzer eingestellt oder auch während des Prüfungsverfahrens verändert werden kann.
Die Basismasse 28 bewegt sich bei der vorliegend dargestellten Ausführungsform auf einer Kreisbahn 31. Gleichzeitig ist es möglich, den Abstand δ der Trimmmasse 29 zur Basismasse 28 abgestimmt auf die Umlauffrequenz der Basismasse 28 so zu verändern, dass trotz kreisförmiger Umlaufbahn der Basismasse 28 eine elliptisch verteilte Krafteinwirkung entsteht, also der Effekt einer einzigen auf einer elliptischen Bahn umlaufenden Masse erzielt wird.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Roboters 22 einer Vorrichtung 10 nach der Erfindung, und zwar in einem nicht an einem Mast 11 angebrachten Zustand, d.h. vor oder nach eine Anbringung am Mast 11. 4 zeigt diesen Roboter 22 in einem am Mast 11 angebrachten Zustand. Der Vergleich von 3 und 4 zeigt, dass der Roboter 22 aus mehreren Komponenten besteht, die zum Anbringen am Mast 11 miteinander verbunden werden und zum Abnehmen des Roboters 22 vom Mast 11 wieder voneinander gelöst werden. Hierzu können auch Scharnierverbindungen vorgesehen sein, so dass die einzelnen Komponenten des Roboters 22 auch im abgenommenen Zustand miteinander verbunden sind.
Der Roboter 22 umfasst ein Basisgestell 23, das in einem an einem Mast 11 angebrachten Zustand ringförmig ausgebildet ist und somit den Mast 11 ringförmig umgibt. An dem Basisgestell 23 sind mehrere Räder 24 über Aufhängungen 25 angebracht. Die Räder 24 liegen (im angebrachten Zustand des Roboters 22) auf einem Kreis um die Mastachse. Die Position der Räder ist über ihre Aufhängungen 25 verstellbar, so dass sich der Radius der Kreisanordnung der Räder 24 verstellen lässt. Dadurch kann der Roboter 22 an verschiedene Mastdurchmesser angepasst werden.
Im angebrachten Zustand (4) sind die Positionen der Räder 24 derart eingestellt, dass die Räder 24 am Mast 11 anliegen. Die Oberfläche der Räder 24 weist eine hohe Reibung auf, über die der Roboter während des Fahrens am Mast 11 gehalten wird. Die Arretierung in der Messposition erfolgt durch Arretierungsmittel, insbesondere Arretierungsspindeln, bevorzugt 3. Die Arretierungsmittel bewirken eine möglichst ungedämpfte Einkopplung der Arretierungskräfte.
Die Räder lassen sich über einen Antrieb 26 drehen, so dass sich der Roboter 22 entlang des Mastes auf und ab verfahren lässt, und zwar selbstfahrend. Über die Aufhängung 25 kann gegebenenfalls eine Anpassung an einen sich ändernden Mastdurchmesser erfolgen.
Auf dem Roboter 22 können Messeinrichtungen, beispielsweise Beschleunigungsaufnehmer angebracht werden. Diese können dann vom Roboter 22 in die gewünschten Messebenen gefahren werden. Auch die Anbringung eines Unwuchterregers auf dem Roboter 22 ist möglich.
Insgesamt ist somit ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung der Festigkeit von Masten, insbesondere nicht abgespannten Masten, vorgeschlagen, mit dem bzw. der sich insbesondere folgende Kennwerte eines Mastes überprüfen lassen: Fundamentkippen, Verbiegen des Mastes über die Höhe und Torsionsbelastung, Frequenzgang, Resonanzkoeffizient und Resonanzfrequenz.

10: Vorrichtung
11: Mast
12: Unwuchterreger
13: horizontale Beschleunigungsaufnehmer
14: vertikale Beschleunigungsaufnehmer
15: Mastspitze
16: Mastfuß
17: Fundament
18: Boden
19: Mast(längs)achse
20: Seiten- oder Mantelfläche
21: Auswert- und/oder Steuer- und/oder Erfassungseinrichtung
22: Roboter
23: Basisgestell
24: Räder
25: Aufhängung
26: Antrieb
27: Arretierungsmittel
28: Basismasse
29: Trimmmasse
30: Abstandseinstellkomponente
31: Kreisbahn
h: Masthöhe
δ: Abstand zwischen Basismasse und Trimmmasse

Claims

Verfahren zur Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit von Masten (11), insbesondere nicht abgespannten Masten (11), a) bei dem die Prüfung dynamisch erfolgt, b) wobei der Mast (11) durch eine künstlich erzeugte Kraft zu Bewegungen, insbesondere Schwingungen, angeregt wird, und c) wobei die Bewegungen des Mastes (11) durch einen oder mehrere am Mast (11) angeordnete Sensoren, insbesondere Beschleunigungsaufnehmer (13, 14), die Mess- bzw. Beschleunigungswerte an ihrer jeweiligen Position am Mast (11) erfassen, ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mastbewegungen durch eine sich zeitlich in ihrer Richtung und/oder ihrem Betrag ändernde Kraft angeregt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mastbewegungen durch eine sich periodische in ihrer Richtung und/oder ihrem Betrag ändernde Kraft angeregt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Anregungsfrequenz der Kraft einstellbar ist, insbesondere kontinuierlich.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die die Mastbewegungen anregende Kraft ein Kraftimpuls und/oder eine Kraftimpulsfolge ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kraft im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse (19) des Mastes (11) liegt, insbesondere radial zu einer Längsachse (19) des Mastes (11) gerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kraft zirkular oder elliptisch um eine Längsachse (19) des Mastes (11) umläuft, insbesondere periodisch und/oder mit zeitlich konstantem Kraftbetrag.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Kraftrichtung konstant auf einer Geraden senkrecht zu einer Mastlängsachse (19) liegt und der Kraftvektor sich mit der Zeit verändert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kraft torsierend am Mast (11) angreift, insbesondere zumindest hinsichtlich einer Kraftkomponente tangential an einer Seiten- oder Mantelfläche (20) des Mastes angreift.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die auf den Mast (11) einwirkende Kraft von einer Vorrichtung (12) erzeugt wird, die am Mast (10) angeordnet ist, insbesondere im oberen Drittel der Masthöhe (h) und/oder an einer Außenseite, vorzugsweise einer äußeren Seiten- oder Mantelfläche (20) des Mastes (11).
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Vorrichtung ein Unwuchterreger (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Unwucht des Unwuchterregers (12) im Wesentlichen auf mindestens einer Masse beruht, vorzugsweise auf zwei oder mehreren Massen, und diese Masse oder Massen beim Betrieb des Unwuchterregers (12) bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Masse oder die Massen um die Mastlängsachse (19) und/oder den Mast (11) bewegt wird bzw. werden, insbesondere radial außerhalb einer Außenseite oder Mantelfläche (20) des Mastes (11) und/oder vorzugsweise kreisförmig.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Masse oder die Massen durch einen oder mehrere Linearantriebe, insbesondere einen oder mehrere Linearmotoren, angetrieben wird bzw. werden.
Verfahren nach einem Ansprüche 12 bis 14, bei dem die Masse oder die Massen elektromagnetisch geregelt schwebt bzw. schweben oder mechanisch geführt ist bzw. sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich bei den erfassten Messwerten bevorzugt um horizontale Beschleunigungswerte handelt, die im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zu einer Mastlängsachse (19) ermittelt werden, und/oder um vertikale Beschleunigungswerte, die im Wesentlichen parallel zu einer Mastlängsachse (19) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem horizontale Beschleunigungswerte in einer oder mehreren über die Masthöhe (h) verteilten Messebenen ermittelt werden, insbesondere in drei Messebenen, wobei vorzugsweise eine erste Messebene im unteren Drittel der Masthöhe (h) und eine zweite Messebene im mittleren Drittel der Masthöhe (h) und eine dritte Messebene im obersten Drittel der Masthöhe (h) liegt.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem Beschleunigungswerte in verschiedenen Messebenen durch Anordnung einer entsprechenden Anzahl von Beschleunigungsaufnehmern (13, 14) parallel ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem Beschleunigungswerte verschiedener Messebenen nacheinander ermittelt werden, insbesondere indem ein Roboter (22) mit Beschleunigungsaufnehmern, der entlang des Mastes (11) verfahrbar ist, nacheinander in die jeweiligen Messebene am Mast (11) gefahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem in zumindest einer Messebene, insbesondere in der obersten Messebene, zwei oder mehrere, vorzugsweise vier, Beschleunigungswerte ermittelt werden, wobei die Messpunkte gleichmäßig in der Messebene am Mast (11) verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Beschleunigungswerte einer Messebene durch eine entsprechende Anzahl an Beschleunigungsaufnehmern (13, 14) parallel ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Beschleunigungswerte einer Messebene nacheinander ermittelt werden, insbesondere indem am Mast ein Roboter (22) mit einem oder mehreren Beschleunigungsauf nehmern angeordnet wird, der den oder die Beschleunigungsaufnehmer um die Mastlängsachse drehen kann zur Einnahme der verschiedenen Messpositionen innerhalb einer Messebene.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein oder mehrere vertikale Beschleunigungswerte, insbesondere zwei vertikale Beschleunigungswerte, am oder in der Nähe eines Mastfußes (16) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Anspruch 16, bei dem a) durch zweifache Integration der ermittelten horizontalen Beschleunigungswerte die Mastauslenkung in den jeweiligen Messebenen berechnet und hieraus eine gemessene Biegelinie des Mastes (11) bestimmt wird, b) die gemessene Biegelinie mit einer Muster-Biegelinie, insbesondere einer unter Berücksichtigung von anregender Kraft und/oder Mastquerschnitt und/oder Mastmaterial theoretisch ermittelten Biegelinie oder einer Nullmessung, verglichen wird, und c) Abweichungen zwischen gemessener und Muster-Biegelinie, insbesondere theoretisch ermittelter Biegelinie bzw. Nullmessung, festgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem aus festgestellten Abweichungen zwischen gemessener und berechneter Biegelinie Qualitätsmängel des Mastes (11), insbesondere Materialfehler und/oder Einschlüsse und/oder Brüche, erkannt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Anspruch 16, bei dem durch zweifache Integration der ermittelten horizontalen Beschleunigungswerte die Mastauslenkung in den jeweiligen Messebenen berechnet wird und hieraus eine Kraft-Auslenkungs-Kennlinie aufgestellt wird, aus deren Verlauf Qualitätsmängel des Mastes (11), insbesondere Materialfehler und/oder Einschlüsse und/oder Brüche, erkannt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 20, bei dem a) durch zweifache Integration mehrerer horizontaler Beschleunigungswerte, die in einer Messebene ermittelt wurden, Mastauslenkungen in verschiedene Richtungen ermittelt werden, und b) aus Unterschieden dieser Auslenkungen, insbesondere hinsichtlich des Betrages der maximalen Auslenkung, Qualitätsmängel des Mastes (11), insbesondere Querschnittsverformungen und/oder Verdrehungen des Mastes (11), erkannt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 23, bei dem a) durch zweifache Integration der ermittelten vertikalen Beschleunigungswerte, insbesondere von zwei an gegenüberliegenden Mastseiten ermittelten Beschleunigungswerten, die Bewegung der jeweiligen Messpunkte ermittelt wird und b) aus diesen Bewegungen und dem Abstand der Messpunkte voneinander ein Kippen des Mastes (11) in seiner Verankerung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 4, bei dem aus der von der Kraft angeregten Bewegung des Mastes (11) bei verschiedenen Anregungsfrequenzen, insbesondere aus der maximalen Auslenkung des Mastes (11) bei verschiedenen Anregungsfrequenzen der Frequenzgang, der Dämpfungskoeffizient und/oder die Eigenfrequenz des Mastes (11) ermittelt wird.
Vorrichtung (10) zur Prüfung der Stand- und/oder Biegefestigkeit von Masten (11), insbesondere nicht abgespannten Masten (11), vorzugsweise mittels eines dynamischen Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend a) einen Unwuchterreger (12), der zur Erzeugung einer auf den zu prüfenden Mast (11) einwirkenden Kraft, insbesondere einer periodischen Kraft, an dem Mast (11) angeordnet oder anordenbar ist, insbesondere im oberen Drittel der Masthöhe (h), b) einen oder mehrere Beschleunigungsaufnehmern (13, 14), die zur Erfassung von Beschleunigungswerten am Mast (11) angeordnet oder anordenbar sind, und c) eine Auswerteinrichtung (21) zur Ermittlung der Stand- und/oder Biegefestigkeit des zu prüfenden Mastes (11) und/oder von Qualitätsmängeln des zu prüfenden Mastes (11).
Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der die Unwucht des Unwuchterregers (12) im Wesentlichen auf mindestens einer Masse beruht, vorzugsweise auf zwei oder mehreren Massen, und diese Masse oder Massen beim Betrieb des Unwuchterregers (12) bewegt ist oder sind.
Vorrichtung nach Anspruch 31, bei der die Masse oder die Massen kreisförmig um die Mastlängsachse (19) bewegt ist bzw. sind.
Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, bei der die Masse oder Massen durch einen Linearantrieb, insbesondere einen Linearmotor, angetrieben ist bzw. sind.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 31 bis 33, bei der die Masse oder Massen beim Betrieb des Unwuchterregers (12) elektromagnetisch geregelt schwebt bzw. schweben oder mechanisch geführt ist bzw. sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 35, ausgebildet und bestimmt zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 19 und/oder Anspruch 22, umfassend mindestens einen Roboter (22) zur Positionierung der Beschleunigungsaufnehmer (13, 14) und/oder des Unwuchterregers (12) am zu prüfenden Mast (11), wobei der Roboter zwei oder mehrere Komponenten, die miteinander verbunden ringförmig um den zu prüfenden Mast (11) gelegt oder legbar sind, und mindestens eine Einrichtung zur Anbringung von Beschleunigungsaufnehmern (13, 14) und/oder Unwuchterreger (12) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei der Roboter (22) einen Mechanismus zum Verfahren des Roboters (22) entlang des Mastes umfasst, vorzugsweise einen Mechanismus mit angetriebenen Rädern (24), die beim Verfahren am Mast (11) anliegen.
Vorrichtung nach Anspruch 35 oder 36, wobei der Roboter (22) einen Mechanismus zum Drehen der Einrichtung zum Anbringen von Beschleunigungsaufnehmern (13, 14) und/oder Unwuchterreger (12) um die Mastlängsachse (19) umfasst.