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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von langgestreckten
Profilen, insbesondere Fertigteilpfählen, mit einem Kopfende
und einem Fußende in einen Baugrund, wobei das Profil an
seinem Kopfende Rammschlägen und/oder Vibrationen mit einer
Auflast ausgesetzt wird, und eine Anordnung zum Einbringen von Profilen,
insbesondere Fertigteilpfählen, in einen Baugrund, mit
einer Einbringvorrichtung, insbesondere Rammvorrichtung oder Vibrationsvorrichtung,
sowie wenigstens einem in den Baugrund einzubringenden Profil mit
einem Kopfende und einem Fußende.
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Langgestreckte
Profile werden in Form von Pfählen, insbesondere Fertigteilpfählen,
zur Gründung von Bauwerken eingesetzt, wenn der Baugrund für
eine Oberflächengründung nicht ausreichend tragfähig
ist. Ferner werden langgestreckte Profile als Spundwände
zur vertikalen Abtrennung bei Bauwerken, auch Wasserbauwerken, verwendet.
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Das
Einbringen dieser langgestreckten Profile in den Baugrund erfolgt
im Wesentlichen durch Rammen oder Vibrieren. Zwar haben Betonfertigteilpfähle
durch ihre Vorfertigung im Betonwerk eine gleichmäßig
hohe Qualität, gleichwohl treten beim Einbringen in den
Baugrund erhebliche Kräfte im Pfahl auf. Ebenso weisen
zwar Spundwandprofile eine hohe elastische Festigkeit auf, gleichwohl
tritt bei erhöhter Schlossreibung zweier ineinander gekoppelter
Profile die Gefahr einer Schlosssprengung auf. Bei dicht gelagerten
Schichten erhöht sich die Spitzenbelastung am Profil erheblich.
Schichten aus Kies, Steinen oder Blöcken bilden ebenfalls
ein starkes Hindernis. Treten weiche Schichten unter dicht gelagerten
Schichten auf, besteht die Gefahr von übermäßigen
Zugspannungen im Profil während der Einbringung. Singuläre
Ereignisse im Untergrund, wie beispielsweise Findlinge oder alte
Bausubstanz wie Kanäle, Tunnel, Bunker oder dergleichen
führen zu plötzlich auftretenden Punktlasten,
die häufig zu einer Zerstörung des einzubringenden
Profils führen.
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Bisher
erfolgt eine Anpassung der Parameter zum Einbringen der Profile
lediglich intuitiv durch den Geräteführer der
Einbringvorrichtung. Bei einer Rammvorrichtung wird vom Geräteführer
die Fallhöhe des Rammgewichts nach seinen Erfahrungen und den
Vorgaben der Bauleitung gewählt. Die Unversehrtheit des
Profils wird nach dem Einbringen meist nicht geprüft.
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Ferner
ist insbesondere bei Pfählen mit Pfahlaufweitungshülse
gemäß
deutscher
Patentanmeldung 10 2005 029 364 ein die aufweitbare Hülse schonende
Einbringung bis zur gewünschten Solltiefe zwingend erforderlich,
um ein vorzeitiges Spreizen der Pfahlaufweitungshülse sicher
zu vermeiden.
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Im
Stand der Technik ist lediglich bekannt, stichprobenartig mittels
dynamischer Integritätsprüfung nach Fertigstellung
des Einbringvorganges das eingebrachte Profil zu prüfen.
Bei einer Spundwandherstellung kann unter günstigen Bedingungen
aus den Rammprotokollen eine Schlosssprengung erkannt werden. Eine
unmittelbare Beeinflussung der Einbringparameter beim Einbringvorgang
ist nicht bekannt.
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Bei
einer nachträglichen Abnahmeprüfung eines eingebrachten
Pfahls kann dann zwar festgestellt werden, ob das Profil die geforderte
Tragfunktion erzielt, jedoch kann sich dabei herausstellen, dass der
Pfahl noch tiefer gerammt werden muss oder im anderen Fall, der
Pfahl unnötig tief gerammt worden ist. Hierbei ist zu berücksichtigen,
dass der Baugrund häufig starken räumlichen Schwankungen
in seiner Art, Zusammensetzung und seinen physikalischen Eigenschaften
unterliegt, die im Rahmen der Baugrunderkundung nicht zutreffend
erfasst werden können.
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Für
die statische Tragfähigkeit eines eingebrachten Profils
sind lediglich empirisch abgeleitete Rammformeln auf der Basis der
letzten Hitzen (Rammschläge) bekannt. Für die
Einbringung mittels Vibration gibt es hingegen keine Kriterien,
mit denen auf die statische Tragfähigkeit derartig eingebrachter Profile
geschlossen werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, Beschädigungen am einzubringenden
Profil während des Einbringvorgangs zu vermeiden und Feststellungen treffen
zu können, wann die mindestens erforderliche statische
Tragfunktion des Profils erreicht wird.
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Gelöst
wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch
1 und einer Anordnung gemäß Anspruch 11.
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Dadurch,
dass beim Einbringvorgang die dynamische Beanspruchung am Profil
gemessen wird und aus der gemessenen dynamischen Beanspruchung Regelgrößen
für den Einbringvorgang hergeleitet werden, kann während
des Einbringvorgangs aus den Messwerten der dynamischen Beanspruchung
am Profil der Einbringvorgang schonend für das einzubringende
Profil geregelt werden. Ferner liefern die Messdaten Informationen,
die zur Prüfung der statischen Tragfunktion beim Einbringvorgang
simultan abgeleitet werden können. Durch die beim Einbringvorgang
simultan erfassten Messwerte können somit die Einbringparameter
geregelt sowie ein Abbruchkriterium ermittelt werden.
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Vorrichtungsgemäß wird
dies so gelöst, dass ein oder mehrere Messaufnehmer am
Profil zum Messen der dynamischen Beanspruchung des Profils beim
Einbringen angeordnet sind, wobei Mittel zur Regelung der Einbringvorrichtung
in Abhängigkeit der Messergebnisse vorgesehen sind.
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Um
eine Beschädigung des einzubringenden Profils zu vermeiden,
wird als erster Grenzwert eine maximale Beanspruchung des Profils
vorgegeben, der ständig mit der gemessenen dynamischen
Beanspruchung verglichen wird, wobei bei Überschreiten des
ersten Grenzwertes die momentane Belastung beim Einbringvorgang
verringert wird. Nachfolgend kann die Belastung beim Einbringvorgang,
beispielsweise die Fallhöhe des Rammgewichts oder das Unwuchtmoment
oder dergleichen schrittweise gesteigert werden, bis der erste Grenzwert
bei der gemessenen dynamischen Beanspruchung wieder erreicht wird.
Mit dieser Regelung wird versucht, eine maximale Einbringgeschwindigkeit
unter Beachtung einer maximal zulässigen dynamischen Beanspruchung für
das Profil zu erreichen.
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Dadurch,
dass als zweiter Grenzwert eine mindestens erforderliche Einbindetiefe
vorgegeben wird, wobei der Einbringvorgang des Profils beendet wird,
wenn die gemessene dynamische Beanspruchung den zweiten Grenzwert überschreitet,
ist ein Kriterium geschaffen, bei dem der Einbringvorgang beendet
wird, sobald das eingebrachte Profil seine Funktion erfüllen
kann, nämlich seine mindestens erforderliche statische
Tragfähigkeit erreicht hat. Um eine Mindesteindringtiefe
des Profils zu erreichen, kann ergänzend noch eine vorbestimmte
Eindringtiefe des Profils vorgegeben werden, ab der dann erst der
zweite Grenzwert mit der gemessenen dynamischen Beanspruchung verglichen
wird.
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Wenn
wenigstens ein Messaufnehmer ein Dehnungsmessstreifen ist, können
zur Bestimmung der dynamischen Beanspruchung am Profil Dehnungen/Stauchungen
an der Oberfläche des Profils gemessen werden. Die am Installationsort
des Messaufnehmers am Profil auftretenden Dehnungen bzw. Stauchungen
werden somit während des Einbringvorgangs erfasst. Wenn wenigstens
ein Messaufnehmer ein Beschleunigungsaufnehmer ist, werden zur Bestimmung
der dynamischen Beanspruchung am Profil Beschleunigungen am Profil
gemessen. Somit werden die am Messort auftretenden Beschleunigungen
sicher erfasst. Sowohl der Dehnungsmessstreifen wie auch der Beschleunigungsaufnehmer
sollten mit ihrer Messrichtung parallel zur Einbringrichtung des
Profils ausgerichtet werden, da in dieser räumlichen Komponente
die größten Beschleunigungen sowie auch die originären
Dehnungen/Stauchungen auftreten. Selbstverständlich können
auch noch weitere Komponenten der Dehnungen bzw. Beschleunigungen
erfasst werden.
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Wenn
die Dehnungen/Stauchungen und/oder Beschleunigungen am Kopfende
des Profils gemessen werden, sind Wirkverbindungen (Kabel) zwischen
einer Auswerte- und Regeleinheit und dem einzubringenden Profil
lediglich am Kopfende anzubringen, so dass kostenaufwendige Sonderkonstruktionen
für die einzubringenden Profile entbehrlich sind. Selbstverständlich
können auch Messaufnehmer innerhalb des Profils oder auch
am Fußende vorgesehen werden, um eine noch umfassendere Analyse
der am Profil wirkenden Belastungen zu erreichen. Aufgrund des erheblichen
Installationsaufwandes für solcher Art gewählten
Messaufnehmerpositionen, dürfte dies nur bei besonders
kritischen Anwendungen sinnvoll sein.
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Wenn
der/die Messaufnehmer nahe am Kopfende des Profils, bevorzugt in
einem Abstand unterhalb des Kopfendes von etwa der dreifachen Querschnittsdimension
des Profils, angeordnet sind, können Beschädigungen
der Aufnehmer durch die unmittelbare Beanspruchung an der Lasteinleitung (Aufschlag
des Rammgewichtes auf das Kopfende) verhindert werden. Gleichwohl
sind die Messaufnehmer unmittelbar auch nach dem Einbringen des
Profils im Zugriffsbereich. Nach Beendigung des Einbringvorganges
können die Messaufnehmer somit ohne großen Aufwand
entfernt und am nächsten Profil befestigt werden. Diese
Anordnung eignet sich mit den stets im Zugriff befindlichen Wirkleitungen
für den rauen Einsatz auf Baustellen.
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Die
Messaufnehmer messen somit Dehnungen/Stauchungen und/oder Beschleunigungen,
die in einer Regeleinheit als Mittel zur Regelung der Einbringvorrichtung
in Form einer Auswertung unmittelbar in Echtzeit berechnet werden.
Bei der Auswertung kann dabei auf ein Verfahren von CASE oder KOLYMBAS
zurückgegriffen werden, das bisher nur im Rahmen der Pfahlabnahme
als dynamische Probebelastung von fertig installierten Profilen
eingesetzt wird. Eine zusammenfassende Darstellung ist in Grabe
J. und Schuler U. (1991), Geotechnik, Technischer Bericht, Heft
1/1991 veröffentlicht.
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Ergänzend
können zur Vermeidung von möglichen Schäden
in der Umgebung durch zu große Erschütterungen
und/oder Sackungen ein odere mehrere Geophone an der Oberfläche
des Baugrundes in der Umgebung des einzubringenden Profils sowie
an Gebäuden, insbesondere Außenmauern, Decken
oder dergleichen, angeordnet sein, die die Erschütterungen
beim Einbringvorgang erfassen. Dadurch, dass Erschütterungen
beim Einbringvorgang an der Oberfläche des Baugrundes und/oder
an Gebäuden in der Umgebung des Profilstandortes gemessen
werden und als dritter Grenzwert eine maximale Erschütterungsamplitude
vorgegeben wird, die ständig mit der gemessenen Erschütterung
verglichen wird und bei Überschreiten des dritten Grenzwertes
die momentane Belastung beim Einbringvorgang verringert wird, werden
die Geräteparameter der Einbringvorrichtung entsprechend
angepasst, also beispielsweise bei einer Rammvorrichtung die Fallhöhe
des Rammgewichts verringert. Nachfolgend wird die Fallhöhe
wieder erhöht, solange die vom Geophon gemessenen Erschütterungen
den dritten Grenzwert nicht überschreiten. Selbstverständlich wird
bei diesem Vorgang auch die gemessene dynamische Belastung der Profile
selbst mit den übrigen Grenzwerten verglichen.
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Geräteparameter,
die einen Einfluss auf die Belastung beim Einbringvorgang haben,
sind im Rammverfahren die Fallhöhe der Rammmasse, sowie
ggf. die Rammmasse selbst oder bei hydraulischen oder pneumatischen
Hämmern die Impulsstärke. Beim Vibrationseinbringverfahren
sind dies die Frequenz der Unwucht, das Unwuchtmoment und die Auflast.
Erfindungsgemäß werden diese Geräteparameter
bei der Einbringung ständig angepasst, so dass eine Beschädigung
des Profils selbst ausgeschlossen wird, die Einbringung dann endet,
sobald der Pfahl genügend einbindet und damit seine statische
Tragfunktion erreicht hat und die Einbringung so erfolgt, dass eine
Schädigung in der Umgebung verhindert wird.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren
detailliert beschrieben.
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Darin
zeigt:
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1 in
einer Prinzipskizze in einem Vertikalschnitt ein in einen Baugrund
mittels Rammvorrichtung eingebrachtes Profil und
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2 eine
entsprechende Prinzipskizze für ein mittels Vibration eingebrachtes
Profil.
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In 1 ist
in einem Vertikalschnitt ein bereits teilweise in einen Baugrund
B eingebrachtes Profil 1 in Form eines Fertigteilpfahls
dargestellt. Der Fertigteilpfahl 1 weist einen langgestreckten, über seine
Längserstreckung im Wesentlichen gleichen Querschnitt aufweisenden
Profilkörper 10 mit einem unteren Fußende 12 und
einem Kopfende 11 auf.
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In
den dargestellten Ausführungsbeispielen besteht der Baugrund
B aus einer oberen, relativ dicht gelagerten Schicht B1,
einer darunter liegenden Weichschicht B2,
einer darunter liegenden Kies- oder Geröllschicht B3 geringer Mächtigkeit und einer
darunter befindlichen tragfähigen Schicht B4,
in der auch die geplante Solltiefe für den Fertigteilpfahl 1 liegt.
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Um
den Fertigteilpfahl 1 in den Baugrund B einzubringen, wird
im Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine
Rammvorrichtung 2 verwendet. Die Rammvorrichtung 2 weist
eine Rammmasse 21 auf, die vertikal geführt auf
eine Freifallhöhe h gehoben wird. Aus dieser Höhe
h fällt dann die Rammmasse 21 geführt
im freien Fall auf das Kopfende 11 des Fertigteilpfahls 1.
Am Kopfende 11 erfolgt somit die Lasteinleitung des jeweiligen
Rammschlages.
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Außen
am Fertigteilpfahl 1 sind Messaufnehmer 4 angebracht.
Die Messaufnehmer 4 sind vom Kopfende 11 des Fertigteilpfahls 1 um
etwa den dreifachen Dimensionsquerschnitt des Profilkörpers 10 entfernt.
Die Messaufnehmer 4 sind in Form eines Dehnungsmessstreifens 41 und
eines Beschleunigungsaufnehmers 42 ausgebildet. Der Dehnungsmessstreifen 41 erfasst
Dehnungen/Stauchungen in Einbringrichtung (Z-Richtung). Ebenso erfasst
der Beschleunigungsaufnehmer 42 in Z-Richtung wirkende
Beschleunigungen.
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Ferner
ist an der Oberfläche des Baugrunds B ein Geophon 43 zur
Erfassung der Erschütterungen in der Umgebung der Einbringstelle
angeordnet.
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Zur
Erfassung, Weiterverarbeitung und Steuerung der Einbringvorrichtung
(Rammvorrichtung 2) ist eine Regeleinheit 5 mit
einer Datenerfassungs- und Auswerteeinheit 50 vorgesehen.
Vom Dehnungsmessstreifen 41, Beschleunigungsaufnehmer 42 und
Geophon 43 sind Wirkleitungen 44 zur Auswerteeinheit 50 vorgesehen.
Von der Regeleinheit 5 führt eine Wirkleitung 51 zur
Rammvorrichtung 2, die dort die Freifallhöhe h
in Abhängigkeit der gemessenen und verarbeiteten Werte
aus dem Dehnungsmessstreifen 41, dem Beschleungiungsaufnehmer 42 und
dem Geophon 43 regelt.
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Nachfolgend
wird die Regelung der Rammvorrichtung anhand der von den Messaufnehmern aufgenommenen
Signale beschrieben.
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Die
Rammvorrichtung 2 wird von der Regeleinheit 5 nach
Aufstellen und Ausrichten des einzubringenden Profils 1 gestartet.
Dabei kann der Einbringvorgang mit einer mittleren Fallhöhe
h beginnen oder auch unmittelbar mit einer kleineren Fallhöhe beginnend
gesteigert werden. Werden die in der Regeleinheit hinterlegter Grenzwerte,
nämlich erster Grenzwert für die maximale Beanspruchung
des einzubringenden Profils, zweiter Grenzwert für die
erforderliche Einbindetiefe und dritter Grenzwert für die
in der Umgebung auftretenden maximalen Erschütterungen
nicht überschritten, wird jeweils für den nächsten
Hitz die Fallhöhe h gesteigert. Sobald einer oder mehrere
der drei Grenzwerte erreicht werden, wird die Fallhöhe
nicht weiter gesteigert bzw. bei Überschreiten wenigstens
eines Grenzwertes wieder verringert.
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Entsprechend
wird der Einbringvorgang automatisch geregelt, wobei ein maximaler
Rammfortschritt bei Vermeidung von unzulässigen Druck-
oder Zugspannungen im Profil erreicht wird. Bei Erreichen des zweiten
Grenzwertes wird zudem der Einbringvorgang abgebrochen, da dann
die erforderliche statische Tragfunktion des Profils 1 anhand
der Messwerte der Messaufnehmer 4 erreicht ist. Ein weiteres Einbringen
des Profils 1 würde eine nicht notwendige Rammtiefe
bedeuten, also unnötige Kosten bedeuten. Mit der Regelung
können Beschädigungen und übermäßige
Beeinträchtigungen vermieden werden.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist eine
Vibrationsvorrichtung 3 zum Einbringen des Fertigteilpfahls 1 in
den Baugrund B dargestellt. Funktions mäßig übereinstimmende
Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen wie zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 bezeichnet.
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Die
Vibrationsvorrichtung 3 weist mindestens eine Unwucht 31 auf,
die meist hydraulisch angetrieben eine Vibration auf das Kopfende 11 des Profils 1 überträgt.
Zur Anbindung der Vibrationsvorrichtung 3 auf dem Kopfende 11 erfolgt
zudem eine statische Auflast Fstat, die
die von der Unwucht 31 erzeugte periodische Schwingung
in den Fertigteilpfahl 1 einleiten lässt.
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Die
der Regeleinheit 5 zugeordnete Datenerfassungs- und Auswerteineheit 50 erfasst
und verarbeitet wiederum von den Messaufnehmern, nämlich Dehnungsmessstreifen 41 und
Beschleunigungsaufnehmer 42 sowie ergänzend Geophon 43 aufgenommene
Signale, um daraus in der Regeleinheit 5 die dynamische
Beanspruchung des Profils 1 anzupassen. Regelgrößen
sind dabei die Frequenz der Unwucht ω, die durch die Drehzahl
des Elektromotors der Unwucht 31 verstellt werden kann,
das Unwuchtmoment m, das insbesondere durch Veränderung des
radialen Abstandes der Unwuchtmasse zu seiner Rotationsachse eingestellt
werden kann, und die statische Auflast Fstat,
die durch eine Gewichtsveränderung oder/und hydraulische
Auflastabstützung angepasst werden kann.
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Wie
zum ersten Ausführungsbeispiel bereits ausgeführt,
wird die dynamische Belastung beim Einbringvorgang anhand durch
Dehnungsmessstreifen 41 und Beschleunigungsaufnehmer 42 erfassten Messgrößen
mit Echtzeitauswertung in der Auswerteeinheit 50 und Regeleinheit 5 an
die jeweilige Situation im Baugrund B angepasst. Dabei werden von der
Regeleinheit 5 die Regelgrößen statische
Kraft Fstat, Unwuchtfrequenz ω und/oder
Unwuchtmoment m entsprechend verändert.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Anordnung
zum Einbringen von langgestreckten Profilen können Beschädigungen
des Profils während der Einbringung vermieden werden. Ferner
kann die Einbringung beendet werden, sobald das Profil seine statische
Tragfunktion erfüllt. Der Einbringvorgang wird dabei gleichwohl
mit maximaler Einbringgeschwindigkeit durchgeführt, woraus
sich insgesamt eine hohe Qualität und Wirtschaftlichkeit
ergibt. Der Aufwand für die Anbringung und Verkabelung
der Messaufnehmer am einzubringenden Profil ist im Vergleich zu
den Verbesserungen der Qualität und Wirtschaftlichkeit
als gering einzustufen. Die Regelung für den Einbringvorgang
erlaubt somit auch eine Voll- oder Teilautomatisierung, die eine
weitere Qualitätsverbesserung und Produktionssteigerung
mit sich bringen dürfte.
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- 1
- Profil,
Fertigteilpfahl, Spundwandsegment
- 10
- Profilkörper
- 11
- Kopfende
- 12
- Fußende
- 2
- Rammvorrichtung
- 21
- Rammmasse
- 3
- Vibrationsvorrichtung
- 31
- Unwucht
- 4
- Messaufnehmer
- 41
- Dehnungsstreifen
- 42
- Beschleunigungsaufnehmer
- 43
- Geophon
- 44
- Wirkleitung
- 5
- Mittel
zur Regelung, Regeleinheit
- 50
- Datenerfassungs-
und Auswerteeinheit
- 51
- Wirkleitung
- B
- Baugrund
- B1, B2, B3,
B4
- Schichtung
im Baugrund
- h
- Freifallhöhe
- m
- Unwuchtmoment
- Fstat
- statische
Auflast
- F(t)
- Belastung
beim Einbringvorgang
- ω
- Frequenz
der Unwucht
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Grabe J. und
Schuler U. (1991), Geotechnik, Technischer Bericht, Heft 1/1991 [0018]