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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Standsicherheitsprüfung
eines Objektes mit Hilfe eines auf einer an dem Objekt befestigten
Welle drehbar gelagerten Gewichts mit motorischem Drehantrieb. Vorzugsweise
soll die Vorrichtung für die Prüfung der Standsicherheit
eines im Boden verankerten, stehenden Masten ausgebildet werden.
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Im
Rahmen der Erfindung sollen vor allem Objekte geprüft werden,
die im Boden verankert sind. Das jeweilige Objekt kann als natürliches
Gebilde, zum Beispiel als Baum, oder als künstliches Gebilde, bevorzugt
als im Boden verankerter, stehender Mast, als Gebäude,
Brücke, Geländer, Sprungturm oder Standfigur,
ausgebildet sein. Gegebenenfalls soll unter dem Begriff „Boden” ein
Fundament irgendeiner Art, zum Beispiel in einem Straßen-
oder Bürgersteigpflaster, im Acker, im Wald oder auf bzw.
an einem Gebäude, verstanden werden. Mit „verankert” soll
die jeweils erstrebte Fixierung bzw. Fundamentierung oder Verwurzelung
des Objekts bezeichnet werden. Der Begriff „Mast” umfasst
Lampen- bzw. Laternenmasten, Ampelmasten und -brücken oder
Träger von Verkehrs- oder Werbeschildern bzw. Werbeanlagen. Beispielsweise
können derartige Masten vorkragende Ausleger besitzen,
welche Aufbauten (Ampeln, Schilder usw.) tragen. Ein zu kontrollierendes
künstliches Gebilde kann teilweise oder ganz aus Metall, aus
Kunststoff, Holz, Beton oder dergleichen aus dem Sachgebiet einschlägiger
Materialien bestehen. Ein definitionsgemäß zum
Begriff „Objekt” gehörender natürlich
gewachsener Baum besitzt in der Regel ein umfangreiches Ast- und
Zweigwerk, das, zum Beispiel alterungs- oder krankheitsbedingt,
geschwächt oder morsch sein kann.
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Mit
Hilfe einer aus
EP
16 30 537 A1 bekannten Vorrichtung eingangs genannter Art
können sowohl Eigenschwingungen eines Mastes insgesamt als
auch seiner Teile, Aufbauten oder Anbauten bzw. des Astwerks oder
einzelner Äste angeregt und erfasst werden. Hiernach ist
es möglich, Schwingungen mit – kontinuierlich
oder stufenweise – pro Zeiteinheit definiert ansteigender
Frequenz in einen Mast einzuleiten, so daß die Frequenzen
oder Frequenzbereiche der Eigenschwingungen eines ganzen Mastsystems – als
Wirkung von Linear- und/oder Torsionskräften – auch
von Einzelteilen und Verbindungsstellen des Mastes aber auch des
Mastes insgesamt getrennt voneinander und nacheinander mit Hilfe
eines – bevorzugt räumlich aufzeichnenden – Meßgeräts
zu registrieren sind. Im Bekannten wird zum Anregen der Schwingungen
eine Kraft in den Mast (das Objekt) eingeleitet, um den Mast einem Biege-
oder Torsionsmoment auszugesetzen.
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Nach
einem in
EP 06 38 794
B1 beschriebenen Verfahren wird ein im Boden verankerter,
stehender Mast einem variablen Biegemoment ausgesetzt, indem er
mit einer oberhalb seiner Verankerung eingeleiteten und im Verlauf
des Prüfvorgangs steigenden Kraft belastet wird. Zur Bestimmung
der Stabilität des Mastes werden zugleich sowohl die genannte Kraft
als auch die Strecke, um die der Mast aufgrund des Biegemoments
seitlich ausgelenkt wird, mit Sensoren gemessen.
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Durch
die Erregung eines Mastes und seiner Teile zu erzwungenen Schwingungen
können die natürlichen Verhältnisse bei
Belastung des Mastes in Wind oder Sturm simuliert werden. Eine Windböe versetzt
einen freistehenden Mast oder dergleichen Objekt aber nicht nur
in eine lineare Schwingung sondern in der Regel zugleich in eine
Drehschwingung. Auf den Mast und seine Teile wirken dann zugleich
Linear- und Torsionskräfte. Mit Hilfe eines einseitig an einem
Mast fixierten Gewichts nach
DE 100 08 201 A1 lassen sich Drehschwingungen
des Mastes simulieren. Auch das geht im Bekannten nicht ohne Krafteinleitung.
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Schließlich
ist aus
DE 103 00
947 A1 eine Standsicherheitsprüfung bekannt, bei
der ein Objekt mit einer periodischen Kraft in erzwungene Schwingungen
versetzt und die Reaktion mit einem oder mehreren Beschleunigungssensoren
gemessen wird. Im Bekannten werden die durch die Krafteinwirkung
angeregten Eigenfrequenzen ermittelt. Anschließend wird
das Objekt mit diesen Eigenfrequenzen mit den erwarteten Windlasten
entsprechend unterschiedlichen Amplituden in Schwingung versetzt.
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Obwohl
sich die bekannten Vorrichtungen und Verfahren, bei denen in das
jeweils zu prüfende Objekt eine Kraft eingeleitet wird,
um ein Moment für eine Biegeschwingung oder dgl. auszuüben,
bewährt haben, wird von einem Teil der Anwender eine Standsicherheitsprüfung
ohne Krafteinleitung gefordert, weil man befürchtet, dass
eine das Objekt mechanisch auslenkende Kraft Schäden hervorruft,
die erst eine Folge der jeweiligen Prüfung sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Standsicherheitsprüfung
ohne Krafteinleitung und ohne erzwungene Schwingungsanregung zu
schaffen, bei der also auf das jeweilige Objekt eine Prüflast
nicht ausgeübt wird. Es soll demgemäß eine
solche Prüfung ermöglicht werden, ohne dass die
oben angegeben natürlichen Lasten simuliert werden müssten.
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Die
erfindungsgemäße Lösung wird im Patentanspruch
1 angegeben. Einige Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen werden
in den Unteransprüchen beschrieben.
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Vorzugsweise
besteht die Erfindung für die Vorrichtung zur Standsicherheitsprüfung
des Objekts mit Hilfe eines auf einer am Objekt befestigten Welle drehbar
gelagerten Gewichts mit motorischem Drehantrieb – kurz:
Motor – darin, dass das Gewicht in Bezug auf die Drehachse
der Welle ausgewuchtet ist. Diese Vorschrift bedeutet, dass das
aus irgendeinem ein- oder mehrteiligen Schwenkkörper bestehende Gewicht,
wenn es – in einem Kontrollversuch – vom Drehantrieb
abgekoppelt und freidrehbar auf der Welle gehalten wird, selbst
bei waagerecht gestellter Welle in jeder Drehposition stabil stehen
bleiben würde, es also keine von der Schwerkraft bevorzugte
Ruheposition gibt. Wichtig im Rahmen der Erfindung ist vor allem,
dass das Gewicht beim Rotieren der Welle als ausgewuchteter Rotor – also
gerade nicht als Exzenter – wirkt.
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Das
rotierende erfindungsgemäße Gewicht leitet keine
Kraft in die Welle und damit in das Objekt ein; in der Praxis kann
man an einem mit dem erfindungsgemäß ausgewuchteten,
rotierenden Gewicht angeregten Objekt im Allgemeinen keine äußere
Bewegung mit dem Auge erkennen. Durch die Erfindung wird nämlich
eine Art leistungsloser Schwingtisch für die genannten
Objekte, insbesondere im Boden verankerte Objekte, wie Masten, geschaffen,
mit dessen Hilfe der Umdrehungszahl des Gewichts entsprechende Frequenzen über
die Welle in das Objekt einzuleiten sind. In diesem Sinne geht es
bei Anwendung der Erfindung um das Einleiten von Frequenzen. Hiernach
wird sich ein Frequenzgenerator zur dynamischen Strukturanalyse
des jeweilige Objekts geschaffen.
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Beispielsweise
kann das erfindungsgemäß vorgesehene Gewicht im
Rahmen der Erfindung aus einem quer zur Drehachse stehenden Stab
bestehen, der betreffend Länge und Gewicht symmetrisch in
Bezug auf die Drehachse – also axialsymmetrisch – ausgebildet
ist. Das Gewicht kann auch aus zwei Teilgewichten bestehen, die
auf einem Schwenkarm – etwa auf dem vorgenannten Stab – an
zwei einander gegenüber liegenden Seiten der Welle mit
gleichem Abstand von der Drehachse, d. h. zusammen mit dem Schwenkarm
ausgewuchtet, befestigt sind. In diesem Sinne können auch
drei oder mehr Stäbe bzw. Schwenkarme sternförmig
an der Welle vorgesehen werden. Das Gewicht kann, wenn es nur ausgewuchtet
bleibt, sogar auf zwei oder mehr axial auf der Welle verteilte Teilgewichte
aufgesplittet werden. Das ausgewuchtete Gewicht kann aber auch aus (mindestens)
einer Scheibe oder einem (an Speichen – ähnlich
den Stäben – befestigten) Ring bestehen. Solch
eine Scheibe kann als ein Extremfall einer Vielzahl von Stäben
bzw. Teilgewichten gedacht werden.
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Durch
die Erfindung wird eine dynamische Strukturanalyse des Objekts,
ohne Krafteinleitung ermöglicht. Das auf der am Objekt,
z. B. an einem Mast, fixierten Welle schwenkbar gelagerte Gewicht soll
mit Hilfe eines Motors mit jeweils gleicher oder mit bewusst veränderter
Umdrehungszahl, zum Beispiel mit bis zu 300 Umdrehungen/Minute zehn
Minuten lang mit bis zu wenigen, beispielsweise 5, Hz – kontinuierlich
oder variiert, rotiert werden und dadurch dynamische Parameter in
das Objekt einleiten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
wirkt daher auf das Objekt als Frequenzgenerator. Je nach Art des Antriebs
kann es sich dabei beispielweise um einen symmetrischen, sinusförmigen
(auto-sweep) oder drehzahländernden Frequenzgenerator handeln. Beispielsweise
mit Hilfe eines derartigen Sinussweep-Generators lässt
sich eine mittels stetig ansteigende Frequenz erzeugen und in das
Objekt einleiten.
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Die
bei Anwendung der Erfindung mit Hilfe des Frequenzgenerators in
das Objekt eingeleiteten Frequenzen sollen durch eine dafür
entwickelte Frequenzanalyse aufgespürt und untersucht werden,
um eventuelle Fehler des zu kontrollierenden Objekts mehr oder weniger
automatisch festzustellen und zu orten. Zu diesem Zweck sollen die
dynamischen Parameter betreffend Schwingung, Frequenz, Oszillation
und/oder Dämpfung durch die Frequenzanalyse aufgezeichnet
werden. Dazu wird bevorzugt eine für die Anwendung bei
der Erfindung entwickelte Fourieranalyse, speziell Fast-Fourier-Analyse,
verwendet, die das untersuchte System nur auf Frequenzen testet
und dabei Eigenfrequenzen ermittelt. Damit wird eine das jeweilige
(Prüf-)Objekt nicht belastende und Schwachstellen automatisch
aufspürende Prüfdienstleitung ermöglicht.
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Mit
Hilfe der für die erfindungsgemäße Standsicherheitsprüfung
entwickelten Resonanz-Frequenz-Analyse lässt sich das jeweilige
Objekt in mehreren Achsen (x, y und z) betreffend die Oszillation
des Objekts und dessen Teile untersuchen. Beispielsweise die relevanten
Eigenschwingungen, die kritische Dämpfung (Risse und schadhafte
Stelle beeinflussen die Dämpfung erheblich) und die Schwingungsintensität
für ausgewählte Frequenzen lassen sich aufzeichnen.
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Anhand
der schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels – nämlich
eines an einem Mast befestigten Frequenzgenerators – werden
Einzelheiten der Erfindung erläutert.
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Die
beiliegende Figur zeigt einen insgesamt mit 1 bezeichneten
Mast, der mit seinem unterirdischen Teil an einem Fundament 2 im
Boden 3 verankert ist. Am oberen Ende des Mastes 1 befinden
sich einerseits eine Lampe 4 und andererseits ein Ausleger 5 an
einer Verbindungsstelle 6, der beispielsweise eine Ampel 7 trägt.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Standsicherheitsprüfung
nämlich ein Frequenzgenerator 8 wird, z. B. mit
Hilfe von Riemenclips 9, am Mast 1 befestigt.
Der Frequenzgenerator 8 nach der Zeichnung besteht im Prinzip
aus einer am Mast 1 befestigten Welle 10 und einem
drehbar auf der Welle 10 gelagerten Gewicht 11.
Als Drehantrieb des Gewichts 11 kann ein Motor 12 vorgehen
werden. Die Welle 11 kann in einem Gehäuse 13 gelagert
werden, das auch den Motor 12 trägt. Das Gehäuse 13 bildet im
dargestellten Ausführungsbeispiel die mechanische Verbindung
bzw. ein Kopplungsmittel zur Weiterleitung von im Frequenzgenerator
erzeugten Schwingungsfrequenzen in den Mast 1.
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Im
Ausführungsbeispiel steht die Drehachse 14 der
Welle 11 parallel zur Mittellinie 15 des an den Frequenzgenerator 8 angrenzenden
Teils des Masten 1. Bei den diversen, bei Anwendung der
Erfindung möglichen Prüfungen kann aber die Drehachse 14 in
jede beliebige Richtung in Bezug auf die Mittellinie 15 gestellt
werden.
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In
der gezeichneten Darstellung des Frequenzgenerators 8 besteht
das Gewicht 11 aus zwei gleich schweren Teilgewichten 11a und 11b,
die auf einem beiderseits quer zur Welle 10 stehenden Stab 15 in
gleichem radialen Abstand von der Drehachse 14 fixiert
werden. Die von der Welle 10 strahlenförmig abstehenden
Schenkel 16 des Stabs 15 – also die beiden
Stabhälften – sollen gleich lang und schwer sein.
Beim Rotation des Gewichts 11 werden also Schwingbewegungen
des Frequenzgeneratos 8 und damit des Mastes 1 nicht
bewirkt.
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Zum
Messen der mit Hilfe des Frequenzgenerators 8 in den Mast 1 eingeleiteten
Frequenzen wird in der Zeichnung ein insgesamt mit 18 bezeichneter
Sensor vorgesehen, der über zwei Messstellen 19 und 20 eine
Aufzeichnung der durch die eingeleiteten Frequenzen angeregten Eigenfrequenzen
des Mastes und von dessen Teilen liefert. Der Sensor 18 kann
auf einem Stativ 21 ruhen und die Mittel zur Analyse, bevorzugt
Resonanz-Fourier-Anlyse, der gemessenen Werte enthalten oder mit
entsprechenden Rechen- und Aufzeichnungsmitteln verbunden sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mast
- 2
- Fundament
- 14
- Drehachse
- 3
- Boden
- 4
- Lampe
- 5
- Ausleger
- 6
- Verbindungsstelle
- 7
- Ampel
- 8
- Frequenzgenerator
- 9
- Riemenclip
- 10
- Welle
- 11
- Gewicht
- 12
- Motor
- 13
- Gehäuse
- 15
- Stab
- 16
- Schenkel
- 18
- Sensor
- 19
+ 20
- Messstelle
- 21
- Stativ
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1630537
A1 [0003]
- - EP 0638794 B1 [0004]
- - DE 10008201 A1 [0005]
- - DE 10300947 A1 [0006]
