DE102011100370A1

DE102011100370A1 - Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Untersuchung eines Pollers auf Schäden oder der Verankerung

Info

Publication number: DE102011100370A1
Application number: DE102011100370A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: BUNDESANSTALT fur WASSERBAU
Current assignee: Bundesanstalt fur Wasserbau
Priority date: 2011-05-03
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2031-05-04
Also published as: DE102011100370B4

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein Verfahren zum zerstörungsfreien Untersuchen eines Pollers, insbesondere Plattformpollers einer Hafen- oder Schleusenanlage, auf Schäden oder auf dessen Verankerungsfestigkeit, wobei der Poller fest in einem Fundament verankert ist und einen Mantel aus Gusseisen oder Stahl aufweist, der zur Versteifung verfüllt ist. Um eine zerstörungsfreie Untersuchung zu ermöglichen, werden die folgenden Schritte vorgeschlagen: Anregen des fest verankerten Pollers durch wenigstens einen seitlichen Stoß; berührungsloses Messen der Schwingung des fest verankerten Pollers mit einem unmittelbar neben dem Poller aufgestellten Mikrofon. zur Ermittlung der Eigenresonanzfrequenz des Pollers; Vergleich der Messergebnisse mit dem Klangspektrum früherer Messungen; und Einbeziehung des Abklingverhaltens des gemessenen Zeitsignals der Schwingung in die Auswertung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Untersuchen eines Pollers, insbesondere Plattformpollers einer Hafen- oder Schleusenanlage, auf Schäden oder auf dessen Verankerungsfestigkeit.
Plattformpoller sind beispielsweise auf Schleusenkammerwänden/Schleusenplattformen angebracht, um Schiffe in der Schleuse festmachen zu können. Diese Poller bestehen aus Gusseisen oder Stahl und sind zur Versteifung mit Zementmörtel verfüllt. Sie ragen etwa zu einem Drittel aus der Schleusenmauer heraus und sind etwa zu zwei Dritteln, je nach Größe bis zu mehreren Metern Tiefe, im Boden einbetoniert.
Vorrichtungen zum Prüfen von Pollern sind bisher kaum bekannt. Mit einer Sichtprüfung können Poller nur bedingt untersucht werden, dies wird erschwert durch eine oft relativ dick aufgebrachte Farbschicht. Schädigungen im einbetonierten Teil der Poller können nicht erkannt werden. Mit Ultraschall sind tiefer liegende Risse bei Pollern aufgrund ihrer Geometrie nur schwer detektierbar.
Bisher wurden bereits Nischenpoller umfangreicher mit einem Zugversuchs-Gerät geprüft. Bei den Zugversuchen wird eine Traverse an einer Schleusenkammerwand vor dem Poller angebracht. Danach wird mit einer hydraulischen Presse mittels einer Zugstange über diese Traverse am Poller gezogen. Dabei werden in jeweils unterschiedlichen Zugrichtungen die aufgebrachte Kraft und die Pollerverformung mittels eines Wegaufnehmers gemessen. Es wurden bei diesen Versuchen maximale Kräfte von 360 kN eingeleitet und verschiedene Lastwechsel gefahren. Um Plattformpoller zu testen ist die Traversenkonstruktion in ihrer bekannten Form nicht geeignet. Hier sind auch bereits Versuche mit größeren Zugkräften vorgenommen worden, dabei wurde sowohl ein Kettenfahrzeug als auch ein an der Schleusenwand abgestütztes Spezialschiff zum Aufbringen der Zugkräfte auf die Plattformpoller verwendet.
Auch ist ein Verfahren bekannt, bei dem unmittelbar auf der Oberfläche auf einem Poller ein Beschleunigungssensor angebracht und nach einem Anschlagen die Beschleunigung des Pollers direkt gemessen wird. Dieses Verfahren führte nicht zu aussagekräftigen Ergebnissen.
Aus der Qualitätssicherung sind verschiedene Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von Werkstücken bekannt. Neben der Ultraschallprüfung gibt es Prüfverfahren zum Detektieren von Schäden, insbesondere Rissen, welche sich die Schallemission der Prüfkörper zu Nutze machen. Solche Verfahren sind zur Pollerprüfung bislang nicht eingesetzt worden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung zum zerstörungsfreien Untersuchen eines Pollers auf Schäden oder auf dessen Verankerungsfestigkeit eine Vorrichtung zur Prüfung von Pollern zu entwickeln, das für unterschiedliche Bauformen von Pollern geeignet ist und auch die Prüfung verdeckter Teilbereiche ermöglicht. Insbesondere sollen eine Rissprüfung und die Prüfung des Zustands der Verankerung möglich sein.
Diese Aufgabe wird zunächst durch ein Verfahren gelöst, dass die folgenden Schritte umfasst:

– Anregen des Pollers durch wenigstens einen seitlichen Stoß,
– berührungsloses Messen der Schwingung des Pollers mit einem unmittelbar neben dem Poller aufgestellten Mikrofon zur Ermittlung der Eigenresonanzfrequenz des Pollers,
– Vergleich der Messergebnisse mit dem Klangspektrum früherer Messungen und
– Einbeziehung des Abklingverhaltens des gemessenen Zeitsignals der Schwingung in die Auswertung.

Das Applizieren eines Stoßes kann beispielsweise durch einen Stoßkörper erfolgen. In diesem Fall wird zumindest ein Teil der kinetischen Energie des Stoßkörpers auf den Poller übertragen und hierdurch derselbe zu einer Schwingung angeregt. Die nötige kinetische Energie kann dem Stoßkörper auf unterschiedliche Arten zugeführt werden. Beispielsweise durch eine Auslenkung nach dem Vorbild eines Pendels, durch Federkraft oder durch das Hinabgleiten oder das Rollen von einer geneigten Ebene.
Bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren können folgende Größen ermittelt werden: die Frequenz der Schwingung als Funktion der Zeit, die Amplitude der Schwingung als Funktion der Zeit (Abklingverhalten der Schwingung) und/oder die Eigenfrequenzen (Resonanzfrequenzen).
Erfindungsgemäß können Messungen eines ähnlichen und/oder desselben Pollers mit einer früheren Messung oder auch dem Ergebnis einer Computersimulation verglichen werden. Durch den Vergleich mit vorherigen Messungen und eine Analyse der Veränderungen lässt sich eine zuverlässige Aussage über eine Zustandsänderung oder einen (neuen) Schaden des untersuchten Pollers treffen.
Bevorzugt wird der Poller genau einmal pro Messung angestoßen. Ein Stoß pro Messung bewirkt, dass der Poller mit seiner Eigenfrequenz schwingt und diese nicht von einer durch mehrere Stöße verursachten Erregungsfrequenz überlagert wird.
Das impulsartige anregen des Pollers führt zu einer Körperschallausbreitung, welche von einem unmittelbar neben dem Poller aufgestellten Mikrofon gemessen wird. Hierbei lässt sich deutlich die Eigenresonanzfrequenz des untersuchten Pollers bestimmen. Dies hat zur Folge, dass regelmäßige Untersuchungen und entsprechendes archivieren der Messdaten mit dem Vergleich der aktuellen Messung mit früheren Messungen unmittelbar zur Erkennung schadhafter Poller führt.
Erfindungsgemäß wird in die Auswertung auch noch das Abklingverhalten des gemessenen Zeitsignals der Schwingung einbezogen. Hierüber lassen sich unmittelbar Rückschlüsse auf den Zustand der Verankerung des Pollers ziehen. Nur ein fest eingespannter Poller mit intakter Verankerung führt zu einem relativ schnellen Abklingen der Schwingung.
Zur Auswertung der Messung können insbesondere eine Fouriertransformation, insbesondere FFT (Fast Fourier Transformation) mit einer Fensterfunktion, z. B. einem Hann-Fenster, angewendet werden.
Eine entsprechende Vorrichtung zum zerstörungsfreien Untersuchen solcher Poller umfasst wenigstens einen freischwingend aufgehängten Stoßkörper, ein Mikrofon und eine Mess- und Auswerteinrichtung.
Als Mess- und Auswerteinrichtung lässt sich ein handelsüblicher Rechner mit entsprechender Mess- und Auswertesoftware einsetzen.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Stoßrichtungsvektor zum Zeitpunkt des Aufpralls orthogonal zur Oberfläche des Pollers im Stoßpunkt und/oder senkrecht zur Längsachse des Pollers verläuft. Ein so ausgeführter Stoß soll einen möglichst hohen Energieeintrag in den Poller sicherstellen und ihn damit im Verhältnis zur eingesetzten Energie möglichst stark zum Schwingen bringen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist das Mikrofon auf der dem Stoßpunkt gegenüberliegenden Seite des Pollers angeordnet, insbesondere auf der verlängerten Linie des Stoßrichtungsvektors. Diese Position des Sensors lässt sich gut und einfach bestimmen und gewährleistet eine gute Vergleichbarkeit von zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen Messergebnissen.
Insbesondere lassen sich aus dem Abklingverhalten der Schwingung Rückschlüsse auf die Verankerung ziehen. Die Eigenresonanz eines Pollers verhält sich umgekehrt proportional zur freien Pollerhöhe. Die freie Pollerhöhe ist die Höhe oberhalb des einbetonierten Teils des Pollers. Für eine genaue Messung sollten die Steine, die den Poller gegebenenfalls oberhalb seines Fundamentes unmittelbar umgeben, vor Durchführung der Messungen entfernt werden.
Auf diese Weise lässt sich auf Risse im Poller schließen. Weist der Betrag des Mittelwertes aus der gemessenen Eigenfrequenz und der mit einem geeigneten Korrekturfaktor multiplizierten freien Pollerhöhe eines Pollers eine um eine bestimmte Schwelle überschreitende Abweichung zu einer früheren Messung desselben Pollers oder der Messung eines ähnlichen Pollers auf, hat dieser vermutlich einen Riss. Die Schwelle hängt von der Bauform und der Verankerung der Poller ab.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass ein an einem Poller mehrere Messungen mit unterschiedlichen Stoßpunkten bzw. Stoßrichtungen erfolgen. Hierdurch lassen sich insbesondere bei symmetrischen Pollern Rückschlüsse auf die Lage der Schäden im Poller oder Schwachstellen der Verankerung schließen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, dass die Höhe des Stoßpunktes einstellbar ist. Zweckmäßiger Weise erfolgt das seitliche Anschlagen des Pollers in der Regel an seiner breitesten Stelle.
Eine andere Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass die Stoßkraft und/oder der Stoßimpuls einstellbar sind. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines – einstellbaren – Anschlages für den Stoßkörper realisiert sein. Wesentlich ist hierbei, dass die Stoßkraft bzw. der Stoßimpuls reproduzierbar aufgebracht wird.
Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material des Stoßkörpers wenigstens am Stoßpunkt weicher ist als das Material des Pollers selbst.
Als Materialien für die Stoßkörper werden bevorzugt Holz oder Kunststoff verwendet. Ein bevorzugter Stoßkörper kann aus einem Vierkantholz bestehen.
Schließlich sieht eine weitere Lehre der Erfindung vor, dass der Stoßkörper so aufgehängt ist, dass er nach dem Anschlag frei zurück schwingen kann und den Poller nicht mehrmals anschlägt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen
1A eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Prüfen eines Pollers mit einem Stoßkörper in Ruhestellung,
1B dieselbe Vorrichtung mit einem Stoßkörper in Ausgangsstellung,
1C dieselbe Vorrichtung mit einem Stoßkörper im Augenblick des Anschlages,
2A die Spannung über der Zeit am Sensor nach dem Stoß eines Pollers,
2B ein typisches Frequenzspektrum eines Pollers und
3A–C Auswertungen von Messungen verschiedener Pollerreihen P1 bis P3.
In 1A ist der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Um einen in einem nicht näher bezeichneten Fundament fest verankerten Poller P, welcher auch als Plattformpoller bezeichnet wird, zu untersuchen wird an einem Gerüst 1 ein Stoßkörper 2 aufgehängt, im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel an zwei Seilen, welche eine Höhenverstellung des Stoßkörpers 2 (angedeutet mit dem nicht näher bezeichneten Doppelpfeil) ermöglichen.
Des Weiteren ist an dem Gerüst 1 ein Anschlag 3 derart angebracht, dass er entlang des wiederum nicht näher bezeichneten Doppelpfeiles horizontal verstellbar ausgeführt ist. Im ausgeführten Beispiel ist der Abstand zwischen dem Stoßkörper 1 in Ruhestellung und dem Anschlag 3 mit d bezeichnet.
Auf der dem Stoßkörper 2 abgewandten Seite des Pollers P ist ferner ein Mikrofon 4 aufgebaut und zwar in einer Höhe h, die der Höhe der breitesten Stelle des Pollers P entspricht. Die gesamte freie Pollerhöhe ist mit H bezeichnet. Zum Versuchsaufbau gehört ferner eine Mess- und Auswerteinrichtung 5 zum Aufzeichnen und Auswerten des vom Mikrofon 4 nach dem Anschlagen des Pollers P entstehenden Schallsignals.
In 1B ist der Zustand gezeigt, in den der Stoßkörper 2 vor dem Anschlagen des Pollers P gebracht wird Ausgangslage. Dort liegt er am verstellbaren Anschlag 3 an. 1C zeigt Moment des Auftreffens des Stoßkörpers 2 auf den Poller P dargestellt. Der auf der Höhe h befindliche Anschlagpunkt ist als Stoßpunkt SP eingezeichnet, über ihn wird die kinetische Energie des Stoßkörpers 2 auf den Poller P übertragen, wobei der Stoßvektor mit SV bezeichnet ist.
Ein typisches Zeitsignal eines Pollers P nach dem Anschlagen mit dem Stoßkörper 2 ist in 2A dargestellt. Es zeigt X-achsensymmetrische, sauber abklingende Sinusschwingungen. Ein typisches Messspektrum ist in 2B zu sehen. Hier wurde insbesondere der Bereich unter 250 Hz analysiert. Man erkennt deutlich die Eigenresonanz des untersuchten Pollers P bei ca. 180 Hz.

Die Untersuchungen haben ergeben, dass bei zunehmender Schädigung eines Pollers P eine Verschiebung der Eigenresonanzfrequenz stattfindet. Hier haben Untersuchungen folgendes ergeben:

Schädigungszustand	Resonanzfrequenz [Hz]	Abweichung [%]
Ungeschädigt	200	0
Entferntes Steindeckwerk	187	6,5%
Horizontaler Riss 7 cm	181	9,5%
Horizontaler Riss 30 cm	175	12,5%
Horizontaler Riss 60 cm	168,7	15,65%

Für die Auswertung wurden die gezeigten Spektren herangezogen. Dabei konnten die verschiedenen Klassen zusammenfasst werden, nämlich Poller, bei denen die Resonanzfrequenz im Verhältnis zu dem Mittelwert aller Poller bzw. sehr hoch lagen und Poller, bei denen Frequenzanteile je nach Anschlagsrichtung variieren. Insbesondere die Lage der Eigenresonanz, aufgetragen über der freien Höhe H der Poller P liefert ein gutes Ergebnis. Die Eigenresonanz verhält sich umgekehrt proportional zur freien Pollerhöhe H.
Die 3A bis 3B zeigen unterschiedliche Pollerreihen P1, P2 und P3 aus jeweils einer Schleusenkammerwand. Es ist die freie Höhe H (mit einem Anpassungsfaktor 3,5) und die Eigenresonanz eines jeden gemessenen Pollers aufgetragen. Die Diagramme der Pollerreihen P1 und P2 zeigen deutlich die umgekehrte Proportionalität von Eigenresonanzfrequenz und freier Pollerhöhe H. Lediglich die letzte Messung der Pollerreihe P3 in 3C zeigt einen Poller, der von dem gegensinnigen Verhalten deutlich abweicht, so dass hier eine Schädigung angenommen werden muss und eine nähere Untersuchung durchgeführt werden sollte.

Claims

Verfahren zum zerstörungsfreien Untersuchen eines Pollers, insbesondere Plattformpollers einer Hafen- oder Schleusenanlage, auf Schäden oder auf dessen Verankerungsfestigkeit, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Anregen des Pollers durch wenigstens einen seitlichen Stoß, – berührungsloses Messen der Schwingung des Pollers mit einem unmittelbar neben dem Poller aufgestellten Mikrofon zur Ermittlung der Eigenresonanzfrequenz des Pollers, – Vergleich der Messergebnisse mit dem Klangspektrum froherer Messungen und – Einbeziehung des Abklingverhaltens des gemessenen Zeitsignals der Schwingung in die Auswertung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoß so beigebracht wird, dass der Stoßrichtungsvektor zum Zeitpunkt des Aufpralls orthogonal zur Oberfläche des Pollers im Stoßpunkt und/oder senkrecht zur Längsachse des Pollers verläuft.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrofon auf der dem Stoß gegenüberliegenden Seite des Pollers angeordnet ist, insbesondere auf der verlängerten Linie des Stoßrichtungsvektors.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Poller mehrere Messungen mit unterschiedlichen Stoßpunkten/Stoßrichtungen erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung auch noch die gemessene freie Pollerhöhe berücksichtigt wird.
Vorrichtung zum zerstörungsfreien Untersuchen eines Pollers, insbesondere Plattformpollers einer Hafen- oder Schleusenanlage, auf Schäden oder auf dessen Verankerungsfestigkeit, gekennzeichnet durch einen frei schwingend aufgehängten Stoßkörper, ein Mikrofon und eine Mess- und Auswerteinrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Stoßpunktes einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßkraft und/oder der Stoßimpuls einstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Stoßkörpers wenigstens am Stoßpunkt weicher ist als das Material des Pollers.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoßkörper aus Holz oder Kunststoff ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoßkörper ein Vierkantholz ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoßkörper so aufgehängt ist, dass er nach dem Anschlag frei zurück schwingen kann und den Poller nicht mehrmals anschlägt.