DE10300947A1

DE10300947A1 - Verfahren zum Prüfen von Masten, Antennen und ähnlichen verankert stehenden Systemen

Info

Publication number: DE10300947A1
Application number: DE2003100947
Authority: DE
Original assignee: MH TECHNOLOGIE GmbH
Current assignee: CITY TECHNOLOGIE GMBH, 23795 BAD SEGEBERG, DE
Priority date: 2003-01-13
Filing date: 2003-01-13
Publication date: 2004-07-22

Abstract

Das Verfahren zum Prüfen von Masten, Antennen und ähnlichen verankert stehenden Systemen, bei dem diese mit Kräften beaufschlagt und die Reaktion auf diese Kraft gemessen und ausgewertet wird, zeichnet sich dadurch aus, daß der Mast mit einer periodischen Kraft in Schwingungen versetzt wird und die Reaktion mit einem oder mehreren Beschleunigungssensoren gemessen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Masten, Antennen und ähnlichen verankert stehenden Systemen, bei dem diese mit Kräften beaufschlagt und die Reaktion auf diese Kraft gemessen und ausgewertet wird.

Stehend verankerte Systeme wie Masten und Antennen werden zu vielerlei Zwecken eingesetzt. Masten beispielsweise als Träger von Beleuchtung, Verkehrsschildern, Ampeln, Freileitungen und Antennen für Funk und Sendeeinrichtungen. Im wesentlichen in Bereichen, in denen diese Masten recht aggressiven Umwelteinflüssen wie Bodenfeuchtigkeit, Witterungseinflüssen, elektrischen Streuströmen, Emissionen aus Verkehr und Industrie, Streusalzen, Mähmaschinen, Rangiermanövern von PKW's, Vandalismus und vor allem dem böigen Winden ausgesetzt sind.

Diese Einflüsse können an den Masten zu Korrosion, Materialermüdung und Rißbildung und bei der Verankerung im Boden z.B. Fundamenten zu Fundamentbruch oder Bodenerosion führen. Diese Schäden für sich allein oder in Akkumulation können zur Reduzierung der betrieblichen Nutzungsdauer und vom Verlust der Gebrauchstauglichkeit bis hin zum Verlust der Tragfähig keit führen. Derartig angegriffene Masten bergen ein erhebliches Risiko für den öffentlichen Verkehr, da sie langsam bis urplötzlich abknicken und dadurch schwere Unfälle verursachen können. Um solchen Risiken vorzubeugen und um eine der betrieblichen Nutzung entsprechende Verwendung zu überprüfen, sollten die Masten in vorgegebenen Zeitintervallen auf ihre Gebrauchstauglichkeit und Tragfähigkeit überprüft werden.

Bisher bekannte Verfahren zur Prüfung von Masten mittels statischer Biegeprüfung können nur die statische aber nicht die maßgebliche dynamische Belastung durch böigen Wind auf einen Mast simulieren, da alle bekannten Verfahren eine einfache statische Belastung horizontal in das Mastsystem einleiten.

Ein Verfahren zur Prüfung von Masten ist aus der DE-OS 15 73 752 bekannt. Bei diesem Verfahren findet ein Rahmengestell Verwendung, das an einer um den Mastfuß herumgelegten Schelle angreift und mit einem oberen Eckpunkt gegen den Mast abgestützt wird. An einem äußeren Punkt des Rahmengestelles wird eine Prüfkraft aufgebracht, die bewirkt, daß der freistehende Mastteil gegenüber dem unterirdischen Mastfuß in Höhe der Schelle gebogen wird, um eine Windbelastung zu simulieren. Die Krafteinrichtung ist mit einem Druckmeßgerät für die eingeleitete Druckkraft versehen. Die jeweils eingeleitete Druckkraft wird mit Belastungswerten einer Belastungstabelle verglichen, um die Standsicherheit des in der Prüfung befindlichen Mastes zu beurteilen.

Nachteil dieses Verfahrens ist, daß der Mast statisch gehalten und nur in eine Bewegungsrichtung belastet wird. Durch die Schelle ist ein künstliches Lager geschaffen, das eine Belastung entsprechend den realen Verhältnissen unmöglich macht und jegliche Schwingung unterbindet. Fundamentschäden oder nachgiebige Verankerungen sind nicht feststellbar.

Als Stand der Technik ist aus G 94 04 664.6 eine Vorrichtung bekannt, weiche unter Zuhilfenahme eines Minibaggers Masten in einer definierten Höhe mit einer horizontalen Einzelkraft belastet und per gekoppeltem Kraft-Weg-Sensor das lineare oder nichtlineare Verhalten der Belastungskurve hinsichtlich der biegeelastischen Formänderung untersucht, um Rückschlüsse auf die Stand und Biegefestigkeit eines Mastes zu treffen. Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die Basis der Erkenntnisse hinsichtlich der biegeelastischen Formänderung nur an einer Stelle des Mastes gewonnen wird. Eine scheiben- oder abschnittsweise Betrachtung des Mastes wird nicht durchgeführt. Es findet für die Analyse eine Überlagerung und Akkumulation der einzelnen Schäden statt, die keine differenzierte Aussage zulassen, da es keine Referenzmeßpunkte zur Unterscheidung zwischen der elastischen Bodenverankerung und einer plastischen Verformung des Materials gibt. Des weiteren wird auch bei dieser Biegemomentenprüfung jegliche Schwingung des Mastes unterbunden und die Auslenkung nur eindimensional in einer Wirkungsrichtung gemessen.

Ein weiteres Prüfverfahren, welches von einem LKW eine horizontal Belastung zur Biegeprüfung in einen Mast einleitet, ist in der DE 199 32 084 A1 veröffentlicht. Bei diesem Verfahren werden mit einem gekoppelten Kraft- und Wegsensor die Auslenkungsdifferenzen zwischen mehreren Prüfungen in eine Richtung verglichen, um Aussagen zur Biegesteifigkeit des Mastes und dessen elastischer Einbindung in dem Boden zu treffen. Auch bei diesem Verfahren wird nur eine statische Belastung aufgebracht und die Auslenkung und Rückfederung eindi mensional gemessen. Durch die mehrmalige einseitige Belastung des Mastes kommt es zu einer Lockerung der Mastverankerung und einer Schädigung der Einbindung in einer Wirkungsrichtung.

Eine einfache statische Belastung unter Auswertung einer eindimensionalen Auslenkung, wie sie die genannten Verfahren in Variationen auf ein Mastsystem ausüben, beschreibt die tatsächliche Beanspruchung eines Lichtmastes infolge einer Erregung durch den böigen Wind nur ungenügend. Zur Erfassung der Böenwirkung ist für die Prüfung in situ solcher Masten ein möglichst realistischer Ansatz für die dynamische Belastung aus Wind unter Berücksichtigung der Eigenfrequenz und Dämpfung zu beachten, sowie eine sehr genaue Messung der Systemantworten und eine qualifizierte Analyse und Beurteilung der Ergebnisse.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, mit dem ohne Beschädigung des Mastes Fehler desselben detektiert werden können, die besonders gefährlich sind.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Mast mit einer periodischen Kraft in Schwingung versetzt wird und die Reaktion mit einem oder mehreren Beschleunigungssensoren gemessen wird.

Der Mast wird also nicht mit einer statischen Kraft, sondern mit einer periodischen Kraft beaufschlagt, wodurch die Schwingungen, die bei Windbelastung auftreten, simuliert werden. Es kann dann untersucht werden, wie der Mast sich bei solchen Schwingungen verhält und ob er Fehler aufweist. Da durch kann verhindert werden, daß bei entsprechenden Schwingungen, die durch Wind verursacht werden, plötzlich und unvorhersehbar der Mast beschädigt oder sogar zerstört wird und beim Umstürzen Menschen verletzt oder tötet oder Sachwerte beschädigt oder zerstört. Es kann also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine exakte Aussage über den bestehenden Zustand gemacht werden. Dadurch, daß der Mast in Schwingung versetzt wird, erfährt er die realitätsnahe Belastung, wie sie durch böigen Wind, Sog und Druck von vorbeifahrenden Kraftfahrzeugen oder durch das mutwillige Aufschaukeln durch Passanten verursacht wird.

Die entsprechenden Schwingungserreger und Beschleunigungssensoren, die an sich bekannt sind, können mittels Befestigungsschellen, Spannriemen und dergleichen am Mast angebracht werden. Die Steuerung des Schwingungserregers und die Ablesung der Beschleunigungssensoren kann über Kabel oder auch drahtlos erfolgen. Dabei kann die Frequenz und die Amplitude der Schwingung eingestellt werden. Insbesondere kann die periodische Kraft mit einem mechanisch, elektrisch oder hydraulisch in Schwingung versetzten Pendel oder einer rotierenden Masse mit einer Unwucht erzeugt werden.

Die Kraft kann an mehreren Stellen des Mastes angelegt werden, und/oder die Reaktion kann an mehreren Stellen des Mastes gemessen werden. Als Referenzpunkt für die Anbringungsorte kann dabei z.B. die Revisionsöffnung des Mastes dienen. Die Meßwerte in den jeweiligen Meßpunkten werden dabei an die zentrale Meßeinheit übertragen, in der sie von einem Meßwerterfassungssystem aufgenommen werden und zeitgleich verarbeitet werden. Durch das Meßwertanalysesystem werden die in Echtzeit gemessenen Systemantworten gegenseitig ins Verhält nis gesetzt, verglichen, ausgewertet, überwacht und protokolliert. Das Meßwertanalysesystem betrachtet das dynamische Systemverhalten an den Meßpunkten und interpoliert ggf. zwischen den Meßpunkten, woraus sich Rückschlüsse auf den mechanischen und baulichen Zustand des Mastes unter und auf der Oberfläche treffen lassen.

Der Prüfvorgang wird eingeleitet durch Messung der vorhandenen Eigenschwingung, die durch den Wind angeregt wird. Die Messung erfolgt dabei durch die Beschleunigungssensoren. Anschließend wird der Mast dann mit dieser Eigenfrequenz mit einer vorgegebenen Windlast entsprechenden Stärke in Schwingungen versetzt. Anschließend wird dann der Schwingungserreger abgeschaltet. Während dieser ganzen Vorgänge wird die Reaktion gemessen und an das Meßwertanalysesystem weitergeleitet. Anschließend kann der Schwingungserreger erneut bis zum Erreichen der Prüflastschwingung eingeschaltet und das Ausschwingverhalten erneut beobachtet werden.

Die maximale Schwingungsamplitude muß dabei der maximal zu erwartenden Windlast zuzüglich eines vorgegebenen Sicherheitsfaktors entsprechen.

Fehler des Mastes können auf folgende Weisen festgestellt werden. Bereits beim Messen der Eigenschwingungen durch Windlast bzw. während der Erregung des Mastes mit dem Schwingungserreger deutet ein unsymmetrisches Schwingungsverhalten auf einseitige Fehler des Mastes hin, z.B. einseitige Anrostung, Risse und dergleichen. Nach Ausschalten des Schwingungserregers sollte der Mast eine gedämpfte Schwingung mit monoton abnehmender Amplitude und konstanter Frequenz ausführen. Der zeitliche Verlauf der Schwingung sollte also eine gedämpfte Schwingung zeigen. Setzt man die Schwingung in ein Frequenzspektrum um, so sollte dieses nur eine einzige Linie zeigen, da die Schwingung nur eine Frequenz hat. Sinkt die Amplitude nicht gleichmäßig ab, sondern fällt zeitweilig stärker ab als vorher und/oder steigt plötzlich wieder an, so ist dies ein klarer Hinweis auf einen Fehler des Mastes. Das gleiche ist der Fall, wenn während des Ausschwingvorgangs zeitweilig eine Schwingung mit einer anderen Frequenz auftritt, das Frequenzspektrum also zwei oder mehr Maxima zeigt.

Indem die Messungen in unterschiedlichen Höhen durchgeführt werden, kann nicht nur die Tatsache festgestellt werden, daß ein Fehler vorliegt. Es kann vielmehr auch festgestellt werden, wo der Fehler des Mastes liegt. Zweckmäßigerweise wird das Schwingungsverhalten in zwei verschiedenen Richtungen untersucht, die um ungefähr 45° bis 90°, insbesondere ungefähr 90° zueinander versetzt sind. Dadurch können auch solche Fehler festgestellt werden, die sich bei einer Schwingung in einer bestimmten Richtung nicht zeigen. Außerdem kann der Fehler dadurch winkelmäßig lokalisiert werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, das Schwingungsverhalten in mehr als zwei Richtungen zu untersuchen.

Normalerweise wird der Schwingungserreger, der außerhalb des Mastes ist und daher exzentrisch auf denselben wirkt, auch Torsionsschwingungen des Mastes bewirken. Dies wird besonders ausgeprägt sein, wenn der Mast selber unsymmetrisch ist, wie z.B. bei einer Leuchte mit einem Peitschenmast. In diesem Falle können auch die Torsionsschwingungen ausgewertet werden. Diese müssen ebenfalls bei fehlerfreien Masten nach dem Ausschalten des Schwingungserregers eine monoton abfallende, d.h. gedämpfte Schwingung mit konstanter Frequenz zeigen.

Fällt die Amplitude nicht monoton ab oder tritt eine zweite Frequenz auf, so liegt ein Fehler vor.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird durch Integrieren der gemessenen Beschleunigung die Winkelauslenkung bestimmt und in mehreren Höhen am Mast gemessen.

Der Mast sollte eine mit der Höhe monoton zunehmende Auslenkung zeigen. Wird mit Hilfe der Winkelmessungen festgestellt, daß in einem gewissen Teilbereich des Mastes die Auslenkung stärker oder weniger stark zunimmt, als dies der Auslenkung in den übrigen Bereichen entspricht, so kann dadurch ebenfalls ein Fehler festgestellt werden. Durch diese Winkelmessung kann auch die Verankerung im Boden überprüft werden. Nach Durchführung der Messungen darf sich die Stellung des Mastes nicht um mehr als einen vorgegebenen Winkelgrenzwert ändern, der z.B. 0,5% der Masthöhe beträgt. Ist nach der Messung eine größere bleibende Winkelauslenkung feststellbar, so liegt ebenfalls ein Fehler vor.

Schwächungen, Beschädigungen und sonstige Fehler des Mastes können zwar bereits während der Erregung der Schwingungen festgestellt werden. Besonders zuverlässig ist dies aber durch Beobachtung des Schwingungsverhaltens nach dem Ausschalten des Schwingungserregers möglich.

Die verwendeten Frequenzen werden von der Natur des Mastes abhängen. Bei einem Metallmast werden dabei in der Regel wesentlich höhere Frequenzen als bei einem Betonmast Anwendung finden. Die Schwingungen können Frequenzen von bis zu ungefähr 500 Hz aufweisen.

Insbesondere, um quantitative Aussagen über die Fehler zu erhalten, kann das experimentell festgestellte Schwingungsverhalten mit dem berechneten Schwingungsverhalten eines entsprechenden Mastes verglichen werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:
1 in prinzipieller Ansicht einen Mast mit Vorrichtungen, mit denen das Schwingungsverhalten gemessen wird;
2 den zeitlichen Verlauf einer Schwingung;
3 das Ausschwingverhalten nach Abschalten des Schwingungserregers;
4 das Frequenzspektrum der gedämpften Schwingung von 3;
5 die gedämpfte Torsionsschwingung eines Mastes;
6 das Frequenzspektrum der Schwingung der 5;
7 in schematischer Darstellung die Biegung eines Mastes während der Untersuchungen; und
8 in Draufsicht die Auslenkung der Mastmittellinie in einer vorgegebenen Höhe bei den Untersuchungen.
In 1 ist ein Mast 1 gezeigt, der im Erdreich 2 verankert ist. Am Mast ist ein Schwingungserreger 3 angeordnet, der ein Pendel 4 antreibt. Der Antrieb erfolgt dabei über eine Leistungsversorgungs- und Steuereinheit 5. Bei 6 ist am Mast ein Beschleunigungssensor angebracht, dessen Signale auf einem Bildschirm 7 sichtbar gemacht werden. Diese Signale können dann auch in der Steuereinheit 5 ausgewertet werden.
In 2 ist der zeitliche Verlauf einer Schwingung dargestellt, wie sie z.B. während der Erregung durch den Schwingungserreger 3, 4 auftritt.
In der 1 ist nur ein Schwingungserreger 3, 4 und ein Beschleunigungssensor 6 gezeigt. Diese können für die Messung nacheinander in unterschiedlichen Höhen angebracht werden. Insbesondere kann aber vorgesehen werden, daß gleichzeitig mehrere Beschleunigungssensoren in unterschiedlichen Höhen angebracht werden, um so genauere Aussagen über das Verhalten zu erhalten.
In 3 ist die gedämpfte Schwingung des Mastes gegenüber der Vertikalen dargestellt, die nach Abschalten des Schwingungserregers 3, 4 auftritt. Wenn, wie dies in 3 dargestellt ist, die Schwingung monoton abfällt und dabei ihre Frequenz nicht ändert, so ist dies ein Hinweis auf einen intakten Mast. Daß nur eine Frequenz auftritt, ist auch aus dem Frequenzspektrum der 4 ersichtlich. Treten mehrere Frequenzmaxima auf, treten also bei der Schwingung der 3 mehrere Frequenzen auf oder ändert sich die Amplitude beim Ausschwingverhalten nicht gleichmäßig wie in 3, sondern verringert sich plötzlich stärker und/oder steigt plötzlich wieder an, so ist dies ein klarer Hinweis auf einen Fehler.
In 5 und 6 sind die entsprechenden Werte einer Torsionsschwingung dargestellt. Auch hier gilt das entsprechende über die Feststellung von Fehlern beim ungleichmäßigen Ausschwingverhalten, wie dies im Zusammenhang mit den 3 und 4 erwähnt wurde.
Durch Integrieren der Beschleunigungswerte kann die Winkelauslenkung der einzelnen Beschleunigungssensoren 6 und damit die Biegung des Mastes 1 aufgrund der Schwingungen dargestellt werden. In 7 sind schematisch zwei Fälle gezeigt. Rechts erkennt man eine gleichmäßige Auslenkung des Mastes 1 mit der Höhe, was auf einen fehlerfreien Mast hindeutet. Links ist diese Auslenkung nicht mehr gleichförmig, was auf einen Fehler, z.B. auf eine Schwächung zwischen den beiden untersten Beschleunigungssensoren 6 hinweist.
In 8 ist mit Referenzlinien 8 die Auslenkung 9 der Mittellinie des Mastes in einer vorgegebenen Höhe gezeigt. Diese Mittellinie muß nach Beendigung der Schwingung in den Ursprung zurückkehren. Eine gewisse Toleranz bzw. bleibende Auslenkung von weniger als z.B. 0,5% der Masthöhe ist aber tolerierbar.

Claims

Verfahren zum Prüfen von Masten, Antennen und ähnlichen verankert stehenden Systemen, bei dem diese mit Kräften beaufschlagt und die Reaktion auf diese Kraft gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Mast mit einer periodischen Kraft in Schwingungen versetzt wird und die Reaktion mit einem oder mehreren Beschleunigungssensoren gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Kraft mit einem mechanisch, elektrisch oder hydraulisch in Schwingung versetzten Pendel oder einer rotierenden Masse mit einer Unwucht erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft an mehreren Stellen des Mastes angelegt und/oder die Reaktion an mehreren Stellen des Mastes gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz des Mastes aufgrund von durch Wind erzeugten Schwingungen bestimmt wird, der Mast mit dieser Frequenz mit einer vorgegebenen Windlast entsprechenden Stärke in Schwingungen versetzt und dann der Schwingungserreger abgeschaltet wird. und die Reaktion während dieser Vorgänge gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsverhalten in zwei verschiedenen Richtungen untersucht wird, die um ungefähr 45° bis 90°, insbesondere ungefähr 90° zueinander versetzt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch Torsionsschwingungen ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch Integrieren der gemessenen Beschleunigung die Winkelauslenkung bestimmt und in mehreren Höhen am Mast gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Schwächungen, Beschädigungen und sonstige Fehler des Mastes durch Beobachtung des Schwingungsverhaltens insbesondere nach dem Ausschalten des Schwingungserregers festgestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingungen mit einer Frequenz von bis zu 500 Hz verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das gemessene Schwingungsverhalten mit einem berechneten Verhalten verglichen wird.