DE4317999A1 - Emissionsarmes Rammverfahren - Google Patents

Description

Die Eigenfrequenzen der meisten rammbaren Böden liegen zwischen 15 und 20 Hz. In diesem Bereich liegen auch die Eigenfrequenzen kritischer Konstruktionsteile (Böden, Decken) der meisten Gebäude.

Aus Physik und Technik ist bekannt, daß Körper beschädigt oder zerstört werden, wenn man sie in ihrer Eigenfrequenz erregt (Resonanz). Im Resonanzbereich breiten sich Schwingungen besonders effektiv aus.

Normalfrequente Vibratoren arbeiten in Frequenzbereichen von 15 bis 25 Hz, liegen damit teilweise im kritischen Eigenfrequenzbereich rammbarer Böden und von Gebäuden. Besonders in innerstädtischen Gebieten liegt die Schwingungsausbreitung oft über den erlaubten Grenzwerten.

Hochfrequenzvibratoren arbeiten in Frequenzbereichen bis 50 Hz, liegen damit weit genug oberhalb der kritischen Eigenfrequenzen von Böden und Gebäuden. Allerdings kommt es bei diesen Frequenzen zu verstärkter Schallabstrahlung über die Vibratoren, insbesondere auch über die einzurammenden Spundbohlen, die in aufstehendem Zustand wie eine große schallerzeugende Membran wirken.

Schließlich verlangen Hochfrequenzvibratoren eine wesentlich höhere Antriebsleistung. Die Vibratorschwingungen werden durch zwei ge­ genläufige Unwuchtmassen erzeugt. Bei höherer Drehzahl wächst die Reibleistung der Unwuchtwellen-Lager (in dritten Potenz der Dreh­ zahl) so stark, daß nur noch ein Bruchteil der Antriebsenergie zum eigentlichen Rammen zur Verfügung steht.

Dieser interne Leistungsverzehr des Vibrators wird technisch als Blindleistung beschrieben. Sie beträgt bei einem bestimmten Vibra­ tortyp bei 20 Hz 20%, bei 30 Hz 72% und bei 35 Hz 210% der an der Bohle verfügbaren Leitung - mit anderen Worten: im unteren Hochfrequenzbetrieb wird mehr als die Hälfte, bei höheren Drehzah­ len sogar mehr als 2/3 der Antriebsleistung als Blindleistung verzehrt. Um genügend Leistung für den eigentlichen Rammvorgang zur Verfügung zu haben, müssen also sehr große Antriebsaggregate installiert werden; dies führt zu einer wesentlich erhöhten Schad­ stoffemission.

Der Grundgedanke eines umweltschonenden Vibrators ist es, Frequenz und Amplitude der von ihm erzeugten Schwingung so zu gestalten, daß vorgegebene Grenzwerte der Schwingungsintensität (Schwingweite und/oder Schwinggeschwindigkeit) an bestimmten Gelände- oder Ge­ bäudepunkten nicht überschritten werden, wodurch die Emission von Schwingungen kontrolliert und auf zulässige Werte begrenzt wird, vorgegebene Grenzwerte der Schallemission nicht überschritten wer­ den, wodurch die Lärmbelastung auf zulässige Werte begrenzt wird, unnötig hohe Frequenzen vermieden werden, die hohe Blindleistungen bewirken, wodurch die Schadstoffemission entscheidend gesenkt wird, und unter diesen Grenzbedingungen die Arbeitsweise gewählt wird, die den größten Rammfortschritt gestattet, wodurch die Umweltbe­ lastung insgesamt verkürzt wird.

Zur Verwirklichung dieses Grundgedankens ist einerseits ein Vi­ brator zu verwenden, der während des Betriebes Frequenz und Unwuchtmasse kontinuierlich verändern kann und ein Prozessor zu entwickeln, der diesen Vibrator so regelt, daß er festgelegte Grenzwerte an Schwingungsemission und Schallemission nicht über­ schreitet und unterhalb dieser Grenzwerte sich optimale Arbeitsbe­ dingungen sucht.

Ein Vibrator, der während des Laufes nicht nur seine Frequenz, sondern auch seine Unwuchtmassen verändern kann, stellt einen entscheidenden Fortschritt in der Vibrationstechnik dar. Ein solcher Vibrator ist nämlich befähigt, seine volle Leistung über einen weiten Frequenzbereich einzusetzen. Die Leistung eines Vibrators bemißt sich nach der von ihm erzeugten Fliehkraft. Die Berech­ nungsformel für die Fliehkraft lautet:

Fliehkraft = Unwuchtmasse mal Drehzahl (zum Quadrat).

Die Fliehkraft eines Vibrators wird technisch begrenzt durch die Tragfähigkeit der Unwucht-Wellenlager, die nur Fliehkräfte bis zu einer bestimmten Größe im Dauerbetrieb abtragen können.

Ein Vibrator mit starrer Unwuchtmasse erreicht seine maximal zulässige Fliehkraft nur bei einer bestimmten Drehzahl. Überschrei­ tet er diese Drehzahl, wird er wegen Lagerüberlastung bald zu Bruch gehen. Unterschreitet er die Drehzahl verliert er dramatisch an Fliehkraft, da die Umdrehungszahl im Quadrat in die Berechnung eingeht. Erzeugt zum Beispiel ein bestimmter Vibrator bei 2.200 Upm eine Fliehkraft von 80 t, so weist er bei 1.600 Upm nur noch eine Fliehkraft von 42 t auf - das heißt er erbringt nur noch die halbe Leistung.

Schwache Vibratoren haben die Tendenz, ihre Frequenz der Eigen­ frequenz des Bodens anzupassen (physikalisches Prinzip: Schwin­ gungssysteme suchen den Zustand geringsten Energieverzehrs; es bedarf höherer Energie, einen Körper außerhalb seiner Eigenfrequenz zu erregen). Damit arbeiten sie gerade in einem Bereich, der die Schwingungsemission begünstigt. Ein solcher Vibrator wirkt gewis­ sermaßen wie ein Auto mit ausschließlich einem, dem vierten Gang: bei hohen Drehzahlen und in ebenem Gelände bestehen keine Probleme, bei niederen Drehzahlen und in steilem Gelände treten Schwierigkeiten auf.

Ein in Frequenz und Unwuchtmasse variabler Vibrator kann bei sinkender Drehzahl die Unwuchtmasse erhöhen und so über einen weiten Frequenzbereich die volle Fliehkraft aufbringen. Ein solcher Vibrator wirkt wie ein Auto mit mehreren Gängen: über einen großen Drehzahlbereich steht die volle Leistung (Fliehkraft) zur Verfügung.

Für kritische Bereiche einer Baustelle (aufstehende Gebäude, U- Bahn-Röhren usw.) werden Grenzwerte der Schwingungsbelastung festgelegt. Ebenso können Grenzwerte der Schallemission fest gelegt werden. Die Grenzwerte werden in den Prozessor eingegeben. An diesen kritischen Punkten der Baustelle werden Sensoren (Geophone, Mikriphone) angebracht, die Istwerte an den Prozessor liefern. Der Prozessor vergleicht Grenzwerte mit Istwerten und regelt den Vibra­ tor in Frequenz und Amplitude so, daß Grenzwerte nicht überschrit­ ten werden. Unterhalb der Grenzwerte wird der Vibrator so geregelt, daß er energiekonsumierende hohe Frequenzen meidet. Unter Beach­ tung all dieser Restriktionen wird der Betriebszustand gesucht, der den größten Arbeitsfortschritt gestattet. Arbeitsprotokolle über den gesamten Rammvorgang berichten über die eingegebenen Grenzwerte und deren Einhaltung.

Hierbei ist vorteilhaft, daß die Schwingungsausbreitung zuverlässig unterhalb festgelegter Grenzwerte gehalten wird, auch die Schall­ ausbreitun g zuverlässig unterhalb festgelegter Grenzwerte gehalten wird, die Schadstoffemission erheblich gesenkt wird, da höhere, energieaufwendige Frequenzen so weit möglich vermieden werden, und die Gesamt-Umweltbeeinträchtigung verkürzt wird, da unterhalb erlaubter Grenzwerte der Betriebszustand mit dem größtmöglichen Arbeitsfortschritt gesucht wird.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß bekannte Vibrationsverfahren die Umwelt in dreierlei Weise belasten: Schwingungsausbreitung kann Böden oder Gebäude schädigen, Hochfrequenzvibratoren erzeugen verstärkte Schallemission und Hochfrequenzvibratoren erzeugen er­ höhte Schadstoffemission. Ein in Frequenz und Amplitude regelbarer, prozessorgesteuerter Vibrator aber beachtet Grenzwerte der Schwin­ gungs- und Schallemission und mindert die Schadstoffemission. Er weist die Einhaltung der Grenzwerte in Arbeitsprotokollen nach.

Claims (1)

1. Verwendung eines während seines Betriebes bezüglich Frequenz und Unwuchtmasse kontinuierlich einstellbaren und mit Hilfe eines Prozessors regelbaren Vibrators zum emissionsfreien Rammen.