EP1877749A1 - Verfahren zur durchführung von dauerschwingversuchen an einem prüfkörper sowie prüfvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur durchführung von dauerschwingversuchen an einem prüfkörper sowie prüfvorrichtung

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EP1877749A1
EP1877749A1 EP06721230A EP06721230A EP1877749A1 EP 1877749 A1 EP1877749 A1 EP 1877749A1 EP 06721230 A EP06721230 A EP 06721230A EP 06721230 A EP06721230 A EP 06721230A EP 1877749 A1 EP1877749 A1 EP 1877749A1
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EP
European Patent Office
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test
test body
vibration exciter
spring
frame
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06721230A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Kollegger
Bernd KÖBERL
Herbert Pardatscher
Markus Vill
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Wien
Original Assignee
Technische Universitaet Wien
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N2203/026Specifications of the specimen
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    • G01N2203/0278Thin specimens
    • G01N2203/028One dimensional, e.g. filaments, wires, ropes or cables

Definitions

  • the invention relates to a method for carrying out fatigue experiments on a test specimen and a device for carrying out the method.
  • Structures whose fatigue behavior is to be taken into account in dimensioning are either dimensioned according to standards or sufficient resistance to fatigue failure by means of fatigue tests can be demonstrated.
  • Fatigue tests are used, for example, for assessing the fatigue behavior of angled cables and cable-stayed anchors for cable-stayed or cable-stayed bridges, as well as for coupling tensioning cables in prestressed reinforced concrete structures.
  • the fatigue behavior is influenced by the following factors:
  • Fatigue tests on small components can be performed with servo-hydraulic testers or Hydropx ⁇ sanlagen with high frequencies (20 to 100 Hertz).
  • large components such as Slanted cable anchors, which require a basic force of approx. 2500 kN, reduce the test frequency of servo-hydraulic test systems to approx. 1 hertz.
  • Hydropulse systems are only offered by test equipment manufacturers in the force range up to a maximum of 2500 kN. At present, there are three large plants in Europe where fatigue tests are carried out for large components, e.g. Slanted cable, can be performed.
  • a second test facility is located at the Eidjaen Materialprüfweg in D Weg, Switzerland.
  • the basic force is applied with hydraulic presses.
  • the oscillating load is applied by the servo-hydraulically controlled extension and retraction of hydraulic presses.
  • the achievable test frequency is therefore in the order of 1 Hertz.
  • the third test device is located at the Laboratoire central de ponts et clices, France.
  • the basic force is applied to the test specimen (length approx. 5.20 m) by means of three hydraulic presses and to a temporary cable (length 13.80 m).
  • the swinging load is generated by small dynamic presses.
  • slightly higher test frequencies than at the test facility of the Technical University of Kunststoff and the EMPA are possible.
  • the invention has for its object to provide a method and a test device that allow fatigue experiments with much higher frequencies and with a lower energy input than in the known designs.
  • This object is procedurally achieved in that the specimen is exposed in a spring stiffness system having a static stress and is additionally exposed by means of a vibration exciter vibrational stress, wherein in the system for the static stress, a closed power flow is generated.
  • the spring stiffness of the oscillating mass system is adjusted to obtain the first natural frequency that constitutes the test frequency, either adjusting the spring stiffness and / or increasing or decreasing the vibrating masses, and performing the fatigue test at that first natural frequency.
  • a test frequency of the fatigue test is set between 5 and 100 Hz, in particular between 25 and 50 Hz.
  • test specimen is fastened in a test rig having a high rigidity, the force flow being closed via the test frame, the test specimen and via a resilient connection.
  • the rigidity of the test frame is expedient at least 5 times, preferably at least 10 times, higher than the rigidity of the test specimen.
  • the vibrations are caused mechanically or electromechanically.
  • a suitable variant is characterized in that the vibration is damped.
  • a test device for carrying out the method according to the invention is characterized by the combination of the following features: a test frame with at least one support for coupling a
  • Test specimen one acting between the specimen and the test frame
  • the spring device is mechanically coupled on the one hand via the loading device with the test frame and on the other hand with the test specimen, wherein the vibration exciter is preferably provided at the coupling point between the spring means and the test specimen.
  • the vibration generator is designed as a mechanical vibration exciter and provided on a arranged between the spring means and the test body holding means, such as a housing, wherein preferably on the holding means balancing masses are attached
  • the vibration exciter is suitably guided in the direction of vibration by means of a guide device, preferably formed by a suspension device or a linear guide, such as a slide bearing.
  • test piece is coupled with one end portion on the test frame and the other end via the loading device to the test frame, and that the vibration generator is coupled via the spring means to the test frame and on the Test body acts between its end regions, wherein the vibration exciter is preferably designed as a mechanical vibration exciter.
  • a test device for bending fatigue tests is characterized in that the test body is coupled with its end portions with the test frame and claimed between its end via at least one spring means which is attached on the one hand to the test frame and on the other hand via the loading device with the test body, subjected to bending is, where appropriate, the vibration exciter is coupled to the test specimen optionally with the interposition of balancing weights
  • Fig. 1 a fiction, contemporary test apparatus for fatigue experiments in a standing arrangement for testing an anchorage of an inclined cable (The vibration stress is applied by means of a mechanical unbalance exciter).
  • Fig. 2 is a section along the line II-II of Fig. 1st
  • Fig. 3 shows a second embodiment of the test device in a vertical arrangement for testing a tendon coupling (The vibration stress is applied with two electromechanical vibration exciters).
  • FIG. 4 shows a section along the line IV-IV of FIG. 3 and FIG. 5.
  • FIG. 5 shows a section along the line V-V of FIG. 3 and FIG. 4.
  • FIG. 6 shows a plan view of a third embodiment of the test device in a horizontal arrangement for testing a tendon coupling (the vibration stress is applied by means of a mechanical unbalance exciter.)
  • the structure for receiving the unbalance exciter, the additional masses and the two anchors is suspended upwards with steel cables.
  • FIG 8 shows the layout of a fourth embodiment of the test apparatus in a horizontal arrangement for testing an anchoring cable (The vibration stress is applied by means of a mechanical unbalance exciter.)
  • the steel structure for receiving the unbalance exciter, the additional masses and the two anchors is mounted on a plain bearing).
  • FIG. 9 is a section along the line IX-IX of FIG. 8th 10 shows a fifth embodiment of the test device for testing a saddle of a
  • Angled cable (A saddle is used to deflect an inclined cable in the pylon of a
  • Fig. 1 1 is a section along the line XI-XI in Fig. 10.
  • Fig. 12 shows a sixth embodiment of the test apparatus for testing a beam
  • a test arrangement 6 is provided centrally and parallel to the longitudinal columns 2, formed by a test piece 7 fixed to the lower crosshead 4, a holding device 8 coupled to the test piece 7 for a vibration exciter 9 and one with the holding device 8 coupled spring device 10, designed as a pull rope.
  • the upper end of the traction cable 10 is coupled to the upper crosshead 3 via a hydraulic cylinder 11, such as a hydraulic press.
  • a damping element 22 is provided between the crosshead 3 and the hydraulic cylinder 11, a damping element 22 is provided.
  • the vibration exciter 9 is a mechanical unbalance exciter, as it e.g. from "Building Dynamics Practical” by Rainer Flesch, Bauverlag GmbH, Wiesbaden and Berlin, is known, trained.
  • test piece 7 is a piece of a cable, which is provided at its ends with anchors 13, which are also or actually subjected to the test.
  • the rigidity of the test frame 1 is at least 5, preferably 10 times greater than that of the test arrangement 6.
  • the test frame 1 forms with the test assembly 6, ie the test body 7, the vibration exciter 9 with the holding device 8 and acting as a spring device traction cable 10, a system , which has a certain spring stiffness, wherein the power flow is closed in the system.
  • the dynamic system is in the resonance state (ie in the first natural frequency) during the experiment. This first natural frequency or the natural angular frequency depends essentially on the stiffness of the spring device 10, the test body 7, the holding device 8 and the test frame 1 and on the mass density of the system.
  • the first natural frequency of the system can be adjusted over the length and thickness of the traction cable 10 and the mass of the vibrator 9 and the additional masses 12 at the coupling point between the test piece 7 and 10 traction cable.
  • the excitation force of the mechanical unbalance exciter depends on the rotating masses and the set speed. This excitation force is multiplied by the resonant dynamic magnification factor (e.g., 50% attenuation equal to 1%).
  • the main advantages of this test device are the very high test speed and the low energy consumption during the tests compared to conventional systems.
  • the energy costs for the operation and possible cooling of the vibrator 9 amount to only a fraction of the cost of operating and cooling a hydraulic unit.
  • the duration of the test is reduced for 2 million load changes at a frequency of 40 hertz to 13.9 hours compared to 23 days at a frequency of 1 hertz.
  • a vibration exciter 9 operating on an electromechanical basis is provided, which is supported on the foundation block 5 for the test frame 1 and coupled via a cross member 14 to the traction cable 10 and the test body 7.
  • the test specimen is formed by two tendon pieces, which are connected to a coupling 15.
  • Vibration exciters 9 on mechanical (counter-rotating masses) and electromechanical basis are available in the desired test range of 5 to 100 hertz and for the required forces on the market.
  • the arrangement of the test device can be both upright and lying and depends on the circumstances of the test hall. In a horizontal arrangement of the vibration exciter 9 must be stored accordingly, so that movement in Longitudinal direction of the test piece 7 is given. This can be realized by a corresponding rolling or sliding bearing, as shown in FIGS. 8 and 9, or a suspension 17 according to FIGS. 6 and 7.
  • the vibration generator 9 is attached to the saddle 18 and the spring device 10 - also a pull rope 10 - is in the direction of vibration, starting from the coupling with the saddle 18 to the test frame 1 directed and coupled with this also.
  • the tensile force is applied here with a hydraulic press 11 on the both sides with the test frame 1 coupled cable 19.
  • FIGS. 12 and 13 illustrate a test frame 1 for carrying out a fatigue test on a load-bearing beam 20, such as a reinforced concrete beam.
  • the force causing the bending is applied by hydraulic presses 11 3 which are mounted transversely to the carrier 20 cross members 21, applied, between the hydraulic presses and the test frame 1 spring elements 10, for example, tie rods, are provided, over which the power flow is closed.
  • a damping element 22 is provided in the direction of action of the vibration generated by a mechanical vibration generator 9. Additional masses 12 are provided here between the vibration exciter 9 and the carrier 20.
  • spring elements 10 can - as described - traction cables or tension rods (made of steel or plastic, optionally fiber-reinforced) but also pressure rods are used.

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Abstract

Ein Verfahren zur Durchführung von Dauerschwingversuchen an einem Prüfkörper (7) ist zur Ermöglichung einer Steigerung der Prüffrequenz, insbesondere bei hoher Belastung des Prüfkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (7) in einem eine Federsteifigkeit aufweisenden System einer statischen Beanspruchung ausgesetzt wird und zusätzlich mittels eines Schwingungserregers (9) einer Schwingungsbeanspruchung ausgesetzt wird, wobei im System für die statische Beanspruchung ein geschlossener Kraftfluss erzeugt wird.

Description

Verfahren zur Durchführung von Dauerschwingversuchen an einem Prüfkörper sowie Prüfvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Dauerschwingversuchen an einem Prüfkörper sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Im Bauwesen und im Maschinenbau erfahren viele Konstruktionen durch eine wiederkehrende Belastung, selbst wenn diese weit unter der statischen Festigkeit des Materials liegt, Schädigungen des Materialgefüges. Bei ausreichend oft wiederkehrender Beanspruchung kann die fortschreitende Schädigung zu einem Ermüdungsversagen des Werkstoffes führen.
Konstruktionen, deren Ermüdungsverhalten bei der Bemessung zu berücksichtigen ist, werden entweder normgemäß dimensioniert oder es wird ein ausreichender Widerstand gegen Ermüdungsversagen durch Dauerschwingversuche nachgewiesen.
Dauerschwingversuche werden zum Beispiel für die Beurteilung des Ermüdungsverhaltens von Verankerungen von Schrägkabeln und Schrägseüen für Schrägkabel- bzw. Schrägseilbrücken sowie für Kopplungen von Spannkabeln bei vorgespannten Stahlbetonkonstruktionen herangezogen.
Untersuchungen zum Ermüdungsverhalten von Verankerungen an Schrägseilen werden in der Regel für 2 Millionen Lastwechsel durchgeführt. Die Oberlasten, die bei Schrägkabeln aus Parallellitzen 45% der Nennzugfestigkeit entsprechen, und die Akzeptanzkriterien richten sich nach den entsprechenden Normen, z.B. den PTI-Recommendations for stay cable design, testing and Installation. Die Schwingbreiten, mit denen die Versuche durchgeführt werden, richten sich nach den maximalen Schwingbreiten, die im Bauwerk auftreten können. Das Verhältnis zwischen den Schwingbreiten im Versuch und im Bauwerk wird für das Einzelbauwerk festgelegt und ist nicht normativ geregelt.
Das Ermüdungsverhalten wird von folgenden Faktoren beeinflusst:
- Ausbildung bzw. Verguss des Seilkopfes
- Korrosion
- Lokale Reibung
- Ausbildung der Sättel
- Umlenkungen innerhalb der Verankerungen Die Ermüdungsversuche für Schrägkabel werden im Normalfall mit axialer Belastung durchgeführt. Die Winkeländerungen an den Verankerungsstellen, die sich durch Durchbiegungen der Fahrbahnplatte ergeben, wurden in Versuchen entsprechend simuliert. In Richtlinien wird auch die Möglichkeit dargestellt, die Seilverankerung während des Versuchs um einen definierten Winkel zu verdrehen.
Dauerschwingversuche an kleinen Bauteilen (Prüfkraflt bis ca. 2500 kN) können mit servo- hydraulischen Prüfvorrichtungen oder Hydropxύsanlagen mit hohen Frequenzen (20 bis 100 Hertz) durchgeführt werden. Für große Bauteile, wie z.B. Schrägkabelverankerungen, die eine Grundkraft über ca. 2500 kN erfordern, reduziert sich die Prüffrequenz bei servo- hydraulischen Prüfanlagen auf ca. 1 Hertz. Hydropulsanlagen werden von den Prüfgeräteherstellern nur im Kraftbereich bis maximal 2500 kN angeboten. Derzeit gibt es in Europa drei große Anlagen, an welchen Dauerschwingversuche für große Bauteile, wie z.B. Schrägkabel, durchgeführt werden können.
In der Prüfvorrichtung der Technischen Universität München werden drei statische Zylinder zum Aufbringen der Grundkraft und drei Zylinder zum Aufbringen der dynamischen Belastung eingesetzt. Die schwingende Belastung wird durch das Aus- und Einfahren der drei Zylinder für die dynamische Belastung erzeugt. Mit dieser Vorrichtung werden Prüffrequenzen in der Größenordnung von 1 Hertz erreicht. Ein Versuch für 2 Millionen Lastwechsel dauert demnach ca. 23 Tage. Das Ein- und Ausfahren der Zylinder wird über servo-hydrauiische Steuerventile bewerkstelligt und erfordert einen hohen Energieeinsatz, vorwiegend zur Kühlung des Hydrauliköls.
Eine zweite Prüfanlage befindet sich bei der Eidgenossischen Materialprüfanstalt in Dübendorf, Schweiz. Die Grundkraft wird mit hydraulischen Pressen aufgebracht. Die schwingende Belastung wird durch das servo-hydraulisch gesteuerte Ein- und Ausfahren von hydraulischen Pressen aufgebracht. Die erzielbare Prüffrequenz liegt deshalb in der Größenordnung von 1 Hertz. Es ergeben sich dieselben Nachteile wie oben dargelegt.
Die dritte Prüfvorrichtung befindet sich am Laboratoire central de ponts et chaussees, Frankreich. Die Grundkraft wird mittels drei hydraulischer Pressen auf den Prüfkörper (Länge ca. 5,20 m) und auf ein Behelfskabel (Länge 13,80 m) aufgebracht. Die schwingende Belastung wird mit kleinen dynamischen Pressen erzeugt. Dadurch sind geringfügig höhere Prüffrequenzen als bei der Prüfanlage der Technischen Universität München und der EMPA möglich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Prüfvorrichtung zu schaffen, die Dauerschwingversuche mit wesentlich höheren Frequenzen und mit einem niedrigeren Energieeinsatz als bei den bekannten Ausführungen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass der Prüfkörper in einem eine Federsteifigkeit aufweisenden System einer statischen Beanspruchung ausgesetzt wird und zusätzlich mittels eines Schwingungserregers einer Schwingungsbeanspruchung ausgesetzt wird, wobei im System für die statische Beanspruchung ein geschlossener Kraftfluss erzeugt wird.
Vorzugsweise wird die Federsteifigkeit des Systems mit schwingenden Massen zur Erzielung der ersten Eigenfrequenz, die die Prüffrequenz bildet, abgeglichen, wobei entweder die Federsteifigkeit eingestellt wird und/oder die schwingenden Massen vergrößert oder verkleinert werden, und wird der Dauerschwingversuch mit dieser ersten Eigenfrequenz durchgeführt.
Erfindungsgemäß gelingt es bei hohen Grundlasten — wie z.B. über 2500 IcN - mit im Vergleich zum Stand der Technik hohen Frequenzen zu prüfen; vorzugsweise wird eine Prüffrequenz des Dauerschwingversuches zwischen 5 und 100 Hz, insbesondere zwischen 25 und 50 Hz, eingestellt.
Eine bevorzugte Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper in einem eine hohe Steifigkeit aufweisenden Prüfrahmen befestigt wird, wobei der Kraftfluss über den Prüfrahmen, den Prüfkörper und über eine federnde Verbindung geschlossen wird.
Hierbei ist zweckmäßig die Steifigkeit des Prüfrahmens mindestens 5 mal, vorzugsweise mindestens 10 mal, höher als die Steifigkeit des Prüfkörpers.
Vorzugsweise werden die Schwingungen mechanisch oder elektromechanisch verursacht.
Eine zweckmäßige Variante ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung gedämpft wird.
Hierbei wird vorteilhaft ein dynamischer Vergrößerungsfaktor, der die vom Schwingungserreger erzeugte Kraft vergrößert, über ein im Kraftfluss vorgesehenes Dämpfungsglied eingestellt. Eine Prüfvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet: einen Prüfrahmen mit zumindest einer Auflage zur Koppelung eines
Prüfkörpers mit zumindest einem seiner Endbereiche, - einer Belastungseinrichtung zur Aufbringung einer Grandkraft auf den
Prüfkörper, einer zwischen dem Prüfkörper und dem Prüfrahmen wirkenden
Federeinrichtung, und einem mit dem Prüfkörper mechanisch koppelbaren Schwingungserreger.
Zweckmäßig ist die Federeinrichtung einerseits über die Belastungseinrichtung mit dem Prüfrahmen und andererseits mit dem Prüfkörper mechanisch gekoppelt, wobei der Schwingungserreger vorzugsweise an der Koppelstelle zwischen der Federeinrichtung und dem Prüfkörper vorgesehen ist.
Gemäß einer bevorzugten Variante ist der Schwingungserreger als mechanischer Schwingungserreger ausgebildet und an einer zwischen der Federeinrichtung und dem Prüfkörper angeordneten Halteeinrichtung, wie einem Gehäuse, vorgesehen, wobei vorzugsweise an der Halteeinrichtung Ausgleichsmassen anbringbar sind
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserreger als elektromechanischer Schwingungserreger ausgebildet ist und einerseits gegenüber dem Prüfrahmen unbeweglich und andererseits über eine mechanische Koppelung mit dem Prüfkörper sowie der Federeinrichtung an der Koppelstelle der Federeinrichtung mit dem Prüfkörper gekoppelt ist
Bei einer liegenden Anordnung der Prüfvorrichtung ist zweckmäßig der Schwingungserreger in Schwingungsrichtung mittels einer Führungsungseinrichtung geführt, vorzugweise gebildet von einer Aufhängevorrichtung oder einer Linearführung, wie einem Gleitlager.
Zur Prüfung eines Umlenksattels für ein Schrägkabel ist die Prüfvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper mit einem Endbereich am Prüfrahmen und mit dem anderen Endbereich über die Belastungseinrichtung mit dem Prüfrahmen gekoppelt ist, und dass der Schwingungserreger über die Federeinrichtung mit dem Prüfrahmen gekoppelt ist und auf den Prüfkörper zwischen seinen Endbereichen einwirkt, wobei der Schwingungserreger vorzugsweise als mechanischer Schwingungserreger ausgebildet ist. Eine Prüfvorrichtung für Biege-Dauerschwingversuche ist dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper mit seinen Endbereichen mit dem Prüfrahmen gekoppelt ist und zwischen seinen Endbereichen über mindestens eine Federeinrichtung, die einerseits am Prüfrahmen befestigt ist und andererseits über die Belastungseinrichtung mit dem Prüfkörper gekoppelt ist, auf Biegung beansprucht ist, wobei zweckmäßig der Schwingungserreger mit dem Prüfkörper gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Ausgleichsmassen gekoppelt ist
Für die Federeinrichtung bieten sich sowohl Zugglieder als auch Druckglieder an.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der in den Fig. 1 bis 13 dargestellten unterschiedlichen Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungs gemäße Prüfvorrichtung für Dauerschwingversuche in einer stehenden Anordnung zur Prüfung einer Verankerung eines Schrägkabels (Die Schwingbeanspruchung wird mittels eines mechanischen Unwuchterregers aufgebracht).
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1.
Fig. 3 eine zweite Ausfuhrungsform der Prüfeinrichtung in einer stehenden Anordnung zur Prüfung einer Spanngliedkopplung (Die Schwingbeanspruchung wird mit zwei elektromechanischen Schwingungserregern aufgebracht).
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3 und Fig. 5.
Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V der Fig. 3 und Fig. 4.
Fig. 6 den Grundriss einer dritten Ausführungsform der Prüfvorrichtung in einer liegenden Anordnung zur Prüfung einer Spanngliedkopplung (Die Schwingbeanspruchung wird mittels eines mechanischen Unwuchterregers aufgebracht. Die Konstruktion zur Aufnahme des Unwuchterregers, der Zusatzmassen und der beiden Verankerungen ist nach oben mit Stahlseilen abgehängt.).
Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII der Fig. 6.
Fig. 8 den Grundriss einer vierten Ausführungsform der Prüfvorrichtung in einer liegenden Anordnung zur Prüfung einer Verankerung eines Schrägkabels (Die Schwingbeanspruchung wird mittels eines mechanischen Unwuchterregers aufgebracht. Die Stahlkonstruktion zur Aufnahme des Unwuchterregers, der Zusatzmassen und der beiden Verankerungen ist auf einem Gleitlager gelagert).
Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX der Fig. 8. Fig. 10 eine fünfte Ausführungsform der Prüfvorrichtung zur Prüfung eines Sattels eines
Schrägkabels (Ein Sattel dient zur Umlenkung eines Schrägkabels im Pylon einer
Schrägkabelbrücke).
Fig. 1 1 einen Schnitt längs der Linie XI-XI in Fig. 10. Fig. 12 eine sechste Ausführungsform der Prüfvorrichtung zur Prüfung eines Balkens aus
Stahlbeton (Die Grundkraft wird mit vier hydraulischen Pressen auf die vier
Federeinrichtungen und den Prüfkörper aufgebracht). Fig. 13 einen Schnitt längs der Linie XIII-XIII in Fig. 12.
Ein Prüfrahmen 1, gebildet von zwei vertikal gerichteten Längssäulen 2, die mit Querhäuptern 3, 4 oben und unten zu einem Rahmen verbunden sind, ist auf einem Fundamentblock 5 montiert. Zwischen dem oberen und unteren Querhaupt 3, 4 ist mittig und parallel zu den Längssäulen 2 eine Prüfanordnung 6 vorgesehen, gebildet von einem am unteren Querhaupt 4 fixierten Prüfkörper 7, einer mit dem Prüfkörper 7 gekoppelten Halteeinrichtung 8 für einen Schwingungserreger 9 und einer mit der Halteeinrichtung 8 gekoppelten Federeinrichtung 10, ausgebildet als Zugseil. Das obere Ende des Zugseiles 10 ist mit dem oberen Querhaupt 3 über einen Hydraulikzylinder 11, wie eine hydraulische Presse, gekoppelt. Zwischen dem Querhaupt 3 und dem Hydraulikzylinder 11 ist ein Dämpfungselement 22 vorgesehen.
An der Halteeinrichtung 8, die als den Schwingungserreger 9 aufnehmendes Gehäuse ausgebildet ist, können Zusatzmassen 12 zur Einstellung der ersten Eigenfrequenz — die die Prüffrequenz bildet — montiert werden.
Der Schwingungserreger 9 ist als mechanischer Unwuchterreger, wie er z.B. aus "Baudynamik praxisgerecht" von Rainer Flesch, Bauverlag GmbH, Wiesbaden und Berlin, bekannt ist, ausgebildet.
Bei dem Prüfkörper 7 handelt es sich um ein Stück eines Schrägseiles, das an seinen Enden mit Verankerungen 13, die ebenfalls bzw. eigentlich der Prüfung unterzogen werden, versehen ist.
Die Steifigkeit des Prüfrahmens 1 ist mindestens 5, vorzugsweise 10 mal größer als die der Prüfanordnung 6. Der Prüfrahmen 1 bildet mit der Prüfanordnung 6, d.h. dem Prüfkörper 7, dem Schwingungserreger 9 mit der Halteeinrichtung 8 und dem als Federeinrichtung wirkenden Zugseil 10, ein System, das eine bestimmte Federsteifigkeit aufweist, wobei der Kraftfluß im System geschlossen ist. Das dynamische System befindet sich während des Versuches im Resonanzzustand (d.h. in der ersten Eigenfrequenz). Diese erste Eigenfrequenz bzw. die Eigenkreisfrequenz hängt im Wesentlichen von der Steifigkeit der Federeinrichtung 10, des Prüfkörpers 7, der Halteeinrichtung 8 und des Prüfrahmens 1 sowie von der Massenbelegung des Systems ab. Die erste Eigenfrequenz des Systems kann über die Länge und Dicke des Zugseiles 10 und die Masse des Schwingungserregers 9 sowie über die Zusatzmassen 12 bei der Koppelstelle zwischen Prüfkörper 7 und Zugseil 10 eingestellt werden. Somit ist es möglich, durch die richtige Wahl der Zusatzmassen 12 und der Dehnsteifigkeit des Zugseiles 10 die Prüffrequenz zwischen 5 und 100 Hertz zu variieren.
Die Erregerkraft des mechanischen Unwuchterregers hängt von den rotierenden Massen und von der eingestellten Drehzahl ab. Diese Erregerkraft wird durch den dynamischen Vergrößerungsfaktor im Resonanzzustand vervielfacht (z.B. für eine Dämpfung gleich 1% auf das 50-fache).
Die wesentlichen Vorteile dieser Prüfeinrichtung bestehen in der sehr großen Prüfgeschwindigkeit und im geringen Energiebedarf während der Versuche im Vergleich zu den herkömmlichen Anlagen. Die Energiekosten zum Betrieb und zur eventuellen Kühlung des Schwingungserregers 9 betragen nur einen Bruchteil der Kosten für den Betrieb und die Kühlung eines Hydraulikaggregates. Die Dauer der Prüfung reduziert sich für 2 Millionen Lastwechsel bei einer Frequenz von 40 Hertz auf 13,9 Stunden gegenüber 23 Tagen bei einer Frequenz von 1 Hertz.
Gemäß der in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellten Ausführungsform ist ein auf elektromechanischer Basis arbeitender Schwingungserreger 9 vorgesehen, der am Fundamentblock 5 für den Prüfrahmen 1 abgestützt ist und über einen Querträger 14 mit dem Zugseil 10 und dem Prüfkörper 7 gekoppelt ist. Der Prüfkörper ist von zwei Spanngliedstücken, die mit einer Koppelung 15 verbunden sind, gebildet.
Schwingungserreger 9 auf mechanischer (gegenläufig rotierenden Massen) und auf elektromechanischer Basis sind im angestrebten Prüfbereich von 5 bis 100 Hertz und für die erforderlichen Kräfte am Markt erhältlich.
Die Anordnung der Prüfvorrichtung kann sowohl stehend als auch liegend sein und richtet sich nach den Gegebenheiten der Prüfhalle. Bei einer liegenden Anordnung muss der Schwingungserreger 9 entsprechend gelagert werden, damit eine Bewegung in Längsrichtung des Prüfkörpers 7 gegeben ist. Dies kann durch eine entsprechende rollende oder gleitende Lagerung, wie in den Fig. 8 und 9 dargestellt, oder eine Abhängung 17 gemäß den Fig. 6 und 7 realisiert werden.
Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Prüfvorrichtung zur Prüfung eines Sattels 18 für ein Schrägseil 19. Der Schwingungserreger 9 ist am Sattel 18 befestigt und die Federeinrichtung 10 - ebenfalls ein Zugseil 10 - ist in Schwingungsrichtung ausgehend von der Koppelung mit dem Sattel 18 zum Prüfrahmen 1 gerichtet und mit diesem ebenfalls gekoppelt. Die Zugkraft wird hier mit einer hydraulischen Presse 11 auf das beiderends mit dem Prüfrahmen 1 gekoppelte Schrägseil 19 aufgebracht.
In den Fig. 12 und 13 ist ein Prüfrahmen 1 zur Durchführung eines Dauerschwingversuches an einem auf Biegung belasteten Träger 20, wie einem Stahlbetonträger, veranschaulicht. Die die Biegung bewirkende Kraft wird von hydraulischen Pressen 113 die an den Träger 20 quer übergreifenden Querträgern 21 gelagert sind, aufgebracht, wobei zwischen den hydraulischen Pressen und dem Prüfrahmen 1 Federelemente 10, z.B. Zugstäbe, vorgesehen sind, über die der Kraftfluß geschlossen ist.
Zwischen dem Träger 20 und dem Prüfrahmen 1 ist in Wirkungsrichtung der über einen mechanischen Schwingungserreger 9 atifgebrachten Schwingung ein Dämpfungselement 22 vorgesehen. Zusatzmassen 12 sind hier zwischen dem Schwingungserreger 9 und dem Träger 20 vorgesehen.
Als Federelemente 10 können — wie beschrieben — Zugseile bzw. Zugstäbe (aus Stahl oder Kunststoff, gegebenenfalls faserverstärkt) aber auch Druckstäbe eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Durchführung von Dauerschwingversuchen an einem Prüfkörper (7, 15, 18, 19, 20), dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (7, 15, 18, 19, 20) in einem eine Federsteifigkeit aufweisenden System einer statischen Beanspruchung ausgesetzt wird und zusätzlich mittels eines Schwingungserregers (9) einer Schwinguhgsbeanspruchung ausgesetzt wird, wobei im System für die statische Beanspruchung ein geschlossener Kraftfluss erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit des Systems mit schwingenden Massen (12) zur Erzielung einer ersten Bigenfrequenz, die die Prüffrequenz bildet, abgeglichen wird, wobei entweder die Federsteifigkeit eingestellt wird und/oder die schwingenden Massen (12) vergrößert oder verkleinert werden, und dass der Dauerschwingversuch mit dieser ersten Eigenfrequenz durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Prüffrequenz des Dauerschwingversuches zwischen 5 und 100 Hz, vorzugsweise zwischen 25 und 50 Hz, eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (7, 15, 18, 19, 20) in einem eine hohe Steifigkeit aufweisenden Prüfrahmen (1) befestigt wird, wobei der Kraftfluss über den Prüfrahmen (1), den Prüfkörper (7, 15, 18, 19, 20) und über eine federnde Verbindung (10) geschlossen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des Prüfrahmens (1) mindestens 5 mal, vorzugsweise mindestens 10 mal, höher ist als die Steifigkeit des Prüfkörpers (7, 15, 18, 19, 20).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen mechanisch oder elektromechanisch verursacht werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung gedämpft wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein dynamischer Vergrößerungsfaktor, der die vom Schwingungserreger (9) erzeugte Kraft vergrößert, über ein im Kraftfluss vorgesehenes Dämpfungsglied (22) eingestellt wird.
9. Prüfvorrichtung für an einem Prüfkörper (7, 15, 18, 19, 20) durchzuführende Dauerschwingversuche nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: einen Prüfrahmen (1) mit zumindest einer Auflage zur Koppelung eines Prüfkörpers (7, 15, 18, 193 20) mit zumindest einem seiner Endbereiche, einer Belastungseinrichtung (1 1) zur Aufbringung einer Grundkraft auf den Prüfkörper (7, 15, 18, 19, 20), einer zwischen dem Prüfkörper (7, 15, 18, 19, 20) und dem Prüfrahmen (1) wirkenden Federeinrichtung (10), und
- einem mit dem Prüfkörper (7, 15, 18, 19, 20) mechanisch koppelbaren Schwingungserreger (9).
10. Vorrichtung nach Ansprach 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (10) einerseits über die Belastungseinrichtung (11) mit dem Prüfrahmen (1) und andererseits mit dem Prüfkörper (7) mechanisch gekoppelt ist, wobei der Schwingungserreger (9) vorzugsweise an der Koppelstelle zwischen der Federeinrichtung (10) und dem Prüfkörper (7) vorgesehen ist (Fig. 1).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserreger (9) als mechanischer Schwingungserreger ausgebildet ist und an einer zwischen der Federeinrichtung (10) und dem Prüfkörper (7) angeordneten Halteeinrichtung (8), wie einem Gehäuse, vorgesehen ist, wobei vorzugsweise an der Halteeinrichtung (8) Ausgleichsmassen (12) anbringbar sind (Fig. 1).
12. Vorrichtung nach Ansprach 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserreger als elektromechanischer Schwingungserreger ausgebildet ist und einerseits gegenüber dem Prüfrahmen (1) unbeweglich und andererseits über eine mechanische Koppelung mit dem Prüfkörper (7) sowie der Federeinrichtung (10) an der Koppelstelle der Federeinrichtung (10) mit dem Prüfkörper (7) gekoppelt ist (Fig. 4).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserreger (9) in Schwingungsrichtung mittels einer Führungsungseinrichtung geführt ist, vorzugweise gebildet von einer Aufhängevorrichtung (17) oder einer Linearführung (16), wie einem Gleitlager (Fig. 7, 9).
14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (18, 19) mit einem Endbereich am Prüfrahmen (1) und mit dem anderen Endbereich über die Belastungseinrichtung (11) mit dem Prüfrahmen (1) gekoppelt ist, und dass der Schwingungserreger (9) über die Federeinrichtung (10) mit dem Prüfrahmen (1) gekoppelt ist und auf den Prüfkörper (18, 19) zwischen seinen Endbereichen einwirkt, wobei der Schwingungserreger (9) vorzugsweise als mechanischer Schwingungserreger ausgebildet ist (Fig. 10).
15. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (20) mit seinen Endbereichen mit dem Prüfrahmen (1) gekoppelt ist und zwischen seinen Endbereichen über mindestens eine Federeinrichtung (10), die einerseits am Prüfrahmen (1) befestigt ist und andererseits über die Belastungseinrichtung (11) mit dem Prüfkörper (20) gekoppelt ist, auf Biegung beansprucht ist (Fig. 12).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungserreger (9) mit dem Prüfkörper (20) gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Ausgleichsmassen (12) gekoppelt ist (Fig. 12).
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (10) von mindestens einem Zugglied oder Druckglied gebildet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Prüfrahmen (1) und dem Schwingungserreger (9) eine Dämpfungseinrichtung (22) vorgesehen ist.
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