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GeoWerkstatt-Projekt des Monats Mai 2016 - Spektakulärer Belastungsversuch

Projekt: Spektakulärer Belastungsversuch

Forscher: Dr.-Ing. Jens-André Paffenholz, Dipl.-Ing. Ulrich Stenz

Projektidee: Monitoring einer Eisenbahnbrücke im Rahmen eines spektakulären Belastungsversuchs mit Laserscanner und Lasertracker unter einer Belastung von 600 Tonnen Gewicht.

Motivation und Ziel

Im Zuge eines interdisziplinären Belastungsversuchs wurde die alte Allerbrücke in Verden auf Ihre Tragfähigkeit untersucht. Hierzu wurde die Gewölbebrücke stufenweise mit bis zu 600 Tonnen belastet. Die übliche Verkehrslast auf der außerbetrieb gesetzten Eisenbahnbrücke lag bei etwa 100 Tonnen, womit die aufgebrachte Belastung um das sechsfache höher war. Da die enorme Last von 600 Tonnen nicht durch ein Fahrzeug auf das 14 Meter spannende Gewölbe aufgebracht werden konnte, wurde die Belastung mit Hilfe von Hydraulikzylindern erzeugt, welche auf dem Brückenbogen installiert wurden. Zur Erzeugung der Gegenkraft wurden unterhalb der Brücke Verpressanker bis zu 20m in den Boden getrieben. Die Verbindung zwischen Hydraulikzylinder und Verpressanker bildeten Gewindestangen.

Das Ziel des aufwändigen Versuchs unter der Federführung des Instituts für Massivbau der Leibniz Universität Hannover war die Überprüfung und Verbesserung der Vorhersagequalität der üblichen Rechenverfahren für Gewölbebrücken. Hierzu galt es die lastinduzierte Verformung in einem Bereich von wenigen Millimetern präzise zu bestimmen. Das Geodätische Institut beteiligte sich durch umfangreiche Messungen mit einem Laserscanner sowie einem Lasertracker zur Erfassung der Gewölbeverformung.

Abbildung 1: Blick in das Gewölbe aus Sicht der neuen Allerbrücke. Rechts: Im Vordergrund von links: Laserscanner Zoller+Fröhlich Imager 5006 und Lasertracker Leica AT960-LR. [Foto: Ulrich Stenz]
Abbildung 2: Im Vordergrund von links: Laserscanner Zoller+Fröhlich Imager 5006 und Lasertracker Leica AT960-LR. Im Hintergrund: Messbasis für die vertikalen Verformungsmessungen der Bauingenieurkollegen [Foto: Ulrich Stenz].

Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung

Für die Beobachtung der lastinduzierten Verformung an der Gewölbeunterseite mussten Standpunkte außerhalb des potentiellen Gefahrenbereichs unmittelbar unterhalb des Gewölbes gewählt werden, so dass ein mögliches Versagen des Gewölbes nicht zu einem Verlust der teuren Messtechnik führen konnte. Der Standpunktbereich von Lasertracker und Laserscanner wurde unter Berücksichtigung der maßgeblich, genauigkeitsbeeinflussenden Faktoren wie Auftreffwinkel (Laserscanner) und Objektentfernung (Lasertracker) seitlich neben dem Gewölbe unterhalb der neuen Allerbrücke gewählt (vgl. Abbildung 1 und 2).

Mit Hilfe des Laserscanners Zoller+Fröhlich Imager 5006 wurde zu Zeitpunkten, in denen eine konstante Last für wenige Minuten gehalten wurde, eine 3D-Punktwolke der Gewölbeunterseite erfasst, vgl. Abbildung 3 für den Ausschnitt der 3D-Punktwolke. Die reine Datenerfassung nahm hierbei ca. 7 Minuten in Anspruch. Eine Auswertung der Daten erfolgte im post-processing. Zur Überprüfung der Standsicherheit des Laserscanners während des Versuchs wurden fünf Zielzeichen genutzt. Diese Zielzeichen wurden in ausreichender Entfernung zum Gewölbe installiert, so dass diese durch die aufgebrachte Last keine signifikante Positionsveränderung erfuhren.

Mit dem Lasertracker Leica AT960-LR wurden innerhalb von 2 Minuten 18 ausgewählte und mit speziellen Reflektoren (CornerCubeReflektoren, CCR) ausgestattete Punkte beobachtet. Die Punkte gliederten sich in vier Stabilpunkte, ebenfalls in ausreichender Entfernung zum Gewölbe zur Standsicherheitsüberprüfung, drei Punkte auf der Messbasis der Bauingenieure sowie 11 Punkte im Gewölbebogen. Alle Punkte wurden sequentiell zu Zeitpunkten einer konstanten Last beobachtet. Zusätzlich wurde ein ausgewählter Punkt im Zeitraum des Aufbringens sowie der Rückführung der Last kontinuierlich mit einer Messrate von 1 Hz beobachtet. Die Differenz zwischen den einzelnen Epochen konnte mit Hilfe der Erfassungs- und Auswertesoftware SpatialAnalyzer (New River Kinematics) unmittelbar nach Abschluss der jeweiligen Belastungsstufe (Epoche) angegeben werden.

Abbildung 3: Detailansicht der Gewölbeunterseite während der Installation der Messtechnik [Foto: Ulrich Stenz].

Erste Ergebnisse des Laserscanners und des Lasertrackers

Abbildung 4 zeigt die erste Auswertung der 3D-Punktwolken des Laserscanners. Hierzu wurden Punktwolke-zu-Punkwolke Distanzen zwischen dem Grundlastniveau von 0.1 MN und dem maximalen Lastniveau von 6 MN mit Hilfe von CloudCompare berechnet. Die maximalen Verformungen im Bereich von 15 mm (blau) treten im Bereich des Gewölbescheitels auf.

Die Verformungen für die CCR Punkte wurden bezüglich der zu erwarteten Magnituden in drei Gruppen unterteilt: Bogenpunkte, Messbasis und Stabilpunkte. Für eine aussagekräftige Analyse ist sicherzustellen, dass sie Stabilpunkte keine signifikante Veränderung erfahren, was in der Regel gegeben war. Die größte Verformung tritt an den Punkten im Gewölbescheitel auf. Abbildung 5 zeigt die Magnitude des Verformungsvektors zwischen dem Grundlastniveau von 0.1 MN und der Belastung von 4 MN mit einer maximalen Größe von 10 mm.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die vom GIH erfassten Daten mit Laserscanner und Lasertracker untereinander sowie der Vergleich mit den vertikalen Verformungsmessungen der Bauingenieure eine gute Übereinstimmung zeigen. Die detaillierte Analyse sowie weitere explizite Vergleiche der erfassten Messdaten sind in Vorbereitung.

Abbildung 4: Punktwolke-zu-Punktwolke Distanzen in Millimeter zwischen dem Grundlastniveau von 0.1 MN und der maximalen Belastung von 6 MN.
Abbildung 5: Verformungsvektor der CCR Punkte, farbcodierte Magnitude in Millimeter für den Vergleich zwischen dem Grundlastniveau von 0.1 MN und der Belastung von 4 MN.

 

Wo finde ich mehr darüber?

Weitere Informationen zum Bearbeitungsstand sind auf den Webseiten des GIH zu finden

Für den Juni 2016 ist ein zweiter Belastungsversuch an der Eisenbahnbrücke geplant. Der Versuch wird sich vom ersten dahingehend unterscheiden, dass das Material um den Bogen herum vollständig abgetragen sein wird.

 

 

Abbildung 5: Pressecho zum Belastungsversuch am 17. März 2016 [Quelle: DRadio Wissen, HAZ, Kreiszeitung.de, radiobremen; Sat1.Regional]

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