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Untersuchung von Erschuetterungsauswirkungen durch Ramm- und Ruettelgeraete auf erdverlegte Rohrleitungen

Im Tiefbaubereich werden Ramm- und Verdichtungs- (Ruettel-) Arbeiten durchgefuehrt, deren Schwingungsbelastungen sich im Untergrund fortpflanzen und Auswirkungen auf Bauwerke haben. erschuetterungserzeugende Geraete sind vor allem Bodenverdichter sowie Rammen oder Meissel zum Einbringen von Bauteilen oder z.B. zum Brechen von Fahrbahndecken. Fuer erschuetterungsempfindliche Bauwerke wie z.B. fuer erdverlegte Versorgungsleitungen, Gebaeude oder auch Gebaeudeeinrichtungen (z.B. Rechenzentrum) muessen entweder die Emissionen reduziert oder es muss ein ausreichender Immissionsschutz hergestellt werden. Einen gleichen Stellenwert wie der bauliche Erschuetterungsschutz haben Erschuetterungseinwirkungen auf Menschen in Gebaeuden. Die Erschuetterungsausbreitung im Untergrund ist in hohem Masse von den Untergrundverhaeltnissen, den eingesetzten Geraetschaften sowie von der Gelaendegeometrie abhaengig. Speziell fuer erdverlegte Versorgungsleitungen ist der Einfluss der Bettung von Bedeutung. Das Randwertproblem ist in der Fachliteratur bislang nur unter Beruecksichtigung idealisierter Annahmen behandelt. Als Einwirkungen auf den Untergrund wird ein breites Spektrum der Frequenzen sowie wirkenden Energien betrachtet. Die Stoffgesetze fuer die anstehenden Boeden enthalten sowohl die Parameter Saettigungsgrad als auch die hysteretische Daempfung. In Parameterstudien ist ausser einer Variation des Abstandes zwischen Erregerquelle und dem zu beurteilenden Punkt auch eine Variation geometrischer Groessen des Bauwerkes vorgesehen. Zentraler Punkt sind Untersuchungen zum Einfluss der Einbettungs- und Ueberschuettungsbedingungen. Im Hinblick auf Sackungen unterhalb der Rohrleitung sind vor allem auch die Auswirkungen einer Ueberhoehung der Schwingungsamplitude zu untersuchen. Als numerisches Verfahren ist die FEM herangezogen. Die Abbildung des Halbraumes erfolgt mit Hilfe infiniter Elemente. Zur Ueberpruefung der Guete der numerischen Ergebnisse sind fuer einfache, genau definierte Faelle Feldmessungen vorgesehen.

Menscheninduzierte Schwingungen

Die Beanspruchung leichter schwingungsfaehiger Tragwerke durch vielfaeltige menschliche Bewegungen wird analysiert und numerisch und messtechnisch realisiert.

Statistische Auswertung von Erschütterungsemissionen

1 Problemstellung und Ziel, 1.1 Ingenieurwissenschaftliche Fragestellung und Stand des Wissens: Messergebnisse von sachgemäß und im erforderlichen Umfang durchgeführten Erschütterungsmessungen stellen bei Kenntnis der eingesetzten Technik und Energie der Erschütterungsquellen ähnlich wertvolle Aufschlüsse wie Bohrungen oder Sondierungen für die untersuchten Baugrundbereiche dar. Diese Ergebnisse gilt es für weitere Aufgaben der WSV zu nutzen. Nutzbare Veröffentlichungen darüber sind kaum vorhanden, da diese Kenntnisse einen Teil des 'Know-how' der einschlägigen Institutionen ausmachen. Die BAW verfügt inzwischen über große Datenmengen von Erschütterungsmessungen bei Baumaßnahmen an Wasserstraßen. 1.2 Bedeutung für die WSV: Auf Baustellen der WSV ist die Nutzung erschütterungsintensiver Bauverfahren wie Rammen, Vibrationsrammen, Vibrationsverdichten, Sprengen, Meißeln u. ä. nach wie vor unverzichtbar. Auf Grund der z. T. anzutreffenden Erschütterungsempfindlichkeit moderner Produktionsanlagen und zunehmender Sensibilität von Menschen in Wohngebäuden gegenüber Erschütterungen sind in der Vorbereitung von Baumaßnahmen immer häufiger auch erschütterungsärmere Schwingungsquellen wie z.B. Schiffs-, Baustellen- und Straßenverkehr zu berücksichtigen. Zuverlässige Erschütterungsprognosen können entscheidende Hinweise für die Auswahl zulässiger Bauverfahren, für die Fahrweise (z.B. Drehzahl von Vibrationsrammen) von Baumaschinen sowie für Art und Umfang von Beweissicherungsmaßnahmen bei erschütterungsintensiven Baumaßnahmen liefern. Untersuchungsmethoden: Die gesammelten Erschütterungsmessdaten von Rammungen, Sprengungen, Meißel- und Verdichtungsarbeiten u. a. werden in Abhängigkeit vom Abstand zur Erschütterungsquelle, von der eingesetzten Energie, von Boden- und Bauwerkseigenschaften sowie gegebenenfalls von weiteren Einflussgrößen, wie z. B. Bohlenlänge und Rüttelfrequenz statistisch ausgewertet. Die vorliegenden Messdaten werden zusammen mit den vorhandenen Angaben aller relevanten Parameter elektronisch archiviert, systematisiert und statistisch ausgewertet. Das Problem der Erschütterungsausbreitung wird dabei in drei Teilkomplexen untersucht, der Erschütterungserzeugung (System Baumaschine- Boden), der Erschütterungsausbreitung (System Boden-Boden) und der Erschütterungsübertragung (System Boden-Bauwerk-Bauteil). Dabei sollen sowohl allgemeine Zusammenhänge (z. B. Bauwerkserschütterungen pro eingesetztem Energiebetrag in Abhängigkeit vom Abstand, unabhängig von Bauwerksart und Baugrund) als auch detaillierte Zusammenhänge (z. B. Erschütterung je Energiebetrag in Abhängigkeit vom Abstand für schwere massive Bauwerke in Sandböden) herausgearbeitet werden. Im ersten Fall erhält man über den Mittelwert und die Standardabweichung einen schnellen Überblick über die im Mittel und mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit (z. B. 95 Prozent und 99 Prozent) maximal möglichen Erschütterungen auch ohne Kenntnis des aktuell vorhandenen Baugrundes. usw.

WINSENT: Realisierung und Charakterisierung einer süddeutschen Forschungsplattform für Windenergie im bergig-komplexen Gelände, Teilvorhaben: Modellierung und Messung des Mikroklimas, Analyse der Bodenbeschaffenheit und geophysikalische Untersuchung

Das IMK-IFU des KIT bearbeitet die numerische Modellierung der mesoskaligen Wind- und Turbulenzverhältnisse und führt die Windlidar-Messungen durch. Die Modellierung wird mit dem mesoskaligen Modell WRF und dem feiner auflösenden Modell WRF-LES erfolgen. Die beiden Modelle sind im Verbundvorhaben als Teil einer Modellkette vorgesehen, die skalenmäßig bis hinunter zur Rotorblattumströmung reichen soll. Die Windmessung soll kampagnenartig mit drei Windlidaren, die zu einem 'virtuellen Masten' synchronisiert werden, erfolgen. Das IBF des KIT wird im Blick auf die Wechselwirkung von Baugrund und Gründung die beiden FWEA mit einer Instrumentierung versehen, die weiterführende Messungen und detailliertere Modellierungen erlauben. Das GPI des KIT untersucht in einem geophysikalischen Langzeitexperiment (mehrere Jahre) die emittierten Bodenerschütterungen, deren Ausbreitung und ihre Welleneigenschaften um das Testfeld an der FWKA. Es sollen hierfür erstmals drei Sensoren in flachen Bohrungen an einer WEA dauerhaft installiert werden, welche kontinuierlich in den drei Raumrichtungen die Bodenbewegung aufzeichnen.

Objektive Kriterien zu Erschütterungs- und Schallemissionen durch Windenergieanlagen im Binnenland (TremAc), Teilvorhaben: Einfluss der Triebstrangdynamik auf die Emission von Erschütterungen und Infraschall

In dem beantragten Vorhaben sollen die Emissionen von Erschütterungen und Infraschall von Windenergieanlagen modelliert und verstanden werden. Dazu wird ein Mehrkörpersimulationsmodell des Triebstrangs einer Windenergieanlage entwickelt, um den Transfer von Vibrationen zu erkennen. Ein Schwerpunkt liegt in der Entwicklung eines rheologischen Modells der Elastomerlager zur Triebstrangentkopplung. Des Weiteren ist geplant die Emissionen von Windenergieanlagen zu reduzieren. Dazu werden Empfehlungen abgegeben wie der Lastpfad verändert werden kann, um die Vibrationen die für eine Emission von Infraschall und Erschütterungen ursächlich sind gezielt zu dämpfen. Dieses Teilvorhaben bearbeitet insbesondere 4 Teil-Arbeitspakete. Im Teil-AP A2.2 wird die Modellierung der Triebstrangkomponenten der Referenz-Windenergieanlage inklusive elastischer Kopplungselemente vorgenommen. Teil-AP D1.3 widmet sich der Ermittlung des notwendigen und hinreichenden Detaillierungsgrads des MKS-Modells des Triebstrangs. Im Teil-AP D2.2 wird eine Optimierung der Triebstrang-Lagerung erarbeitet. Zudem werden Modellierungs- und Auslegungshinweise hinsichtlich der Triebstrangkomponenten abgegeben (AP D4).

Umsetzung der sonischen Wirkung bei Gewinnungssprengungen in die Praxis zwecks Reduzierung von Umwelteinwirkungen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens Beim Abbau von Festgestein in Tagebauen und dem sprengtechnischen Lösen im Festgebirge treten zwangsläufig deutliche Umwelteinwirkungen wie Lärm-, Staub-, Erschütterungsimmissionen sowie selten Steinflug auf. Es ist daher gegenüber der bisher empirischen Vorgehensweise erforderlich, eine gezielte Beeinflussung der Umwelteinwirkungen auf der Grundlage der Kenntnis nachgewiesener physikalischer Zusammenhänge der Zerkleinerungs- und Erschütterungsauswirkungen von Sprengungen vorzunehmen. Es ist das Ziel der Forschungsarbeiten, die sonischen Wirkungen bei der detonativen Umsetzung von Sprengstoffen und ein physikalisch gestütztes Sprengmodell hinsichtlich seiner entscheidenden Auswirkungen einer energiesparenden, optimalen Zertrümmerung und erschütterungsmindernder Umsetzung statistisch gesichert in unterschiedlichen Festgebirgen über und unter Tage durch Sprengungen in situ nachzuweisen. Die zu erarbeitenden Erkenntnisse stellen die Grundlage für eine praxisbezogene, realistische und verständliche Vorgehensweise zur Bemessung von Sprenganlagen mit unterschiedlichen Zielen dar. Die physikalisch begründete Dimensionierung von Sprengungen im Festgebirge soll die Rahmenbedingungen für eine gesteuerte Umweltentlastung enthalten, die insbesondere die Erschütterungsminimierung und bessere energetische Ausnutzung des Zertrümmerungsprozesses betreffen. Fazit Das Forschungsziel wurde durch die Erweiterung auf die 1-D- bis 3-D-Sprengungen im Festgebirge weit übertroffen. Auf der Grundlage von mehr als 340 messtechnisch begleiteten Sprengungen in situ unter besonderer Beachtung der sonischen Wirkung werden verallgemeinerte, physikalisch belegbare Bemessungsgrundsätze von Sprengungen und statistisch gesicherte Erschütterungsprognosen erarbeitet. Die gesicherte Dimensionierung der Sprengungen verbessert die Sicherheit in den Tagebaubetrieben, wird die Stückigkeit verarbeitungsgerecht gestalten und gestattet eine ausgewogene Prognose sowie Beeinflussung der Sprengerschütterungsimmissionen. Mit der Umsetzung der Ergebnisse wird die Wirtschaftlichkeit der Bohr-, Spreng- und Zündtechnik sowie der nachgeschalteten Prozesse erhöht und die Umweltbeeinflussung deutlich verringert. Die Umweltakzeptanz der Betriebe wird verbessert. Die umfassende Wirksamkeit des sonischen Effektes wird die Sprengtechnik nachhaltig beeinflussen. Die Auswirkungen der Verzögerungszeit auf die Stückigkeit und den Abwurf sind statistisch noch nicht geklärt.

Grundlagen Erschütterungen

Fachliche und rechtliche Grundlagen erarbeiten, welche dazu dienen, dass der Entwurf zur Verordnung über den Schutz vor Erschütterungen, welcher aus dem Jahre 2008 stammt, aktualisiert werden kann. - Initiieren und finanzieren von F&E-Projekten, welche technische Massnahmen zum Schutz vor Erschütterungen und abgestrahltem Körperschall oder Prognoseverfahren (weiter-)entwickeln. Projektziele: - Reduktion der Anzahl Personen, die von übermässigen Erschütterungen oder abgestrahltem Körperschall belastet sind. - Neue technische Lösungen zur Begrenzung der Erschütterungen entwickeln und zur Marktreife oder Zulassung bringen.

Simulation des dynamischen Verhaltens von Bettungsschicht-Unterbau-Untergrund im Zeitbereich im DFG-Schwerpunkt Systemdynamik und Langzeitverhalten von Fahrwerk, Gleis und Untergrund

Basierend auf eigenen Vorarbeiten soll ein Rechenmodell zur Simulation des dynamischen Verhaltens von Bettungsschicht-Unterbau-Untergrund entwickelt werden. Das Modell beruht auf einer Kopplung von Finiten Elementen und Boundary-Elementen fuer den Zeitbereich. Mit der Kombination dieser beiden Verfahren ist es moeglich, Bettungsschicht und Unterbau sowie einen Teil des Untergrundes mit Finiten Elementen zu modellieren, waehrend die Wellenabstrahlung in den Untergrund durch ein angekoppeltes Boundary-Elemente-Modell erfasst wird. Durch die vollstaendige Formulierung der Verfahren im Zeitbereich lassen sich innerhalb der Finite-Elemente-Teilmodelle nichtlineare Effekte beruecksichtigen. Zudem koennen im FE-Teil lokale Inhomogenitaeten und eine Schichtung des Bodens in einfacher Weise modelliert werden. Geplante Teilschritte sind: 1) Aufbereitung der aus eigenen Vorarbeiten existierenden Rechenprogramme zur Kopplung von FEM und BEM im Zeitbereich. 2) Auswahl eines allgemein verfuegbaren FE-Programms (nichtlineare Elemente) zwecks Verwendung bei der Kopplung. 3) Entwicklung einer Strategie zur Steuerung und Durchfuehrung gekoppelter nichtlinearer Berechnungen. 4) Programmtechnische Umsetzung. 5) Vergleich mit Messungen.

Erschuetterungsemissionen von Sprengungen in Norddeutschland

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung des Zusammenhanges zwischen von Sprengungen ausgehenden Erschuetterungen und Bauwerksschaeden unter Beruecksichtigung der verwendeten Sprengtechnik, der geologischen Situation und der Bauwerkseigenschaften. Die Untersuchung soll zu verbesserten Beurteilungsmassstaeben bei der Neufassung der Vornorm DIN 4150 'Erschuetterungen im Bauwesen' fuehren, sowie eine Grundlage der Ausarbeitung von erlassen, Richtlinien und Verordnungen zur Ausfuellung des BImSchG liefern. Weiteres Ziel ist die Erstellung einer auf die Erschuetterungsemission ausgerichteten Steinbruchkartei fuer Norddeutschland (Niedersachsen), wie sie bereits fuer das Gebiet des Landes Bayern erstellt wurde.

Rad/Schiene-Forschung. Rechenmodelle fuer die Fahrbahn schnell-fahrender Zuege sowie Rechenmodelle fuer die Prognose der Erschuetterungsausbreitung

Das Vorhaben ist in zwei Teile gegliedert. Im ersten Teil werden Rechenmodelle fuer die Fahrbahnen schnellfahrender Zuege entwickelt. In den Rechenmodellen wird im wesentlichen das dynamische Verhalten einer beliebigen Anzahl von Schwellen, die sowohl ueber den Boden (infolge der Wellenausbreitung im Untergrund) sowie ueber die Schienen gekoppelt sind, betrachtet. Das Modell der Fahrbahn wird dann zur Berechnung des gekoppelten Systems 'Zug-Fahrbahn-Untergrund' benutzt. Im zweiten Teil des Vorhabens wird die Erschuetterungsausbreitung schnellfahrender Zuege untersucht. Hierbei werden aus theoretischen und messtechnischen Untersuchungen Ersatzspektren fuer die Erregung angegeben. Weiter werden geometrische Effekte der Transmissionsstrecke (Oberflaechengeometrie, Einbauten im Untergrund u.a.) hinsichtlich ihres Einflusses auf die Erschuetterungsabnahmegesetze untersucht.

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