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Sep 26, 2023

Temporäre Techniken zur Überwachung der Seilkraft während des Brückenbaus

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 7689 (2022) Diesen Artikel zitieren 1749 Zugriffe 3 Zitate Metrikdetails Dieser Artikel befasst sich mit der vergleichenden Analyse der aktuellen Kabelkraftüberwachung

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 7689 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Dieser Artikel befasst sich mit der vergleichenden Analyse aktueller Kabelkraftüberwachungstechniken. Darüber hinaus fließen die Erfahrungen mit drei Kabelspannungsüberwachungstechniken während der Bauphase ein: (a) die Installation von Wägezellen an den aktiven Verankerungen der Kabel, (b) die Installation von unidirektionalen Dehnungsmessstreifen und (c) die Auswertung von Spannungen in Kabeln mithilfe der Schwingdrahttechnik durch den Einbau von Beschleunigungssensoren. Die wichtigsten Vor- und Nachteile jeder analysierten Technik werden im Zusammenhang mit dem Bauprozess des Tajo-Viadukts hervorgehoben, einem der einzigartigsten Viadukte, die kürzlich in Spanien gebaut wurden.

Eine der von Bauingenieuren vorgeschlagenen Lösungen zur Überwindung großer Spannweiten ist der Einsatz von Schrägseil- oder Hängebrücken. Die kritische Komponente dieser Strukturen liegt in der Anfälligkeit der Kabel für Probleme oder Schäden im Zusammenhang mit Ermüdung und/oder Korrosion1, die durch dynamische Belastungen wie zyklische Verkehrsbelastungen, Windlasten und andere Betriebsbelastungen sowie Umwelteinflüsse2 verursacht werden. Structural Health Monitoring Systems (SHMS) sind ein sehr nützliches Werkzeug für die Instandhaltung von Bauwerken. Eine der Hauptphasen des SHMS-Entwurfs besteht darin, die Parameter zu identifizieren, die das Verhalten von Strukturen definieren3,4. Temporäre Aufhängungskabel für die Bauphase stellen die gleichen Probleme dar und auf diese Phase geht der Artikel genauer ein.

Der wichtigste Parameter für die Beurteilung von Spannungen sowie Ermüdungs- und Korrosionsschäden an im Betrieb befindlichen Kabeln ist die historische Aufzeichnung der axialen Spannung dieser Strukturelemente über die Zeit. Dieser Parameter hat sich als nützlicher Indikator für Schäden durch den Sicherheitszustand von Schrägseilen und Tragseilen in Brücken erwiesen5, und die Echtzeitüberwachung dieses Indikators ist für die Beurteilung möglicher Ermüdungsschäden an diesen Strukturelementen unerlässlich geworden. Aus diesem Grund ist die Überwachung und Bewertung der strukturellen Leistung zur Standardpraxis geworden, um die Sicherheit und Haltbarkeit von Schrägseil- oder Hängekonstruktionen zu gewährleisten6,7,8,9.

Zur Diagnose des sicheren Zustands von Schrägseilen in Brücken9 werden verschiedene Arten zerstörungsfreier Prüfungen eingesetzt, beispielsweise Ultraschallprüfungen, die Magnetfluss-Leckageerkennungstechnik10 oder Röntgenstrahlen. Obwohl diese Techniken effektiv sind, eignen sie sich besser für die Beurteilung von Aufenthalten außerhalb des Betriebs.

Einerseits wurden verschiedene Geräte zur direkten Messung der Dehnung in Brückenkabeln entwickelt, wie z. B. Wägezellen9,10,11,12,13,14,15, optische Faser-Bragg-Gitter-Sensoren16 oder elastomagnetische Dehnungssensoren17,18.

Diese Sensoren sind dank ihrer spezifischen Technologien in der Lage, die Belastung des Kabels genau zu bestimmen, und wenn sie an ein Strukturüberwachungssystem (SMS) angeschlossen werden, ist es auch möglich, eine langfristige historische Aufzeichnung der Kabelbelastungen zu erstellen um von jedem entfernten Standort aus in Echtzeit auf diese Daten zugreifen zu können.

Andererseits ist die Schwingdrahttechnik die gebräuchlichste indirekte Methode zur schnellen Beurteilung der Spannungen von Brückenkabeln. Diese Methode basiert auf dem Zusammenhang zwischen der Seilbeanspruchung und ihrer Schwingungsfrequenz, die aus der Aufzeichnung der Beschleunigungen beim freien Schwingen von Tragseilen19,20,21,22,23,24 korrekt ermittelt werden kann. Die Anwendung dieser Methode erfordert den Einsatz spektraler Zerlegungstechniken, die eine Echtzeitbestimmung der Spannungen in den Tragseilen in Brücken ermöglichen, indem die Schwingungsfrequenzen während eines freien Schwingungsregimes identifiziert werden25,26,27,28,29,30, 31.

Für jede der Messtechniken gibt es viele Arten von Sensoren32,33,34,35.

Elektronische Sensoren wandeln den Messwert (zu messende Größe) in eine Änderung von Spannung, Strom, Widerstand, Kapazität oder Induktivität um. Elektrische Sensoren gibt es in vielen Varianten und lassen sich oft sehr einfach an jedes Datenloggersystem anschließen. Beispiele hierfür sind Potentiometer-Wegsensoren, Widerstandsdehnungsmessstreifen, Wägezellen, MEMS36-Neigungsmesser und piezoelektrische Sensoren. Elektrische Sensoren sind oft relativ kostengünstig, können jedoch einer Drift unterliegen und durch elektromagnetische Störungen wie Stromleitungen beeinträchtigt oder beschädigt werden.

Vibrationsdrahtsensoren (VW)37 wandeln die Messung in eine Änderung der Vibrationsfrequenz eines Drahtes um. Im Fall des VW-Dehnungssensors führt eine Änderung der Dehnung zu einer Änderung der Spannung eines Stahldrahts, während im Fall von VW-Piezometern die Verformung einer Membran aufgrund einer Änderung des Wasserdrucks auch eine Änderung der Spannung induziert des Sensorkabels. Sobald der Draht durch einen Elektromagneten angeregt wird, ist es möglich, seine Schwingungsfrequenz genau zu messen. Die Frequenzmessungen sind sehr genau und stabil, weshalb diese Sensoren zu einem Standard für genaue Langzeitmessungen in der geotechnischen und baulichen Überwachung geworden sind.

In vielerlei Hinsicht sind optische Fasersensoren38 die idealen Wandler für die Überwachung des Strukturzustands. Diese Sensoren wandeln die zu messenden Größen in eine Änderung der Ausbreitungscharakteristik des durch die optische Faser wandernden Lichts um. Da sie langlebig, stabil und unempfindlich gegenüber äußeren Störungen sind, eignen sie sich besonders für die langfristige Gesundheitsbewertung von Bau- und Geostrukturen. Es gibt viele verschiedene faseroptische Sensortechnologien, darunter Faser-Bragg-Gitter, SOFO-Interferometer, Fabry-Perot-Interferometer und vertreibt Brillouin- und Raman-Sensoren, die ein breites Spektrum an Leistungen und Eignung für verschiedene Anwendungen bieten.

In den frühen 1990er-Jahren erlangten faseroptische Sensoren einen großen Einzug in die Sensorindustrie und sind heute in der Struktursensorik-Branche fest vertreten39.

Verteilte Fasersensoren40,41 stellen einen Paradigmenwechsel in Bezug auf Überwachung und Erfassung dar. Verteilte Sensoren sind in der Lage, an jedem Punkt entlang einer einzelnen Standard-Telekommunikationsfaseroptik zu erkennen, was es ermöglicht, verschiedene Positionen des gemessenen Parameters entlang der Faser zu unterscheiden und Spannung und Temperatur von der Struktur auf die Faser zu übertragen.

Verteilte Sensoren werden besonders für die Erkennung und Unterscheidung von Ereignissen an jedem Punkt innerhalb einer Struktur empfohlen42.

Diese Techniken sind besonders nützlich für die Überwachung der globalen Bewegungen von Strukturen43. Dazu gehören traditionelle Geodäsiemethoden, Totalstationen mit oder ohne auf der Struktur installierten Zielprismen, Laserentfernungsmesser und Laserprofilometer sowie terrestrische Radare (einschließlich Radar mit synthetischer Apertur). Diese Techniken können beispielsweise zur Messung der Verformung einer Brücke, der Bewegung eines Turms, des Fortschreitens eines Erdrutschs oder der Durchbiegung eines Staudamms eingesetzt werden.

Olaszek44 entwickelte eine Methode, die das photogrammetrische Prinzip mit der Computer-Vision-Technik kombinierte, um langsame dynamische Eigenschaften von Brücken zu untersuchen.

Patsias und Staszewski45 sowie Yoshida et al.46 begannen mit der Verwendung videogrammetrischer Techniken, um die Modenformen eines Strahls zu messen und das dynamische 3D-Verhalten verschiedener Strukturen zu erfassen. Chung et al.47 verwendeten digitale Bildtechniken zur Identifizierung nichtlinearer Eigenschaften in komplexeren Struktursystemen. Chang und Ji48 entwickelten eine videogrammetrische Technik mit zwei Kameras zur Messung einer 3D-Strukturschwingungsreaktion auf Laborebene. Im Jahr 49 schlugen Ji und Chang eine neuartige, nicht zielgerichtete Technik vor, die auf der Bildanalyse unter Verwendung einer Digitalkamera zur Kabelvibrationsmessung basiert, aber auch hier handelt es sich um einen Proof-of-Concept.

Obwohl diese Techniken vielversprechend sind und die meisten davon im Labor oder unter kontrollierten Bedingungen verifiziert wurden, scheinen sie keine vollständigen dynamischen Informationen zu liefern, sondern nur einen Teil der freien Schwingung. Daher muss die Anwendung während des Baus auf einen fortgeschritteneren Entwicklungsstand warten.

Das Tajo-Viadukt gehört zur Hochgeschwindigkeitsstrecke Madrid–Extremadura. Es liegt in der Provinz Cáceres und hat eine Gesamtlänge von 1488 m. Seine Spannweitenverteilung wird durch die Breite des Flusses Tajo bestimmt, über den sich das Bogenviadukt 324 m erstreckt. Das Oberdeck ist in sechs Felder zu je 54 m unterteilt. Die Zugangsspannweiten sind 60 m lang, mit zwei 57 m langen Übergangsspannweiten zwischen ihnen und den Deckspannweiten über dem Bogen. Dies führt zu einer angemessenen und harmonischen Verteilung der 26 Spannweiten, aus denen das Tajo-Viaduktdeck besteht: 45 m + 9 × 60 m + 57 m + 6 × 54 m + 57 m + 7 × 60 m + 45 m50,51.

Der Grundriss des Viadukts weist eine sehr weite Kurve und dann eine gerade Linie im Rest der Brücke auf. Das symbolträchtigste Element dieses Viadukts ist der Bogen mit einer Spannweite von 324 m zwischen seinen Stützen, der sich über seine Fundamente bis zu einer Höhe von 70 m und über den Höchststand des Alcántara-Stausees bis zu einer Höhe von über 80 m erhebt.

Der Bogen wurde mit der Technik aufeinanderfolgender Schrägseilausleger gebaut, wobei zwei provisorische Türme auf den Pfeilern an beiden Ufern des Flusses platziert wurden (siehe Abb. 1). Da jeder Turm auf den Fundamenten der benachbarten Pfeiler abgestützt war, war es notwendig, diese Fundamente mit vorgespannten Bodenverankerungen zu versehen. Für die Bogenbauphase stützten fünfzehn Kabelpaare jeden halbvollen Bogen und weitere fünfzehn Paare den Turm. Die Länge dieser Kabel lag zwischen 80 und 180 m.

Tajo-Viadukt während seines Baus.

Jeder Halbbogen besteht aus insgesamt 46 Segmenten mit einer Länge von jeweils 4 m. Der Betonierwagen ist ein metallisches Element, das die Schalung jedes Segments und dessen Betonierung unterstützt. Dieser Wagen wurde im Bereich des zuletzt betonierten Bogens platziert, um das Betonieren des nächsten Segments vorzubereiten.

Nach Fertigstellung des Bogens wurde das provisorische Kabelsystem bestehend aus Hilfstürmen, Kabeln und Erdankern abgebaut. Zu diesem Zeitpunkt wurden auf beiden Seiten des Bogens zwei benachbarte Pfeiler errichtet, die zusammen mit dem Segmentpfeiler das Deck über dem Bogen tragen. Das Deck wurde Feld für Feld mit selbsttragender Schalung von beiden Widerlagern aus errichtet. Um übermäßige Spannungen im Bogen zu vermeiden, wurde die Fahrbahnplatte symmetrisch betoniert und erlaubte eine maximale Verschiebung von nur einer Spannweite.

Bei der strukturellen Überwachung des Tajo-Viadukts wurden drei Methoden zur Überwachung der Spannung in den temporären Tragkabeln des Hauptspannbogentyps verwendet: (a) Dehnungsmessstreifen, der in der aktiven Verankerung der temporären Kabel installiert ist, (b) unidirektionale Dehnung Messgeräte, die in einem der sieben Drähte eines Kabelstrangs installiert sind, und (c) Kabelinstrumentierung mittels eines unidirektionalen Beschleunigungsmessers.

Die von den Autoren für die Instrumentierung der temporären Kabel des Tajo-Viadukts entworfenen Dehnmessstreifen-Wägezellen bestanden aus einem Metallring zwischen der Kabelankerplatte und der Verteilerplatte auf dem Pfahl oder temporären Turm. Aufgrund der Abmessungen der Tragseile variierte der durchschnittliche Durchmesser der Wägezellen des Tajo-Viadukts zwischen 200 mm für die am wenigsten belasteten Seile (2000 kN) und 500 mm für die am stärksten belasteten Seile (5500 kN) (siehe Abb. 2).

Wägezellen des Tajo-Flussviadukts: (a) Pier-Wägezelle; (b) Wägezelle im provisorischen Stützturm.

Diese Technologie ermöglicht es, die Dehnung im Schrägseil aus der empirischen Charakterisierung der mittleren Normaldehnung im Zentralring der Wägezelle zu bestimmen, siehe Gl. (1). Zu diesem Zweck wird der äußere Umfang des Zentralrings durch die gleichmäßige Verteilung bidirektionaler Dehnungsmessstreifen instrumentiert, die durch eine vollständige Wheatstone-Brückenkonfiguration in Reihe geschaltet sind52,53,54,55.

wobei F = Spannung im Tragseil; σ = Normalspannung; dΩ = Differenzfläche am Zentralring; ɛi = Normaldehnung am i-ten Dehnungsmessstreifen; n = Anzahl Dehnungsmessstreifen; Ea = Elastizitätsmodul von Stahl; Ωc = Fläche des Zentralrings.

Die an den Seilen installierten Wägezellen ermöglichten es, die korrekte Spannung der Seilfamilien zu zertifizieren und in Echtzeit die Schwankungen der Belastungen zu charakterisieren, denen die Tragseile während der verschiedenen Phasen des Bauprozesses ausgesetzt waren (siehe Abb. 3). ). Mit diesen Geräten war es möglich, jedes der folgenden strukturellen Phänomene zu erkennen, die während des Bauprozesses auftraten: (1) die Spannungsschwankungen im Kabel aufgrund der täglichen thermischen Zunahme, wobei die Spannungszunahmen bei täglichen Temperaturschwankungen von 30 K etwa 150 kN betrugen (30 °C); (2) die Spannungsschwankungen aufgrund des Betonierens aufeinanderfolgender Segmente, wobei die Spannungsschwankungen von 200/300 kN in den Kabeln, die dem betonierten Segment am nächsten liegen, bis zu Werten reichen können, die unter der Tagesschwankung in den am weitesten entfernten Kabeln liegen; (3) Die Spannung nimmt aufgrund der Spannung der aufeinanderfolgenden Kabelfamilien zu (siehe Abb. 4), wobei die Spannungsschwankungen in den Familien, die den belasteten Kabeln am nächsten liegen, mehr als 500 kN betragen und geringer als die täglichen Lastschwankungen sind in den am weitesten entfernten Familien; oder (4) Spannungsschwankungen aufgrund von Lastanpassungsvorgängen in Kabeln.

Aufzeichnung der Spannungsentwicklung in den Halteseilen des nördlichen Halbbogens: (a) 2. Seilfamilie; (b) 4. Kabelfamilie; (c) 6. Kabelfamilie; (d) 8. Kabelfamilie; (e) 12. Kabelfamilie; (f) 14. Kabelfamilie.

Entwicklung der Belastung der achten Halteseilfamilie.

Abbildung 4 zeigt die Entwicklung der Belastung, der die Schrägseile der achten Familie ausgesetzt sind. Dieses Diagramm zeigt die Entwicklung der Belastung, die durch die in einem der hinteren Schrägseile installierte Kraftmessdose charakterisiert wird, sowie die Entwicklung der theoretischen Belastung, die vom theoretischen Berechnungsmodell vorhergesagt wird. Deutlich zu erkennen ist die Entwicklung der Beanspruchung der provisorischen Schrägseile der achten Familie, die durch das Betonieren der aufeinanderfolgenden Bogensegmente und die Spannung der aufeinanderfolgenden Seilfamilien verursacht wird.

Abbildung 3 zeigt die Entwicklung der Belastung, der die verschiedenen Familien der Halteseile des nördlichen Halbbogens ausgesetzt sind, und ihren Vergleich mit den theoretischen Werten des Projekts während aller Bauphasen der Hauptbogenspanne, während Abbildung 5 die Entwicklung zeigt der Spannungen in den Tragkabeln des nördlichen Halbbogens während der Belastung der Kabel der 13. Familie temporärer Kabel.

Aufzeichnung der Spannungsentwicklung in den Schrägseilen des nördlichen Halbbogens während des Spannens der dreizehnten Seilfamilie: (a) 3. Seilfamilie; (b) 5. Kabelfamilie; (c) 7. Kabelfamilie; (d) 9. Kabelfamilie; (e) 11. Kabelfamilie; (f) 13. Kabelfamilie.

Die von der Instrumentierung der provisorischen Stützen des Tajo-Viadukts gelieferten Werte ermöglichten eine kontinuierliche Anpassung der Berechnungsmodelle an die Realität der Baustelle. Durch den Vergleich und die Aktualisierung der theoretischen/empirischen Werte war es möglich, bei großen Abweichungen die Belastungswerte in den Schrägseilen nachzujustieren.

Bei der Instrumentierung der Kabel, die den ersten beiden Familien temporärer Kabel entsprechen, stellten die Autoren fest, dass der ursprünglich den DMS-Wägezellen gegebene Rand nicht ausreichte, um den durch die Unregelmäßigkeiten in den Randbedingungen verursachten Fehler zu minimieren. Es war notwendig, diese Sensoren durch andere Sensortypen zu ergänzen, um die Spannungsschwankungen in den Kabeln zu charakterisieren. Es wurde beschlossen, zwei unidirektionale Dehnungsmessstreifen an einem der sieben Drähte zu installieren, aus denen einer der Stränge besteht, die über eine vollständige Wheatstone-Brückenkonfiguration52,53,54,55 miteinander verbunden sind. Diese Technologie ermöglicht die Instrumentierung von Kabeln nach der Belastung und ermöglicht die empirische Charakterisierung der Dehnungszuwächse, denen das Kabel ausgesetzt ist.

Die Stahldrähte, aus denen die Litze besteht, sind miteinander verdrillt, so dass die Leitlinie dieser Drähte eine gewisse Winkelabweichung gegenüber der Litzenleitlinie aufweist (siehe Abb. 6). Diese Tatsache macht die Wiederherstellung der Litzenverformung aus der Drahtverformung indirekt und impliziert die Notwendigkeit, die Kalibrierung des Messsystems in einem Tensiometer durchzuführen, wo die kN/µɛ-Korrelation zwischen Litzenspannung und Drahtverformung erhalten werden kann (siehe Abb. 7). Die Spannung der provisorischen Schrägseile des Tajo-Viadukts erfolgte mit der Isotensioning-Technik56. Diese Technik ermöglicht es, in allen Litzen, aus denen jedes Schrägseil besteht, die gleiche Spannung zu erzielen. Es empfiehlt sich jedoch, mehrere Litzen desselben Schrägseils zu instrumentieren, um eine optimale Messung der Spannung im Schrägseil zu erhalten.

Installation von unidirektionalen Dehnungsmessstreifen an einem der Drähte einer Litze in einem provisorischen Kabel.

Kalibrierung der Kabelinstrumentierungsmethode durch Installation von unidirektionalen Dehnungsmessstreifen: (a) Vorspannstrang im tragenden Portal; (b) Last-/Durchbiegungskurve während des Kalibrierungstests.

Die gleichzeitige Instrumentierung der ersten beiden Familien von Schrägseilen mithilfe von Kraftmessdosen und unidirektionalen Extensometern, die in einem der das Schrägseil bildenden Stränge installiert waren, sorgte für einen doppelten Kontrast der Spannungswerte, denen diese Strukturelemente ausgesetzt waren. Abbildung 8 zeigt die Entwicklung des Spannungswerts im instrumentierten Schrägseil der vierten Familie, der von der Kraftmessdose (CNT-4), den Extensometern (CNT-4_ext) und dem theoretischen Berechnungsmodell (CNT-4_theoretical) bereitgestellt wird. Die Grafik zeigt die Entwicklung der Spannung im Schrägseil aufgrund des Betonierens der aufeinanderfolgenden Bogensegmente und der Belastung der aufeinanderfolgenden provisorischen Schrägseile.

Entwicklung der Belastung der vierten Schrägseilfamilie.

Aufgrund der Probleme, die bei den Messungen der oben erläuterten direkten Methoden für die ersten beiden Kabelfamilien des Tajo-Viadukts auftraten, schlugen die Autoren vor, eine Wiegekampagne der zu diesen Familien gehörenden Kabel mithilfe der Schwingdrahttechnik durchzuführen. Diese Technik ermöglicht die Messung der Spannung in Brückenkabeln durch Charakterisierung ihrer Schwingungsfrequenz und ihrer Masse19,57,58. Die Differentialgleichung, die die Axialspannung eines Kabels mit seiner Masse, seiner Biegesteifigkeit und seiner Schwingungsfrequenz in Beziehung setzt, lautet wie folgt:

Die Lösung Gl. (3) zur Differentialgleichung. (2) ermöglicht die Ermittlung der axialen Spannung des Kabels.

Die Biegesteifigkeit (E·I) in den Brückenkabeln ist im Vergleich zu ihrer axialen Steifigkeit vernachlässigbar. Diese Tatsache macht die zweite und dritte Summe von Gl. (3) im Vergleich zum ersten vernachlässigbar, was zu Gl. (4), das die axiale Spannung des Kabels mit seiner Masse und der Schwingungsfrequenz19 in Beziehung setzt. Abbildung 9 zeigt die Entwicklung des begangenen Fehlers unter der Annahme der in Gleichung dargelegten Vereinfachung. (4) für jede Familie temporärer Schrägseile des Tajo-Viadukts als Funktion der Belastung, der diese Strukturelemente ausgesetzt sind.

wobei T = axiale Belastung des Kabels; u = Berücksichtigter Schwingungsmodus; f = Vibrationsfrequenz entsprechend dem U-Modus; E = Elastizitätsmodul des Materials, aus dem das Kabel besteht; I = Trägheitsmoment des Kabels; L = Vibrationslänge des Kabels; m = Masse pro Laufmeter des Kabels.

Entwicklung des durch die vereinfachte Formulierung des Schwingseils verursachten Fehlers: (a) Nordaufhängungskabel; (b) nördliche Haltekabel; (c) Südhängekabel; (d) südliche Haltekabel.

Um das Wiegen der Kabel mithilfe der Vibrationsdrahttechnik durchzuführen, wurde am zu prüfenden Kabel ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser mithilfe eines Werkzeugs installiert, das die Mantel-Litze-Anordnung aufnimmt, das Kabel anregt und die Beschleunigungen misst, die das Kabel dabei erfährt seine Bewegung in freier Schwingung wird gemessen. Um die axiale Spannung des Kabels durch Anwendung von Gl. (4) ist es notwendig, die insgesamt bewegte Masse zu berücksichtigen. Bei den temporären Kabeln des Tajo-Viadukts war es notwendig, die Masse der Litzen, aus denen das Kabel besteht, zusammen mit der Masse des Schutzmantels zu berücksichtigen (siehe Abb. 10). Ein weiterer wichtiger Parameter zur korrekten Bestimmung der Spannung in Brückenschrägseilen mittels der Schwingseiltechnik ist die Länge des Schrägseils. Im Fall der Schrägseile des Tajo-Brückenviadukts wurde diese Länge anhand der Topographie ermittelt. Die Aufzeichnungen der von den Kabeln erfahrenen Beschleunigung wurden durch Anwendung der Fast-Fourier-Transformation58,59,60,61 analysiert, wodurch die Eigenfrequenzen der Kabel und folglich ihre axiale Spannung ermittelt wurden (siehe Abb. 11).

Piezoelektrischer Beschleunigungsmesser an der provisorischen Schwelle des Tajo-Viadukts.

Ermittlung der Spannungen in der fünften Schrägseilfamilie aus ihren Schwingungsfrequenzen: (a) Beschleunigungsdiagramm; (b) Frequenzspektrum.

Aufgrund früherer Erfahrungen mit dem Bau ähnlicher Brücken8,60,62,63,64, bei denen es zu Zusammenflüssen zwischen der Frequenz der Wirbelerzeugung durch die Einwirkung des Windes auf das Bauwerk und seiner Vibrationsfrequenz kam, wurde die Testkampagne für schwingende Drähte durchgeführt Wird verwendet, um den Dämpfungsfaktor der Kabel des Tajo-Viadukts zu ermitteln. Um den Dämpfungsfaktor zu ermitteln (siehe Abb. 12), bestand der Test darin, das Kabel einer Anfangsspannung auszusetzen, indem es eine Verschiebung auf seine Hauptspannweite ausübte und diese dann abrupt entspannte, sodass es in einem freien Schwingungsregime oszillieren konnte. Die Ermittlung dieses Parameters ermöglichte es, das Berechnungsmodell der Struktur zu aktualisieren und das Verhalten der Schrägseile im Falle möglicher aeroelastischer Phänomene vorherzusagen. Tabelle 1 zeigt den Wert des Dämpfungsfaktors, der für die ersten beiden Trag- und Haltekabelfamilien ermittelt wurde. Der Dämpfungsfaktor des Kabels ergibt sich aus der logarithmischen Abnahme zwischen den maximalen Amplituden seiner Schwingung während der freien Vibration, siehe Gl. (5)65:

wobei η = Dämpfungsfaktor in Bezug auf den kritischen Wert; n = Anzahl der für die Analyse berücksichtigten Zyklen; A0 = Maximale Amplitude der für die Analyse berücksichtigten Anfangsschwingung; An = Maximale Amplitude in der n-ten Schwingung, die für die Analyse berücksichtigt wird.

Ermittlung des Dämpfungsfaktors des rechten Haltekabels der fünften Familie temporärer Kabel des nördlichen Halbbogens des Tajo-Viadukts: (a) Aufzeichnung der mit der ersten Vibrationsart verbundenen Beschleunigungen; (b) Geschwindigkeitsrekord; c) Verschiebungsaufzeichnung.

Um einen doppelten Zweck zu verfolgen, schlugen die Autoren eine Lösung vor, die es ermöglichen würde, die Entwicklung der Spannungen im Kabel zu überwachen und das mögliche Auftreten aeroelastischer Phänomene zu charakterisieren, die durch Resonanz oder ähnliche Phänomene verursacht werden8,60,62,63,64. Diese Lösung bestand in der dauerhaften Instrumentierung des rechten Haltekabels der fünften Familie temporärer Kabel des nördlichen Halbbogens des Tajo-Viadukts (NT-5d). Zu diesem Zweck wurde am ausgewählten Kabel ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser mit einem Werkzeug installiert, das mit dem identisch war, das bei der Stichprobenkampagne mit vibrierendem Draht verwendet wurde, und dieser Sensor wurde mit dem SMS des Tajo-Viadukts verbunden. Abbildung 13 zeigt die Überwachung der Spannungsentwicklung im Kabel, die aus der Analyse der vom piezoelektrischen Beschleunigungsmesser bereitgestellten Daten gewonnen wurde.

Überwachung der Spannungsentwicklung im rechten Haltekabel der fünften Familie temporärer Kabel des nördlichen Halbbogens des Tajo-Viadukts (NT-5d) mithilfe eines piezoelektrischen Beschleunigungsmessers.

Die gleichzeitige Instrumentierung der ersten beiden Familien von Schrägseilen mittels Wägezellen und unidirektionalen Dehnungsmessstreifen, die in einer der Litzen, aus denen das Schrägseil besteht, installiert sind, zusammen mit der Kampagne, das Schrägseil mittels der Vibrationsdrahttechnik zu wiegen, ermöglichte eine vergleichende Analyse der Belastung für jede der strukturellen Überwachungstechniken. Abbildung 14 und Tabelle 2 zeigen die Spannungen, die von jeder der von den Autoren verwendeten Strukturüberwachungstechniken ausgehen.

Aufwand, der durch die einzelnen verwendeten Strukturüberwachungstechniken erleichtert wird.

Die Erkenntnisse aus der Überwachung des Tajo-Viadukts durch die Installation der verschiedenen Sensortechnologien lassen sich wie folgt zusammenfassen (siehe Tabelle 3):

DMS-Wägezellen

Vorteile:

Ermöglicht die Messung der Belastung der Kabel mit einem Fehler von weniger als 1 %.

Robuste Lösung, stoßfeste und witterungsbeständige Lösung.

Nachteile:

Es stellt die größte wirtschaftliche Investition dar.

Die Instrumentierung von Hochleistungskabeln erfordert die Konstruktion großer, sehr schwerer Wägezellen, die vor Ort schwierig zu handhaben und zu installieren sind.

Die Installation ist nur vor der Kabelinstallation möglich.

Unidirektionale Dehnungsmessstreifen

Vorteile:

Technik mit dem geringsten wirtschaftlichen Aufwand.

Der Einbau ist in jeder Phase des Bauprozesses möglich.

Nachteile:

Weniger robuste Lösung, sehr empfindlich gegenüber Stößen und Witterungseinflüssen.

Im Falle der Installation liefert das Kabel nach dem Betrieb die Spannungserhöhungen auf das Strukturelement, es ist jedoch nicht möglich, den absoluten Wert der Spannung im Kabel zu ermitteln.

Die Genauigkeit der Messung der Belastung der Kabel wird stark von der korrekten Installation des Geräts vor Ort beeinflusst.

Unidirektionale Beschleunigungsmesser

Vorteile:

Der Einbau ist in jeder Phase des Bauprozesses möglich.

Ermöglicht die Erfassung des Absolutwertes der Belastung des Kabels unabhängig von der Phase des Bauprozesses, in der der Sensor installiert wurde.

Ermöglicht die Messung der Spannung in den Kabeln mit einem Fehler von weniger als 1 %.

Nachteile:

Die Technik erzeugt ein großes Datenvolumen und es ist notwendig, auf spektrale Zerlegungstechniken zurückzugreifen, um die Belastung des Kabels zu ermitteln.

Mit dieser Arbeit möchten die Autoren einen Überblick über die verschiedenen Überwachungssysteme geben, die derzeit für temporäre Techniken zur Überwachung der Kabelkraft während der Brückenbauphase eingesetzt werden. Zu diesem Zweck wurde eine Überprüfung des Stands der Technik durchgeführt. Außerdem wurde ein Überblick über Wägezellen, unidirektionale Dehnungsmesssysteme und Beschleunigungsmesser gegeben. Alle diese Methoden sind gut etabliert und sehr genau. Allerdings hat jeder von ihnen seine eigenen Vor- und Nachteile hinsichtlich der Installation und Implementierung. Die vielversprechendste Technik, die derzeit entwickelt wird, ist bildbasiert und kann als Ergänzung zu diesen derzeit verfügbaren Methoden angesehen werden. Heutzutage kann diese Technik nicht das gleiche Maß an Genauigkeit wie aktuelle Methoden bieten, ist aber im Vergleich zum Beschleunigungsmesser kostengünstig und einfach anzuwenden, d ist nicht trivial. Tatsächlich sind die Brücken mit großer Spannweite anfällig für umweltbedingte und verkehrsbedingte Vibrationen.

Vor diesem Hintergrund soll dieser Artikel als Grundlage für alle Arbeiten rund um die Welt der Kabelüberwachung im Brückenbau dienen.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor, Gaute A., erhältlich.

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Die Autoren danken der „Administración de Infraestructuras Ferroviarias ADIF“ (Administrator für Eisenbahninfrastrukturen) für ihr Vertrauen in das Strukturlabor der Universität Kantabrien bei der Durchführung der strukturellen Überwachung des Tajo-Viadukts. Diese Arbeit wurde vom Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 769373 (FORESEE-Projekt) gefördert. Dieses Papier spiegelt nur die Ansichten des Autors wider. Die Europäische Kommission und INEA sind nicht verantwortlich für die Verwendung der darin enthaltenen Informationen.

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Alvaro Gaute-Alonso

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David Garcia-Sanchez & Iñigo Calderon-Uriszar-Aldaca

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Carlos Alonso-Cobo

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Iñigo Calderon-Uriszar-Aldaca

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Konzeptualisierung, AG-A., DG-S., CAC und IC-U.-A.; Methodik AG-A. und GD-S.; Validierung AG-A. und GD-S; Formale Analyse, AG-A. und GD-S.; Untersuchung, AG-A. und GD-S.; Ressourcen, GD-S. und IC-U.-A.; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, AG-A. und GD-S.; Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, CAC und IC-U.-A.; Aufsicht, AG-A., DG-S., CAC und IC-U.-A.; Projektverwaltung, AG-A. und GD-S.; Finanzierungseinwerbung, DG-S., CAC und IC-U.-A. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Alvaro Gaute-Alonso.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Gaute-Alonso, A., Garcia-Sanchez, D., Alonso-Cobo, C. et al. Temporäre Techniken zur Überwachung der Kabelkraft während der Brückenbauphase: das Erlebnis des Tajo-Viadukts. Sci Rep 12, 7689 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11746-z

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Eingegangen: 24. November 2021

Angenommen: 11. April 2022

Veröffentlicht: 11. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11746-z

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