Zustandsbewertung der Oberleitungsmasten

1. Hintergrund

Im Zuge der Modernisierung der Straßenbahnlinie in Budapest hat die BKV Siemens Combino-Straßenbahnen in Betrieb genommen, für deren Betrieb eine größere Querschnittsfläche der Fahrleitung erforderlich ist. Nach dem Austausch der Fahrleitung und den darauf folgenden Mastneigungen wurde offensichtlich, dass einige der alten Masten in den letzten Jahren Korrosionsschäden erlitten haben, die die Belastung durch die schwerere Fahrleitung sowie die daraus resultierenden dynamischen Kräfte nicht mehr standhalten können. Da jedoch nicht alle Masten korrodiert sind und es wirtschaftlich nicht machbar ist, alle Masten gleichzeitig auszutauschen, ist es wichtig, den Zustand der Masten zu bewerten und sie in der Reihenfolge der Dringlichkeit auszutauschen. Dafür ist eine Untersuchungsmethode erforderlich, mit der der Zustand der Masten zerstörungsfrei und eindeutig bewertet werden kann. Im Folgenden stellen wir eine solche Methode vor.

2.1. Theoretischer Hintergrund - Physik der Festkörper

Jeder Festkörper ist in der Lage, Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen in mehreren Richtungen auszuführen. Die größten Auslenkungen treten bei der materialspezifischen Eigenfrequenz auf, da der Körper in dieser Frequenz in der jeweiligen Richtung "resoniert" (daher der Begriff Resonanzfrequenz). Es ist natürlich, dass kein Körper von selbst anfängt, Schwingungen auszuführen. Dazu ist eine Anregung - also äußere Kräfte - erforderlich. Je größer diese Kraft ist und - im Fall von Wechselkräften - je genauer sie mit der Eigenfrequenz des Körpers übereinstimmt, desto stärkere Schwingungen führt der Festkörper aus (in Richtung der durch die Kraft verursachten Bewegung). Wenn er frei beweglich ist, führt er diese Schwingung mit seiner Eigenfrequenz aus, aber wenn z.B. aufgrund einer konstanten Kraft keine freie Bewegung möglich ist, wird er mit der vom Kraft erzwungenen Frequenz schwingen. Um dies zu verstehen, vergleichen wir dieses physikalische Phänomen mit der Vibration einer Glocke. Eine Glocke hat einen "natürlichen" Klang, auf dem sie bei einem Schlag erklingt. Die aktuelle Frequenz des Klangs hängt von der Steifigkeit der Glocke (also ihrem Material, ihrer Form und Dicke) sowie ihrer bewegten Masse (ihrer Größe) ab. Diese Frequenz ist die Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz der Glocke. Es ist leicht zu erkennen, dass dies eine richtungsabhängige Eigenschaft ist: Wenn wir die Glocke nicht in die "übliche" Richtung läuten, wird ihr Klang schwach und "falsch" oder sie klingt fast gar nicht.

2.2. Resonanz von mechanischen Strukturen

Mechanische Strukturen zeigen unterschiedliche Steifigkeiten bei verschiedenen Frequenzen. Bei denjenigen Frequenzen, bei denen die Steifigkeit der Struktur gering ist (dh die Schwingungsneigung groß ist), können bereits sehr kleine Kräfte die Struktur zu starken Schwingungen bringen. Diese Frequenzen werden Resonanzfrequenzen genannt, und der umgebende Frequenzbereich wird als Resonanzbereich bezeichnet. Der Frequenzbereich, in dem die Struktur jedoch besonders steif ist, wird als Antiresonanzbereich bezeichnet. Wenn also die Frequenz einer anregenden Kraft in den Resonanzbereich fällt, entstehen starke Schwingungen. Wenn die Anregungsfrequenz jedoch in den antiresonanten Frequenzbereich fällt, kann es sogar vorkommen, dass keine Schwingungen im angeregten Material auftreten. Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Dämpfung der Resonanz. Die Dämpfung gibt an, wie schnell eine durch eine einmalige Anregung verursachte Resonanzschwingung abklingt. Harte Materialien (wie Glas, Stahl, Messing) sind im Allgemeinen wenig gedämpft und schwingen nach der Anregung lange nach (ein Beispiel dafür sind im Alltag die Glocke und das Xylophon). Die Frequenzbereiche solcher Resonanzen sind in der Regel sehr eng und zeichnen sich durch hohe, deutliche Amplitudenanstiege aus. Weiche und plastische (elastische, weiche) Materialien (wie Gummi, Holz) weisen eine hohe Dämpfung auf. Bei diesen Materialien finden wir in der Regel einen sehr breiten Frequenzbereich von Resonanz, dessen Amplitudenanstiege nicht so deutlich sind.

2.3. Eigenschaften der Oberleitungsmasten

Die Tragmasten haben natürlich - als mechanische Struktur - eine Resonanzfrequenz. Deren Frequenz hängt von der Struktur des Tragmastes, der Belastung (durch die Oberleitung ausgeübte Zugkraft) und dem Zustand (Wandstärke) ab. Unter der Annahme gleicher Maststrukturen und konstanter Belastung hängt die Resonanz der Tragmasten nur vom Zustand des Mastes ab. Durch den Vergleich der Resonanzeigenschaften von Masten in angemessenem Zustand mit Referenzmasten können daher korrodierte Masten durch Resonanzmessungen herausgefiltert werden.

3.1. Grundlage zur Bestimmung des Zustands der Tragmasten

Aus den vorherigen Informationen wissen wir, dass der Frequenzbereich der Resonanzen von den Materialien und der Struktur abhängt. Wenn wir uns nur auf einen bestimmten Säulentyp konzentrieren - unter der Annahme eines einheitlichen Herstellungsverfahrens und geringer Fertigungstoleranzen - können wir davon ausgehen, dass eine gerade (neuartige) Tragsäule über eine hohe Steifigkeit verfügt und daher eine Resonanz mit hoher Frequenz aufweist. Die Wandstärke der korrodierten Tragsäule nimmt ab, wodurch die Struktur weniger steif wird und infolgedessen über eine niedrigere Eigenfrequenz verfügt. Der Kern der diskutierten Untersuchungsmethode liegt genau darin: Je weiter die Korrosion der Tragsäule fortgeschritten ist, desto geringer ist die Wandstärke und Steifigkeit, was anhand der niedrigeren Eigenfrequenz nachweisbar ist. Es ist lediglich durch Experimente festzustellen, in welchem Frequenzbereich sich die Eigenfrequenz intakter Säulen befindet und auf welchen Wert die Resonanzfrequenz dieser Säulen bei inakzeptabler Korrosion abfällt.

3.2. Methode zur Bestimmung des Zustands der Tragsäulen

Der einfachste Resonanztest ist der Schlagtest, bei dem die Säulenstruktur durch einen einzigen Schlag angeregt wird und das Spektrum der dadurch entstehenden Schwingungen aufgezeichnet wird. Die Resonanzfrequenzen zeigen sich im Spektrum als Spitzen (Amplitudenhöhen). Die anti-resonanten Bereiche hingegen erscheinen als Täler. Die Breite der Spitzen und der talartigen Bereiche charakterisiert die Dämpfung. Welcher Frequenzbereich durch den Schlag angeregt werden kann, hängt von der Dauer τ des Schlagimpulses ab. Im Frequenzbereich 1/τ wirkt 90 % der Energie, die durch den Schlag in die Struktur eingebracht wird, als Schwingungsanregung. Daher sind weiche (stumpfe) Schläge, z. B. mit einem Gummihämmer, nur bis zu einigen 100 Hz in der Lage, Schwingungen anzuregen, während kurze (harte) Schläge (z. B. mit einem Stahlhammer) Schwingungen in einem Bereich von mehreren kHz anregen können. Da Tragsäulen als große Strukturen gelten und eher weich - mit geringer Steifigkeit - sind, scheint die Anwendung der "Gummihämmer"-Anregung geeignet zu sein. Um sicherzustellen, dass die Säulen mit gleicher Kraft angeregt werden, empfehlen wir die Verwendung einer Hilfskonstruktion mit Armen, die vorübergehend an der zu untersuchenden Säule befestigt werden kann. Es ist auch nicht auszuschließen, dass die Belastung der Säule durch vorbeifahrende Züge zur Durchführung der Resonanzuntersuchung genutzt werden kann. (Dies muss durch Experimente ermittelt werden.)

Abbildung: Spektrum mit vier Resonanzfrequenzen, aufgezeichnet durch Schlagtest

3.3. Erwartete Ergebnisse der Zustandsprüfung der Tragsäulen

Die Säulenstrukturen weisen voraussichtlich je nach Typ sehr unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf. Daher kann die Untersuchung immer nur anhand eines Vergleichs von Säulen desselben Typs durchgeführt werden. Für jeden einzelnen Typ ist jedoch zu erwarten, dass je nach Korrosionszustand stark unterschiedliche Resonanzfrequenzen auftreten, sodass intakte und defekte Säulen eindeutig voneinander zu unterscheiden sind. Die für Entscheidungen erforderlichen Grenzwerte müssen separat für jeden Typ experimentell bestimmt werden.

4. Zusammenfassung

Die vorgestellte Untersuchungsmethode ist zerstörungsfrei, schnell und äußerst kostengünstig. Die Gesamtkosten für die erforderlichen Geräte (Zwei-Kanal-Schwingungsanalysator mit Schwingungssensoren, Anregungshammer) überschreiten nicht 4 Millionen Forint. Die Untersuchung selbst wird voraussichtlich weniger als 10 Minuten pro Säule in Anspruch nehmen, sodass sehr viele Säulen innerhalb kurzer Zeit untersucht werden können. Die Ergebnisse können gespeichert und bei späteren Untersuchungen verwendet werden - und es besteht sogar die Möglichkeit, die Geschwindigkeit des Zustandsverfalls der Säulen in sogenannten Trends aufzuzeigen. Anmerkung: Die beschriebene Methode wird von PIM Professzionális Ipari Méréstechnika Kft. als ihr geistiges Eigentum betrachtet und ist daher urheberrechtlich geschützt.

Rahne Eric (PIM Kft.) pim-kft.hu, gepszakerto.hu

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