Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung der Standsicherheit eines auf einem Untergrund stehenden Mastes oder eines ähnlichen stehenden Systems

Masten werden beispielsweise als Trager von Beleuchtungen (z B Fluilichtmasten), Verkehrsschildern, Ampeln, Seilen wie Freileitungen für Strom oder Seile für Seilbahnen (z B Hochspannungsmasten, Oberleitungsmasten von Eisenbahnen oder Straßenbahnen) oder Antennen (z B Sendemasten für Radio, Fernsehen oder Mobilfunk) eingesetzt Ein Strommast ist ein beispielsweise aus Holz oder Metall bestehender, im Untergrund verankerter Pfahl oder Pfeiler mit wenigstens einem im oberen Bereich befestigten stromführenden elektrischen Leiter

Vor allem Umwelteinflusse wie Bodenfeuchtigkeit und Wind oder Vandahsmus können einen Mast oder ein ähnliches stehendes System beispielsweise durch Korrosion, Materialermüdung oder Rissbildung beschädigen und die Standsicherheit gefährden Die Standsicherheit eines Mastes ist daher in regelmäßigen Abstanden zu überprüfen Es ist also festzustellen, ob ein zu überprüfender Mast derart beschädigt ist, dass dieser ausgetauscht werden muss

Um die Standsicherheit eines Masies zu prüfen, wird vielfach mit Hilfe eines mobilen Gerätes eine horizontal wirkende Last auf die Masten aufgebracht Die dabei auftretenden Verschiebungen werden gemessen Nach dem Entfernen der Last wird anschließend kontrolliert ob der Mast seine Ausgangsposition wieder erreicht hat Diese Methode ist in vielen Fallen nachteilhaft und nicht zerstörungsfrei da z B • beschädigte Masten ihre Ausgangsposition nicht mehr erreichen und dann in der Regel schief stehen.

• die aufgebrachten Lasten hoher sind als die tatsachlich möglichen Lasten durch eine Windeinwirkung , Die Masten können dabei durch die Pruflast beschädigt werden, obwohl sie noch standsicher waren ,

Schiefstehende oder beschädigte Masten müssen in der Regel sofort ausgetauscht werden, insbesondere dann, wenn die Mäste spannungsführende Beseilung tragen. Dies ist für die Betreiber ein erheblicher logistischer Aufwand, der in der Regel kurzfristig zu organisieren ist. Die Prufmethoden mit Lasteinleitung haben weiterhin den Nachteil, dass sie nur Fehler unterhalb der Lasteinleitungsstelle mit prüfen. Fehlerhafte Stellen oberhalb der Lasteinleitung werden hierdurch nicht geprüft,

Eine weitere Methode bei Holzmasten ist das Anbohren der Masten mit Hilfe eines speziellen Bohrgerätes. Dabei wird die Kraft aufgezeichnet, die für einen konstanten Bohrfortschritt erforderlich ist. Nimmt die Kraft ab, lasst dies auf schadhafte Stellen innerhalb des Holzquerschnittes schließen, Diese Methode hat ebenfalls verschiedene Nachteile:

• zunächst ist die Methode nicht zerstörungsfrei;

• da in der Regel nur am Fuß gebohrt wird, können Aussagen auch nur für diesen Bereich gemacht werden, Streng genommen ist nur die Bohrstelle selbst bewertbar, Eine Aussage zum Verhalten des Fundamentes als Ganzes ist nicht möglich,

Eine aufwandige Methode ist das Prüfen mit Hilfe spezieller Ultraschallgerate, Diese Prüfung ist zunächst einmal diskret, d .h. es wird immer nur eine bestimmte Messstelle bzw, ein bestimmter Querschnitt geprüft, Um ein ganzheitliches Bild zu erlangen, müssen die Messungen an verschiedenen

Stellen des Mastes durchgeführt werden, Dies ist relativ aufwandig, Es kann nur darauf geschlossen werden, ob die geprüften Stellen einen Schaden aufweisen oder nicht, Eine direkte statische Bewertung \s\ nicht möglich, Verfahren zur Prüfung der Sfandsicherheit eines Masfes, gemäß denen ein Masf statisch belastet wird, sind beispielsweise aus den Druckschriften DE-OS 1 5 73 752 sowie EP 0638 794 B l bekannt Maß für die Standsicherhell ist gemäß diesen Druckschriften die Auslenkung eines Mastes bei einer vorgegebenen Kraft, mit der ein Mast beaufschlagt wird

Die DE 2991 0833 U betrifft eine mobile Prufemheit zum Messen der Standsicherheit eines Mastes bestehend aus einem sich am Erdboden abstutzenden und mit dem Mastfuß zu verbindenden Gestells, welches Mittel zum Belasten des Mastes mit einer Pruflast umfasst Am Gestell ist eine erste Messeinheit zur Kontrolle der durch die Pruflast verursachten Mastauslenkung angebracht Eine vom Gestell mechanisch unabhängige, zweite Messeinheit dient zum Ermitteln von Bewegungen der ersten Messeinheit Diese Prufeinheif ist relativ aufwendig und kann insbesondere nicht leicht zu einem zu prüfenden Mast transportieM werden

Die Druckschrift DE 1 0028872 A offenbart ein Verfahren der eingangs genannten Art Für das Überprüfen der Standsicherheit eines Betonfundamentes eines in Gitterbauweise erstellten Freileitungsmastes wird ein Kraftimpuls auf den Eckstiel ausgeübt und die Reaktion der Umgebung mit Hilfe von seismographischen Sensoren gemessen sowie ausgewertet Dieses Verfahren kann keine genauen Ergebnisse für unterschiedliche Masttypen liefern

Darüber hinaus ist bekannt, an einem Mast in einer gewünschten Hohe eine um den Mast rotierende Masse anzubringen Der Mast wird so in Schwingung versetzt, die ein Maß für die Standsicherheit darstellen sollen Ein derartiges Verfahren, gemäß dem ein Mast auf diese Weise periodisch mit einer Kraft beaufschlagt wird, ist beispielsweise der DE 1 03 00 947 Al zu entnehmen Mit Hilfe von Beschleunigungssensoren wird das Schwingverhalten des Mastes ermittelt Das Schwingverhalten wird anhand verschiedener Kriterien bewertet Hieraus wird auf die Standsicherheit des untersuchten Mastes geschlossen Es handelt sich bei einem derartigen Verfahren nachteilhaft ebenfalls um ein relativ ungenaues, nicht standardisiertes Verfahren Ein derartiges Verfahren ist insbesondere dann ungenau, wenn das Schwingungsverhalten von den Umgebungsbedingungen abhangi . Dies gilt vor allem für einen Mast, der Freileitungen tragt. In Abhängigkeit von der herrschenden Temperatur verändert sich nämlich der Seildurchhang und damit das Schwingungsverhallen bzw, die Eigenfrequenz eines zu untersuchenden Mastes. Es gibt also Abweichungen im Schwingungsverhalten, die auf jeweils herrschende Umgebungsbedingungen zurückzuführen sind und nicht etwa auf aufgetretene Beschädigungen eines Mastes, die seine Standsicherheit gefährden konnten.

Aus der Druckschrift EPl 51 71 41 A geht ein Verfahren zur Überprüfung der Standsicherheit, insbesondere der Korrosionsbeeintrachtigung von Metallmasten hervor, die teilweise in einen Untergrund eingelassen sind, Der Metallmast wird in Schwingungen versetzt und diese Schwingungen werden mit einer Messvorrichtung gemessen , Die dabei erhaltenen Schwingungsmessdaten werden mit aufgezeichneten

Schwingungsmessdaten eines intakten identischen Mastes verglichen. Treten Abweichungen zwischen den erhaltenen und den aufgezeichneten Schwingungsmessdaten auf, so deuten diese Abweichungen auf eine Beeinträchtigung hin , Nachteilhaft muss für jeden neuen Mast das

Schwingungsverhalten eines intakten Mastes neu ermitteil werden . Für jeden neuen Mast muss neu festgelegt werden, welche Abweichungen eines Schwingungsverhaltens so sind, dass ein Mast wegen fehlender Standsicherheit ausgetauscht werden muss. Unberücksichtigt bleiben solche Abweichungen des Schwingungsverhaltens, die auf die jeweils herrschenden individuellen Bedingungen zurückzuführen sind, Wiederum handelt es sich um ein nicht standardisiertes, relativ ungenaues Prüfverfahren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen die Standsicherheit eines Mastes zerstörungsfrei und zuverlässig in praktikabler Weise überprüft werden kann, Zur Losung der Aufgabe wird eine Eigenfrequenz eines zu prüfenden Mastes ermitielt Die ermittelte Eigenfrequenz wird verwendet, um hieraus ein Maß für die Standsicherheit eines Mastes zu ermitteln In Abhängigkeit von dem aus der Eigenfrequenz ermittelten Maß für die Standsicherheit wird also festgestellt, ob ein Mast hinreichend standsicher ist

Um eine Eigenfrequenz eines Mastes ermitteln zu können, genügt es, den zu prüfenden Mast geringfügig in Schwingungen zu versetzen und das Schwingungsverhalten mit einem oder mehreren Beschleunigungssensoren aufzuzeichnen Der Mast muss und soll auch aus unten genannten Gründen keinen starken Belastungen ausgesetzt werden, zumal starke Belastungen den Mast beschädigen konnten Um Eigenfrequenzen ermitteln zu können, ist es auch nicht erforderlich, einen zu prüfenden Mas1 in einer exakt definierten, immer identischen Weise in Schwingungen zu versetzen Es ist häufig noch nicht einmal erforderlich und auch nicht erwünscht, künstlich Mastschwingungen zu erzeugen Es kann also genügen, die Schwingungen aufzuzeichnen, die beispielsweise aufgrund von natürlichen externen Belastungen wie Wind verursacht werden

Im Unterschied zum Stand der Technik wird mit Hilfe der ermittelten Eigenfrequenz insbesondere die Verschiebung bzw Auslenkung des Kopfes des Mastes aufgrund von externer Belastung berechnet und/ oder durch ein numerisches Verfahren ermittelt Mit externer Belastung sind nicht die Gewichte gemeint, die ein Mast standig bestimmungsgemäß zu tragen hat Mit externer Belastung ist auch nicht das Eigengewicht des zu prüfenden Mastes gemeint Eine externe Belastung resultiert insbesondere von einem herrschenden Wind Wird ein Mast von einer Person bestiegen, so handelt es sich ebenfalls um eine externe Belastung im Sinne der Erfindung

Anhand des Verformungsverhaltens bzw der Mastauslenkung wird die Standsicherheit beurteilt Das Verformungsverhalten des Mastes ist ein gut geeignetes Maß, um die Standsicherheit eines Mastes beurteilen zu können Insbesondere ermöglicht dieses Maß verlasshchere Aussagen zur Standsicherheit im Vergleich zu dem Fall, gemäß dem lediglich das Schwingungsverhαlten oder die Eigenfrequenz selbst als Maß für die Standsicherheit verwende! wird

Daher kann das Verfahren in einfacher Weise und damit praktikabel reproduzierbar durchgeführt werden Es ist daher möglich, Standsicherheitsprufungen so durchzufuhren, dass die erhaltenen Ergebnisse zuverlässig die tatsächliche Standsicherheit eines Mastes wiedergeben

Eine Eigenfrequenz hangt von der Steifigkeit eines Mastes ab und erlaubt daher eine Beurteilung der Steifigkeit eines Mastes Die Steifigkeit eines Mastes ist wiederum eine Große, die es erlaubt, die Auslenkung eines Mastes infolge einer Belastung zu beurteilen Eine geeignet ermittelte Steifigkeit kann bereits ausreichen, um die Standsicherheit gegenüber dem Stand der Technik verbessert ermitteln zu können Dies gilt insbesondere dann, wenn aus den zulassigen Verformungen eine Sollsteifigkeil des Systems ermittelt wurde, mit der die geeignet ermittelte Steifigkeit verglichen werden kann Eine ermittelte Steifigkeit ist insbesondere dann geeignet, wenn diese die zum Zeitpunkt der Messung vorhandene Gesamtsteifigkeit des Systems beschreibt

Regelmäßig verjungt sich ein Mast, so zum Beispiel ein aus Holz bestehender Mast (Hoizmast) nach oben hm Em Mast wie zum Beispiel ein Strommast weist ferner Anbauteile auf Solche Anbauteile sind im Fall eines Strommastes vor allem Befestigungselemente für elektrische Leitungen

Außerdem wird ein Strommast durch die daran befestigten elektrische Leiter mechanisch belastet Diese Unterschiede im Vergleich zu einem einfachen, beispielsweise zylinderförmigen Mast wirken sich auf die Eigenfrequenz aus Eine Eigenfrequenz eines Mastes hangt außerdem davon ab, in welcher Hohe beispielsweise Anbauleile angebracht sind In einer Ausfuhrungsform der Erfindung fließen daher in die Ermittlung des Verformungsverhaltens (Auslenkung oder Verschiebung des Mastkopfes) solche Systemparameter eines Mastes ein Damit ist gemeint, dass die Berechnung oder numerische Ermittlung des Verformungsverhaltens auch Systemparameter eines Mastes berücksichtigt Umfasst eine Berechnung oder numerische Ermittlung des Verformungsverhalfens keine Systemparameter, so fließen in die Ermittlung des VerformungsvΘihαltens keine Systempαrαmeter eines Mastes ein, Systemparamerer sind

• Hohe des zu beurteilenden Mastes; • Mastdurchmesser sowie hiervon ausgehend die Veränderung des

Mastdurchmessers mit zunehmender und/ oder abnehmender Hohe;

• Material des Mastes wie zum Beispiel Holzart (Buche, Eiche, Kiefer usw. ), Stahl, Aluminium, Beϊon usw, ;

» Anzahl von Seilen bei Masten mit Beseilung; • Seildurchmesser von Seilen bei Masten mit Beseilung;

• Material oder Gewicht von Seilen, soweit vorhanden; β Seildurchhang bei Masten mit Beseilung am Messtag;

• Hohe von Befestigungspunkten für Anbauten und/ oder Seile (soweit vorhanden); • Gewicht von Anbauten wie zum Beispiel Befestigungselemente für elektrische Leiter / Seile; » E-Modul des Mastes (ergibt sich in der Regel aus dem Material des

Mastes - bei Holz wird vorteilhaft die am Messtag herrschende

Materialfeuchte berücksichtigt); • Abstand zwischen benachbarten Masten, die über eine Beseilung miteinander verbunden sind;

• Position von Zusatzmassen wie Lampen, Isolatoren, Traversen, Antennen, Leitern (um einen Mast besteigen zu können);

• Große von Zusatzmassen wie Lampen, Isolatoren, Traversen, Antennen, Leitern (um einen Mast erklimmen zu können);

• Gewicht von Zusatzmassen wie Lampen, Isolatoren, Traversen, Antennen, Leitern (um einen Mast erklimmen zu können);

In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird die Auslenkung eines Mastes bzw. ein entsprechendes Maß infolge einer externen Belastung durch Wind etc . unter Berücksichtigung der Lasten ermittelt, die ein Mast zu tragen hat, einschließlich des Eigengewichtes des Mastes, Die vom Mast bestimmungsgemäß zu tragenden Lasten und Massen haben Einfluss auf seine Eigenfrequenzen, so dass die Berücksichtigung dieser Lasten und Massen dazu beitragt, verbessert die Standsicherheit beurteilen zu können Fließen diese Lasten und Massen nicht in die Berechnung oder numerische Ermittlung der Auslonkung ein, so werden diese Lasten und Massen nicht im Sinne der vorliegenden Erfindung berücksichtig t

Eine Eigenfrequenz eines Mastes wird allerdings nicht nur durch Lasten und Massen, mit denen ein Mast standig belastet isl, beeinflussi, sondern vor allem auch, in welcher Hohe sich die zu tragenden L asten und Massen befinden In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird daher die Hohe oder aber die Hohen berücksichtigt, in der sich die von einem zu prüfenden Mast zu tragenden Lasten und Massen befinden, um so weiter verbessert die Standsicherheit eines Mastes beurteilen zu können Fließen solche Hohen nicht in die Berechnung oder numerische Ermittlung der Auslenkung (Verformung) bzw eines entsprechenden Maßes ein, so werden diese Hohen nicht im Sinne der vorliegenden Erfindung berücksichtigt

Die Eigenfrequenz eines Mastes wird außerdem durch die Position und Große einer vom Mast zu tragenden Masse beemflusst Es kommt beispielsweise darauf an, ob eine Masse einen Mast gleichmäßig belastet oder aber ungleichmäßig, weil eine Masse ausschließlich an einer Seite des Mastes befestigt ist Ist eine Masse ausschließlich seitlich befestigt, so kommt es auch darauf an, wieweit der Massenschwerpunkt seitlich neben der Mastachse liegt U a aus diesem Grund beemflusst daher auch die Große und Form einer Masse, also des Gegenstandes, dessen Gewicht betrachtet wird, die Eigenfrequenz In vergleichbarer Weise spielt auch eine Rolle, wie hoch und / oder wie tief eine Masse ausgehend von einem Befestigungspunkt am Mast reicht In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird daher auch die Große und/ oder Form eines solchen Gewichtes berücksichtigt, um so weiter verbessert die Standsicherheit eines Mastes beurteilen zu können

In einer Ausfuhrungsform der Erfindung werden die von einem Mast zu tragenden Massen einschließlich seines Eigengewichtes, die Hohen, in der sich diese Massen befinden, zu einem Wert zusammengefassf, der nachfolgend generalisierte Masse genannt wird In die generalisierte Masse M _gen kann außerdem die Position, Form und/ oder Große von zu I ragenden Massen mit einfließen Diese generalisierte Masse fließt in einer Ausfuhrungsform der Erfindung in die Berechnung oder numerische Ermittlung eines Maß für die Auslenkung ein, um so weiter verbessert die Standsicherheit eines Mastes beurteilen zu können

Die generalisierte Masse fließt insbesondere wie folgt in die numerische oder rechnerische Ermittlung der gesuchten Auslenkung ein

mit Ω - 2π Eigenfrequenz f e

Die generalisierte Masse unterscheidet sich von der wiegbaren Masse eines Mastes einschließlich der vom Mast zu tragenden Massen durch eine dynamische Komponente, die die Standsicherheit eines Mastes sowie seine Eigenfrequenzen beeinflussen

Um eine generalisierte Masse ermitteln zu können, wird beispielsweise zunächst einmal das Gewicht des Mastes nebst der Verteilung des

Gewichtes ermittelt Hierzu wird beispielsweise der Durchmesser des Mastes am unteren Ende oberhalb seiner Verankerung sowie wenigstens der Durchmesser ermittelt, den der Mast an seiner Spitze aufweist Der Durchmesser an der Mastspitze kann mι1 Hilfe von Konizitaten aus Tabellen ermittelt werden, in denen typische Abmessungen für Mäste vorgegeben sind (z B RWE-Richtlinie) Dadurch wird beispielsweise im Fall eines sich homogen verjüngenden Holzmastes das Volumen des Mastes ermittelt Durch Ermitteln der spezifischen Dichte des Materials, also zum Beispiel des Holzes in Abhängigkeit von der Holzart sowie durch Feuchtigkeitsmessungen am Messtag wird die spezifische Masse des Holzes am Messtag ermittelt Hieraus wird das am Messtag maßgebliche Gewicht des Holzmastes ermittelt Die Anbαuieile sind gewichfsmαßig in der Regel bekannt bzw vorn Betreiber der Masten vorgegeben Diese werden also letzten Endes durch konventionelles Wiegen ermittelt und zwar vor der Befestigung am Mast

Es wird darüber hinaus ermittelt, in welcher Hohe die Anbauteile angebracht sind Dies geschieht durch Langen- bzw Hohenmessungen

Vorgegeben und damit bekannt ist das Maieπal sowie der Durchmesser der Seile, die an einem Mast mit Beseilung hangen Darüber hinaus wird der Abstand zwischen zwei benachbarten Masten ermittelt Ferner kann eine Temperaturmessung durchgeführt werden Ausgehend von einem vorbekannten Seildurchhang bei einer vorgegebenen Temperatur kann so berechnet werden, wie stark die Seile zwischen zwei Masten durchhangen und wie stark die Gewichtskraft ist, die auf den Mast aufgrund eines durchhangenden Seils ausgeübt wird Alternativ wird der Seildurchhang am Messtag direkt gemessen Die gemessene Temperatur dient dann zur Berechnung des Seildurchhanges bei den Temperaturen, die für die Bewertung maßgebend sind Mit Hilfe dieses Seildurchhanges werden die Seilkrafte berechnet Ungunstig können hohe Temperaturen sein, weil dann der Seildurchhang zunimmt, die Seilkrafte kleiner werden und die

Rucksiellfeder aus der Beseilung ein Minimum annimmt Bevorzugt wird daher die Prüfung durchgeführt, wenn die herrschende Außentemperatur weniger als 30 ⁰ C betragt Vorzugsweise betragt die Außentemperatur dann wenigstens 0 ⁰ C, um Verfälschungen aufgrund einer Eisbildung zu vermeiden

Es wird dann ermittelt, wie stark ein zu prüfender Mast senkrecht durch Seile belastet wird Dieser Wert ist temperaturabhangig, da in Abhängigkeit von der Temperatur Seile unterschiedlich sfark durchhangen

Ein am Mast befestigtes, durchhangendes Seil wirkt mit einer senkrechten und mit einer horizontalen Kraft auf den Mast ein Insbesondere werden im Zusammenhang mit Seilen daher auch solche Ruckstellkrafte ermittelt, die auf den Mast in horizontaler Richtung einwirken In einer Ausfuhrungsform der Erfindung werden bei einem Mast mι1 Beseilung nur solche Auslenkungen als Folge von externen Belastungen als Maß für die Standsicherheit eines Masses betrachtet, die senkrecht zu einem Seil erfolgen, welches vom Mast getragen wird Es wurde festgestellt, dass vor allem solche Auslenkungen für die Beurteilung der Standsicherheit von

Interesse sind, so dass das Verfahren dann auf diese Betrachtung reduziert werden kann Die Steifigkeit eines Mastes mit Beseilung in einer Richtung parallel zum Verlauf der Beseilung ist namhch ca 50 bis 1 00 mal hoher im Vergleich zu der dazu senkrechten Richtung Diese Steifigkeit bzw die entsprechende Auslenkung bei externer Belastung wird daher vorzugsweise nicht ermittelt und somit vernachlässigt

Die kritische Richtung ist also die vorgenannte zu Seilen senkrechte Richtung Die Gefahrdung der Standsicherheit ergibt sich insbesondere durch Windlast oder durch Mannlast Die Mannlast spielt eine Rolle, wenn eine Person beispielsweise aus Wartungszwecken auf einen Mast hinaufklettert Dies geschieht dann in der Regel seitlich einer Beseilung von Masten, so zum Beispiel seitlich von elektrischen Leitern von Strommasten, da andernfalls die betreffende Person nicht bis zu den Seilen heraufklettern kann

Um Eigenschwingungen eines Mastes ermitteln zu können, werden in einer Ausfuhrungsform der Erfindung Beschleunigungssensoren an dem Mast beispielsweise in einer definierten Hohe angebracht Die genaue Hohe muss allerdings nicht bekannt sein Die Beschleunigungssensoren müssen lediglich so hoch angebracht werden, dass auftretende Beschleunigungen gemessen werden können Die Mindesthohe, in der die Sensoren angebracht werden müssen, hangt daher auch von der Empfindlichkeit der Sensoren ab Am Mastfuß sind keine Messungen möglich, da hier fast keine Schwingungen auftreten Als hinreichend hat sich eine Hohe in Brusthohe einer durchschnittlichen Person herausgestellt Kommerziell erhältliche Sensoren sind regelmäßig hinreichend empfindlich, um in dieser Hohe Schwingungen mit ausreichender Genauigkeit messen zu können

Grundsätzlich gilt, dass sich mit zunehmender Hohe der angebrachten Sensoren die Messgenauigkeit verbessert Allerdings besteht dann das Problem der Anbringung Um also das Verfahren besonders einfach durchfuhren zu können werden die Sensoren vorzugsweise in einer Hohe angebracht, die von einem Bediener noch problemlos erreicht werden kann Dadurch werden Zusatzausrustungen wie Leitern entbehrlich Gleichzeitig genügt die Messgenauigkeil in dieser Hohe

In einer Ausfuhrungsform der Erfindung werden Beschleunigungssensoren in unterschiedlicher Hohe angebracht, um so genauere Informationen über das Schwingungsverhalten eines Mastes ermitteln zu können Hierdurch kann weiter verbessert die Standsicherheit eines Mastes beurteilt werden

In einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung wird nach Anbringung der

Beschleunigungssensoren abgewartet, bis der Mast aufgrund von Umgebungseinflüssen wie Wind messbar schwingt Dies reicht in vielen Fallen schon aus, um die gewünschten Eigenschwingungen ermitteln zu können Sollte dies nicht ausreichen, so wird der Mast künstlich in Schwingungen versetzt Dies kann in vielen Fallen manuell geschehen, indem ein Bediener entsprechend eine dynamische Kraft auf den Mast aufbringt

In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird beispielsweise mittels eines wiederkehrenden Signals, so zum Beispiel eines Tonsignals signalisiert, wann manuell Kraft auf einen Mast ausgeübt werden soll, um diesen geeignet in Schwingungen zu versetzen Das Tonsignal erfolgt vorzugsweise so, dass Resonanzschwingungen erzeugt werden, um mit geringer Kraft geeignete Schwingungen zu erzeugen

Der Takt, mit dem eine Kraft auf den Mast ausgeübt werden soll, um eine

Eigenschwingung bzw Resonanzschwingung zu erzeugen, kann aus einer ersten, noch relativ ungenauen Messung ermittelt werden Eine erste Messung liefert ein Frequenzspektrum Der erste Peak des f-requenzspektrums gehört zur ersten Eigenfrequenz Wird der Zeitschrieb des Messsignals mit Hilfe einer Fourier-Analyse in ein Frequenzspektrum umgewandelt, so ergibt sich der Takt eines wiederkehrenden Tonsignals aus der Lage des ersten Peaks

Eine erste Messung erfolgt also in einer Ausfuhrungsform vorzugsweise so, dass kontinuierlich Schwingungen aufgrund von natürlichen Störungen aus der Umgebung gemessen werden Eine zweite Messung, die als Folge einer künstlichen Anregung durchgeführt wird, findet vorzugsweise erst ab einer vorgegebenen Mindestbeschleunigung statt Erst ab dieser Mindestbeschleunigung werden Messwerte aufgezeichnet Es kann so besonders genau und einfach eine gesuchte Eigenfrequenz ermittelt werden

In einer Ausfuhrungsform des Verfahrens wird darauf geachtet, dass ein zu prüfender Mast nicht zu stark angeregt wird Eine zu starke Anregung wird vorzugsweise wiederum mit Hilfe von wenigstens einem Beschleunigungssensor geprüft und beispielsweise mit Hilfe eines Signals angezeigt Alternativ oder ergänzend werden bei zu starker Anregung Aufzeichnungen des Schwingungsverhaltens automatisieri gestoppt Es ist nämlich von Vorteil, den quasistatischen Fall zu betrachten Es ist namhch zwischen der quasistatischen und der dynamischen Steifigkeit zu unterscheiden Wird ein Mast zu schnellen Schwingungen angeregt, so ist die effektive Bodensteifigkeit sehr viel großer im Vergleich zum quasistatischen Fall Physikalischer Hintergrund ist, dass aufgrund der Massenträgheit und des Stromungswiderstandes in den Bodenporen im dynamischen Fall das Wasser im Bodenbereich nicht schnell genug verdrangt werden kann Hierdurch ergibt sich eine sehr viel größere Bodensteifigkeit im Vergleich zum quasistatischen Fall Im quasistatischen Fall wird das Wasser verdrangt und so eine sehr viel geringere Steifigkeit im quasistatischen Fall erzielt Für die Beurteilung der Standsicherheit ist der quasistatische Fall besonders relevant

Das Verfahren wird daher vorteilhaft nur mit kleinen Anregungen durchgeführt und zwar auch dann, wenn unter Stabilitatsgesichtspunkten deutlich größere Schwingungsfrequenzen möglich waren

In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird der Mast daher durch eine

Belastung angeregt, die zwischen 1 bis 1 0% der vorgesehenen maximalen Last liegt, die auf einen solchen Mast ausgeübt werden kann bzw darf

Eine zweite Messung, die darauf basiert, dass der Mast zuvor künstlich angeregt wurde, dient dazu, eine Eigenfrequenz genauer ermitteln zu können Je mehr Messungen durchgeführt werden, umso geringer ist eine Messungenαuigkeit in Bezug auf eine gesuchte Eigenfrequenz

Dennoch kann das Verfahren bereits mit einer Messung erfolgreich durchgeführt werden Es muss dann lediglich eine größere Ungenauigkeit in Kauf genommen werden Werden Beschleunigungen mehrfach auf verschiedene Weise gemessen, so ergibt sich daraus also lediglich eine genauere Ermittlung der gesuchten Ligenfrequenz Grundsätzlich wird das Verfahren dadurch jedoch nicht verändert

In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird ein geeignetes Maß für die Standsicherheit unter Verwendung der Beziehung

ermittelt Vorzugsweise wird ein geeignetes Maß für die Standsicherheit unter

Verwendung der Gleichung

ermittelt

C _gθn ist ein Steifigkeitsmaß, welches bereits als Maß verwendet werden kann, um eine Standsicherheit verbessert beurteilen zu können

Von besonderem Interesse ist die Drehsteifigkeil des Mastes, um die Standsicherheit eines Mastes beurteilen /u können Diese berücksichtigt bei Messung mit einem Sensor alle Abweichungen gegenüber einem nicht geschadigten System

Die Seilsteifigkeit bezieht sich auf die Seile, die von einem Mast mit Beseilung getragen werden Die Seilsteifigkeit C _s wird aus der Ruckstellkraft ermittelt, die sich bei Auslenkung eines Mastes ergibt Genauere Ausfuhrungen dazu werden unten beschrieben

Um die Biegesteifigkeif eines zu prüfenden Mastes zu ermitteln, wird vor allem auch die Mastlange ermittelt und berücksichtigt Es ist zu unterscheiden zwischen der Gesamtlange des Mastes und der Lange, die gegenüber der Gelandeoberkante hervorragt Bei der Ermittlung der Biegesteifigkeit spielt die Lange eine Rolle, die gegenüber dem Gelände hervorragt Diese Lange wird daher zum Beispiel gemessen

Sind Biegesteifigkeiten und erforderlichenfalls die Seilsteifigkeit ermittelt worden, so kann die Drehsteifigkeit berechnet werden Vor allem die Drehsteifigkeit erlaubt eine Aussage darüber, wie die Standsicherheit eines Mastes zu beurteilen ist

In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird auf der Grundlage einer ermittelten Maststeifigkeit, insbesondere der Drehsteifigkeit eines zu prüfenden Mastes beispielsweise durch Simulation oder Rechnung ermittelt, wie stark sich der Mast aufgrund einer Windlast, insbesondere aufgrund einer maximal möglichen bzw vorgesehenen Windlasi verformen wurde Insbesondere wird die dadurch bewirkte Verschiebung des Mastkopfes (nachfolgend „Kopfpunktverschiebung" genannt) betrachtet Diese Verformung oder Verschiebung ist ein besonders gut geeignetes Maß, um die Standsicherheit beurteilen zu können Es hat sich namhch herausgestellt, dass sämtliche Fehler, die die Standsicherheit in Frage stellen können, bereits in der ermittelten Information „Kopfpunktverschiebung" enthalten sind, Es hat sich herausgestellt, dass es daher nicht erforderlich ist genau festzustellen, wo der Fehler liegt, also beispielsweise in welcher Hohe, Überraschend wurde festgestellt, dass die Kopfpunktverschiebung bereits Informationen über Fehler enthalt, die sich oberhalb der Beschleunigungssensoren befinden , Es lasst sich daher ableiten, ob die Standfestigkeit eines Mastes hinreichend gegeben ist, Überschreitet eine simulierte oder berechnete Verschiebung eines Mastkopfes einen vorgegebenen Grenzwert , so muss ein Mast ausgetauscht werden , Vorzugsweise gibt es mehrere verschiedene vorgegebene Grenzwerte, die den Grad der Gefahrdung charakterisieren , So kann die Überschreitung eines höchsten vorgegebenen Grenzwertes bedeuten, dass ein Mast sofort ausgetauscht werden muss, Die Überschreitung eines darunter liegenden vorgegebenen Wertes kann bedeuten, dass ein Mast innerhalb eines festgelegten Zeltraums ausgetauscht werden muss,

Die Einstufung in Klassen orientiert sich in einer Ausfuhrungsform der Erfindung an den Klassen, die in EN 40-3-3 in Tabelle 3 angegeben sind, Die EN 40-3-2 : 2000 verlangt, dass die Verformung an der Mastspitze in eine der Klassen fallt, die in Tabelle 3 der EN 40-3-3 angegeben sind (EN 40-3-

2: 2000, Abschnitt 5.2, Absatz b)). Das heißt: Ist die Verformung großer als die Verformung der Klasse 3, gilt der Mast sofort als nicht mehr zulässig . Im Rahmen der Bewertung wird diese Verformungsgrenze deshalb zweckmäßig als größter zulassiger Wert interpretiert. Die EN 40 gestattet es jedem Land festzulegen, welche Klasse die Masten national mindestens erfüllen müssen (EN 40-3-3 : 2000, Anhang B, Absatz B, 2), Im Rahmen der erfindungsgemaß vorgeschlagenen Bewertung wird davon ausgegangen, dass in Deutschland immer Klasse 1 Masten gesetzt werden müssen, Das heißt: Sind die Verformungen an der Mastspitze kleiner oder gleich den Grenzwerten für Klasse 1 in Tabelle 3 aus EN 40-3-3, so gilt der Mast als in Ordnung, Die Grenzwerte der Klassen 2 und 3 werden in einer Ausfuhrungsform erfindungsgemaß benutzt, um eine verfeinerte Bewertung abgeben zu können, Das heißt, ein Mast, der Verformungen für Klasse 2 oder 3 aufweist, ist gegenüber dem Einbauzustand (Klasse 1 ) negativ verändert , Diese Veränderung stellt erfindungsgemaß eine Verminderung der Standsicherheit dar, Masten, die Verformungen kleiner als die Grenzwerte der Klasse 3 aufweisen, sind immer standsicher. Bei Klasse 2 und 3 Masten ist aber eine Veränderung eingetreten, die grundsatzlich das Ergebnis eines zeitabhängigen Prozesses ist, Die Masteigenschaften werden sich entsprechend kontinuierlich weiter verandern, Hieraus wurden dann empirisch und zwar vor allem für Holzmasten erfindungsgemaß folgende Empfehlungen abgeleitet:

Klasse 1 : Mast ist uneingeschränkt in Ordnung Klasse 2: nichi mehr besteigbar, aber noch standsicher Klasse 3: nicht besteigbar, bedingt standsicher, muss innerhalb von 3 Monaten ausgetauscht werden > Klasse 3 : nicht mehr standsicher, muss sofort ausgetauscht werden ,

Es wird weiterhin unterstellt, dass die Verformungen direkt auch mit den zugehörigen Grenzlasten korrelieren, Das heißt: Ein Mast mit großen Kopfpunktverformungen besitzt eine kleinere Grenzlast als ein Mast mit kleinen Kopfpunktverformungen , Geht man von einer durchschnittlichen Uberfestigkeit von 7% aus und unterstellt man, dass nur Klasse A Masten gemäß Tabelle 1 aus EN 40-3-3:2000 verwendet werden dürfen, so muss nach EN 40-3-2:2000 die kleinste Grenzlast mindestens ca, 1 ,5 mal so groß sein wie die Pruflast (charakteristische Last z.B. infolge Wind). Diese Bedingung gilt für alle Mastklassen, Da die Pruflasten aber für alle Lasten gleich sind heißt das, die Grenzlast für die Klasse 3 ist ca . 1 ,5 mal Pruflast und für die anderen Klassen ist die Grenzlast mindestens genauso groß, in der Regel sogar großer. Dieser Zusammenhang ist in Figur 1 7 dargestellt,

Gezeigt wird ein schematischer Zusammenhang zwischen Verformungen und Grenzlasten mit Klassen nach EN 40, Die genaue Bruchlast (Grenzlast) wird durch das Verfahren nicht festgestellt. Die Bewertung der Standsicherheit liegt aber auf der sicheren Seite,

In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird ermittelt, wie sich ein Mast in verschiedenen Hohe unter einer simulierten Windbelastung verschieben wurde, Auch dann können zu jeder Hohe vorgegebene Grenzwerte festgelegt worden sein, um die Gefahrdung eines Mastes weiter verbessert beurteilen zu können , Beispielsweise bei Lichtmαsten gibt es von Anfang an bekannte vorgegebene Grenzwerte für Mastauslenkungen, die nicht überschritten werden dürfen Diese haben allerdings in vielen Fallen nichts mit der Standsicherheit, sondern mit Gebrauchsuberlegungen zu tun Dennoch können solche Grenzwerte auch für die Beurteilung der Standsicherheit herangezogen werden

In gleicher Weise kann eine Mastverformung aufgrund einer Mannlast betrachtet werden, um so die Standsicherheit beurteilen zu können

Zur Durchfuhrung des Verfahrens wird eine Prufvorπchtung bereitgestellt, die über Eingabemittel wie eine Tastatur oder Mittel zur Spracherkennung und über Ausgabemittel wie zum Beispiel einen Bildschirm und/ oder Lautsprecher verfugt Die Vorrichtung umfasst Mittel, um Schwingungen messen und insbesondere auch aufzeichnen zu können Die Vorrichtung kann Sensoren umfassen, um die Feuchtigkeit eines Materials messen zu können, aus dem ein zu prüfender Mast besteht Die Vorrichtung kann einen Temperatursensor umfassen, um die am Messtag herrschende Außentemperatur ermitteln zu können Die Vorrichtung kann einen GPS™ Empfanger oder dergleichen umfassen, um die Position wahrend einer Messung ermitteln zu können Über die beispielsweise per GPS automatisiert ermittelte Position kann automatisiert aufgezeichnet werden, welcher Mast mit welchem Ergebnis geprüft wurde Irrtumer können so minimiert werden In einer Ausfuhrungsform werden die per GPS ermittelten Koordinaten verwendet, um automatisiert die Mastabstande bzw Feldlangen ohne weitere Abstandsmessungen zu erfassen Die Vorrichtung kann drahtlose Kommunikationsmittel umfassen, um online gesuchte Daten bzw

Systemparameter zu erhalten, die von einem Betreiber eines Mastes bereitgestellt werden Dies kann wiederum automatisiert unter Berücksichtigung des automatisiert ermittelten Standortes der Vorrichtung geschehen Darüber hinaus benotigte Informationen bzw Systemparameter können über Eingabemittel wie zum Beispiel einer Tastatur in die Vorrichtung eingegeben werden Die Vorrichtung ist in einer Ausgestaltung darüber hinaus so eingerichtet, dass mittels der Vorrichtung an den jeweiligen Betreiber des untersuchten Mastes die ermittelten Prufungsergebnisse automatisiert weitergeleitet werden, so dass beispielsweise entsprechende Datenbanken automatisiert aktuelle Informationen zur Standsicherheit erhalten Ergänzend oder alternativ kann die Vorrichtung ein Prufungsergebnis über ein Ausgabemittel wie Bildschirm oder Drucker zur Verfugung stellen Die Vorrichtung umfasst insbesondere eine so programmierte Recheneinheit, dass nach Eingabe der benotigten Eingangsinformationen automatisiert ein gesuchtes Maß für die Standsicherheit ermittelt wird Die Vorrichtung umfasst in einer Ausfuhrungsform der Erfindung einen Taktgeber zur Vorgabe eines Taktes, mit der ein Mast zu Schwingungen angeregt werden soll Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung in einer Ausfuhrungsform einen Zahler, der die Zahl der Anwendungsfalle registriert, Wartungsintervalle festzulegen oder aber um ein Abrechnungsmodell zu ermöglichen, gemäß dem pro Anwendung eine Gebuhr zu entrichten ist In der Vorrichtung sind in einer Ausfuhrungsform der Erfindung ein unterer und/ oder ein oberer Grenzwert gespeichert oder vorgesehen, um in Abhängigkeit vom unteren Grenzwert eine Aufzeichnung von Schwingungen zu starten bzw in Abhängigkeit vom oberen Grenzwert die Aufzeichnung zu stoppen

In einer Ausfuhrungsform sind Grenzwerte für die angeregte Beschleunigung in der Vorrichtung gespeichert, die dazu genutzt werden, um bei zu großen Anregungsamphtuden warnen zu können Diese Warnung erfolgt über einen Warnton, der über den gleichen Lautsprecher ausgegeben wird wie das Taktsignal

In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung Miltel für die Berechnung einer spezifischen unteren und oberen Schranke für die zu messende Eigenfrequenz Diese Grenzen werden in den Spektren durch die Vorrichtung beispielsweise auf einem Bildschirm dargestellt, so dass der Anwender die Möglichkeit hat, das gemessene Ergebnis auf Plausibihtat zu prüfen Hierdurch werden Fehler vermieden Die Erfindung ermöglicht ein zerstörungsfreies Prüfverfahren mit Hilfe von Schwingungsmessungen, um die Standsicherheit von Masten bewerten zu können Das Ergebnis des Verfahrens ist ein Parameter oder Maß, mit dem entschieden werden kann, ob die Standsicherheit des Mastes gegeben ist Für diese Bewertung werden in Ausfuhrungsformen der Erfindung unter anderem Kriterien wie die Kopfpunktverschiebung des Mastes infolge Horizontallasien (Wind) und Vertikallasten (Mannlasten) und/oder die Verdrehung des Fundaments berücksichtigt

Durch eine aufwandigere Messtechnik (mit mehr Sensoren) kann durch die vorliegende Erfindung auch auf die statisch relevanten Querschnittswerte (Flache und Trägheitsmoment) geschlossen werden In diesem Fall sind auch Spannungsnachweise möglich und sinnvoll, da diese dann für die Restquerschnitte gefuhrt werden

Die Erfindung ist universell für Masten aus verschiedenen Materialien einsetzbar sein Hierzu zahlen z B

Holzmaste z B als Freileitungsmaste im Nieder- und Miltelspannungsbereich oder für Telefonleitungen

Stahlmaste z B als Lampen-, Antennen-, Verkehrszeichen- oder Ampelmasten

Alummiummaste z B als Lampen-, Antennen-, Verkehrszeichenoder Ampelmasten

Die Masten können verschiedene Querschnitte haben, z B

Vollquerschnitt

- Kreisringquerschnitt

polygonartige Querschnitte (z B 6-fcck, 8-eck)

abgestufter Querschnittsverlauf

konischer Querschnittsverlauf Das erfiπdungsgemaße Prüfverfahren ist unabhängig von der jeweiligen Querschnittsform verwendbar

Durch die Erfindung können vor allem auch Anbauteile wie ? B Lampen, Verkehrsschildei, Isolatoren, Traversen oder Seile, die durch ihre Masse und Trägheitsmomente die Eigenfrequenzen der Mäste beeinflussen, rechnerisch berücksichtigt werden

Weiterhin ist es durch die Erfindung möglich, die Ruckstellkrafte durch evtl vorhandene Beseilung (bei Freileitungsmasten) oder Abspannungen berücksichtigen zu können, da hierdurch die Gesamtsteifigkeit des Systems beemflusst wird

Die nachfolgend angegebenen Ausfuhrungen verdeutlichen Ausfuhrungsformen der Erfindung und zielen zunächst auf eine analytische Losung ab Das Prinzip des Verfahrens kann so leichter erläutert werden Von der analytischen Losung kann allerdings auch durch numerische Verfahren abgewichen werden, so zum Beispiel bei der Bestimmung der Schwingungsform Außerdem kann z B die Drehfedersteifigkeit durch ein Iterationsverfahren bestimmt werden Vor allem diese genannten Abweichungen von einer analytischen Losung tragen zu einer Erhöhung der Genauigkeit bei Außerdem erleichtern diese Abweichungen die universelle Einsetzbarkeit des Verfahrens

Die nachfolgenden grundlegenden Erläuterungen werden für einfache Tagmaste oder Lampenmaste vorgestellt Das zugrunde liegende Prinzip ist in gleicher Weise auch für andere Masttypen verwendbar

Die folgenden Tabellen geben einen Überblick über die wesentlichen, verwendeten Variabein und Parameter Ziel ist es die Verschiebung der Mαsfspitze in senkrechter Richtung zur Leiterebene (falls vorhanden) infolge Horizontal- und Vertikallasten zu ermitteln Um das System zu vereinfachen muss zuerst die Gesamtsteifigkeit berechnet werden Es gibt mindestens drei Komponenten, nämlich

1 die Mastbiegesteifigkeit

2 die Mas1rotatιonssteιfιgkeι ϊ

3 die Leitersteifigkeit

4 (zusätzlich ggf Abspannungen oder Hausanschlusse etc )

Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze mit Masten 1 , die im Untergrund 2 verankert sind Die Masten tragen Seile bzw Stromleiter 3 Die Stromleiter 3 sind mit Hilfe von Isolatoren 4 an den Masten 1 befestigt

Sind Abspannungen vorhanden, so werden diese ebenfalls berücksichtigt Dies ist ein Sonderfall, der nachfolgend nicht naher behandelt wird

Es ist möglich, auch Masten zu bewerten die durch Hoch- oder Tiefzug beansprucht werden Weiterhin können Masten berechnet werden, die an Knickstellen von Leitertrassen stehen Die Rucksteilkrafte aus den Leitersellen werden dazu im Programm entsprechende angepasst Damit ergeben sich dann die korrekten zugehörigen Steifigkeiten aus den Seilen Die Figuren 2a und 2b zeigen schematisch die angesprochenen Situationen, also die Geometrie bei Hoch- oder Tiefzug und bei Masten an Knicken in Leitertrassen Die Berechnung dieser Steifigkeiten wird nachfolgend allerdings nicht naher erläutert

Die Steifigkeit hangt zudem von den Mateπaleigenschaften ab Aus diesem Grund werden bei Holzmasten zusätzlich die Feuchte des Materials und die Umgebungstemperatur gemessen, da beide Parameter wichtige Holzeigenschaften beeinflussen

Die Umgebungstemperatur ist am Messtag zu messen, um die am Messtag vorhandene Steifigkeit der Beseilung richtig zu erfassen Bei der statischen Berechnung der Mαste muss auch die Temperatur bei anderen Umgebungsbedmgungen berücksichtigt werden Diese hat Einfluss auf den Seildurchhang und damit auch Einfluss auf die Ruckstellkrafte durch die Seile Bei Systemen ohne Beseilung kann die Temperatur in der Regel vernachlässigt werden

Die Berechnungen der Gesamtsteifigkeit und der Einzelanteile werden nachfolgend erläutert

Nachfolgend wird auf den Einfluss der Mateπalfeuchte bei Holzmasten eingegangen Die Mateπalfeuchte beeinflusst sowohl den E Modul des Holzes als auch die zulassigen Spannungen Da für die Verformungen und, falls diese gefuhrt werden, auch für die statischen Nachweise im Wesentlichen der äußere Ring des Querschnittes relevant ist (ca 5cm), wird die Feuchte vorzugsweise auch nur dort bestimmt Dies erlaubt die Verwendung eines Messgerates, welches beispielsweise mit Ultraschall arbeitet und damit ebenfalls keine Beschädigungen des Holzes hervorruft Das Einschlagen oder Eindrucken von Elektroden ist also nicht erforderlich

Die gemessene Holzfeuchte wird auch zur Bestimmung der korrekten Dichte des Materials und damit der Masse verwendet

Figur 3 zeigt die prinzipielle Abhängigkeit des E-Moduls für Holz von der

Holzfeuchte (für einen E-Modul von ca 1 0 000 N/mm ² bei der Feuchte 1 2% nach verschiedenen Quellen

Ähnliche Abhängigkeiten finden sich z B in [1 2] (siehe Bild 4 Die dort angegebene Abhängigkeit der Biegesteifigkeit von der Feuchte ist dort allerdings großer Eigene Erfahrungswerte zeigen, dass die Feuchte in den Masten mit zunehmendem Alter abnimmt Abnehmende Feuchte wiederum fuhrt zu einem höheren E-Modul und damit zu einer höheren Feuchte Vorteilhaft wird daher in einer Ausfuhrungsform der Erfindung dieser Effekt durch einen beispielsweise empirisch ermittelten Altersfaktor kompensiert und zwar vorteilhaft selbst dann, wenn die Korrektur des E-Moduls nach Figur 3 die tatsächliche Zunahme des F-Moduls bei geringer Feuchte unterschätzt Falls im Laufe der Entwicklung die E-Modul Korrektur abhängig von der Feuchte angepasst wird, wird deshalb auch der empirische Altersfaktor vorteilhaft angepasst.

Figur 4, die aus [ 1 2] bekannt ist (siehe Figure 4- 1 1 ), zeigt die Abhängigkeit verschiedener Holzeigenschaften (property) von der Feuchte (moisture) , Die Kurve A bezieht sich auf die Spannung (tension) parallel zur Holzfaser (grain), die Kurve B auf die Biegung (bending), die Kurve C auf die Kompression (compression) parallel zur Holzfaser, die Kurve D auf die Kompression senkrecht zur Holzfaser und die Kurve E auf die Spannung senkrecht zur Holzfaser.

Die Holzfeuchte u Ist dabei wie folgt definiert:

mit: m _v Wassermasse in kg

rrir Holzmasse bei 0% Feuchte in kg

m _u Holzmasse nass, mit Feuchte u in kg

Die tatsächliche Dichte des Holzes bei einer bestimmten Feuchtigkeit u (in %) ergibt sich damit wie folgt:

Pu ^ Po " (1 + U /1 00) bei einer Feuchte von 0% (darrtrocken), oder

Pu ⁼ P ₁₂ ° (1 + U / 100j / 1.12 _{bei e} i _n er Feuchte von 1 2% (Raumklima)

Nimmt man die Dichte bei 0% Feuchte und rechnet sie auf Raumklima um, so erhält man folgende Werte für Dichten abhängig von der Holzfeuchte für 4 verschiedene Holzarten.

Die nachfolgende Tabelle enthalt typische Angaben aus diversen Quellen für den E-Modul und die Dichte verschiedener Holzarten bei der Feuchte von 1 2% (siehe [6])

Bei Spαnnungsnαchweisen wird vorteilhaft der Einfluss der Feuchte auf die mechanischen Eigenschaften (Zug- und Druckfestigkeiten) ebenfalls berücksichtigt

Nachfolgend wird der Einfluss der Umgebungstemperatur erläutert

Bei einer Beseilung, die spannungsfrei ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Seile die gleiche Temperatur wie die Umgebung haben Die Temperatur der Umgebung wird daher dann am Messtag gemessen und als Temperatur der Seile angenommen

Bei einer Beseilung unter Spannung ergibt sich die Seiltemperatur theoretisch korrekt auch durch die Leistung, die zum Messzeitpunkt in den Seilen anliegt Diese Temperatur kann aus Angaben des Netzbetreibers berechnet werden

Für die statischen Nachweise wird also in der Regel die Temperatur zum Messzeitpunkt berücksichtigt, um die Seildurchhange bei den maßgebenden Temperaturen berechnen zu können Basis hierfür sind die zum Messzeitpunkt gemessenen Feldlangen und Seildurchhange

Bei Holzmasten wird vorteilhaft ggf die Temperatur zur Bestimmung der Holzkenngroßen mil berücksichtigt Streng genommen hangen auch der E-

Modul und die zulassigen Spannungen von der Temperatur ab Bei der hier vorkommenden Variation der Temperatur wahrend der Messungen ist der Einfluss aber in der Regel vernachlassigbar klein . Detaillierte Angaben zum Einfluss der Feuchte und der Temperatur finden sich z. B . in [ 1 2j . Diese können in einer Ausfuhrungsform der Erfindung ebenfalls berücksichtigt werden .

Die nachfolgende, aus [ 1 2] entnommene Tabelle 4- 1 6 verdeutlicht die Abhängigkeit des E-Moduls (MOE) von der Temperatur T,

Da der Temperatureinfluss berücksichtigt wird, werden selbst bei sehr großen Temperaturdifferenzen zutreffende Ergebnisse erzielt.

Nachfolgend wird der Einfluss des Alters erläutert. Bei Holz beeinflusst das Alter sowohl die Feuchtigkeit im Material als auch die Festigkeit, Altere Masten weisen eine deutlich höhere Steifigkeit auf als junge Masten.

Der Einfluss des Alters auf die Steifigkeit wurde aus den Messdaten empirisch abgeleitei . Durch eine zunehmende Anzahl an Messdaten kann der Einfluss des Alterungseffektes kontinuierlich zugescharft werden , Figur 5 zeigt einen empirisch ermittelten Einfluss, der die Zunahme des E-Moduls abhangig vom Alter in Jahren zeigt. Der Einfluss dieses Alterungseffektes wird in der Software durch die in Figur 5 gezeigte Korrekturfunktion berücksichtigt, Der zu untersuchende Mast wird für die weitere Analyse zunächst in ein generalisiertes System transformiert, Dies ist ein gängiges Verfahren, um ein komplexes System, das aus vielen Stäben, Knoten und Massen besteht, in einen äquivalenten Einmassenschwinger zu überführen. Der Einmassenschwinger hat die gleichen dynamischen Eigenschaften wie das komplexe Ursprungssystem, Dies bezieht sich insbesondere auf die Steifigkeit und auf die Eigenfrequenz des Systems, Üblicherweise wird der virtuelle Einmassenschwinger an der Stelle der maximalen Verformung der zugrunde gelegten Schwingungsform des Systems positioniert. Das ist hier die Mastspitze, Figur 6 verdeutlicht das Ausgangssystem und das generalisierte System ,

Durch eine Energiebetrachtung und der Forderung, dass die Energie während einer Schwingperiode für beide Systeme gleich sein muss, ergeben sich die entsprechenden Formeln zur Bestimmung der Kenngrößen des generalisierten Ersatzsystems. Dies sind :

M _gen generalisierte Masse und

C _gen generalisierte Steifigkeit

Die Formeln zur Bestimmung der generalisierten Masse lauten :

Die Energie E ist für beide Systeme gleich, Da das generalisierte System hier an der Stelle der maximalen modalen Verformung angebracht ist, gilt:

Die generalisierte Masse ist dann :

Nimmt man für die Schwingungsform beispielsweise an

(parabelförmiger Verlauf), so erhält man folgende Gleichung für 'gen •

Die Eigenfrequenz f _θ des generalisierten Systems ist:

Die Bestimmung von M _gΘn wird für die einzelnen Bauteile der Mastsysteme unten nochmals spezifisch erläutert. Die Bestimmung von C _gen erfolgt hier über die Messung der Eigenfrequenz des Systems, Hierzu wird die o.g , Formel umgestellt:

Die so ermittelte generalsierte Steifigkeit C _gen ist die Gesamtsteifigkeit C _Gesamt des Systems, Diese wird zur weiteren Analyse in ihre Einzelbestandteile aufgeteilt,

Die Gesamtsteifigkeit setzt sich aus mehreren Einzelanteilen zusammen, und zwar: 1 , der Mαstbiegesteifigkeit C _B

2, der Drehfedersteifigkelt des Fundaments C _{φ B} , und

3. der Steifigkeit der Seile C _LιGesamt

Diese Anteile kann man sich wie Federn vorstellen, die zur Berechnung der Gesamtsteifigkeit kombiniert werden müssen. Dabei sind die Drehfedersteifigkeit und die Mastbiegesteitigkeit als Reihenschaltung und die Leitersteifigkeit additiv als Parallelschaltung zu berücksichtigen , Die Gesamtsteifigkeit kann dann folgendermaßen berechnet werden :

Für volle Einspannung, das heißt die Drehfedersteifigkeit ist unendlich, gilt:

In den Figuren 7a bis 7c werden die Verformungsanteile schematisch dargestellt. Die Anteile C _B und C _{L Gesamt} ergeben sich rein analytisch . Der

Anteil C _{φ B} ist dann die einzige Unbekannte. Diese kann mit Kenntnis der gemessenen Frequenz dann aus dem Messergebnis berechnet werden.

Die Mastbiegesteifigkeit wird analytisch bestimmt. Figur 8 verdeutlicht die Herleitung zur Berechnung der Biegsteifigkeit C _B exemplarisch für einen konischen Mast mit kreiszylindrischem Vollquerschnitt. Die Mastbiegesteifigkeit berechnet sich wie folgt. Die Biegesteifigkeit des Mastes ergibt sich alleine aus der Geometrie und den mechanischen Eigenschaften Dabei ist zu berücksichtigen, dass der E Modul bei Holzwerkstoffen abhangig von der gemessenen Feuchte bestimmt wird Über die Teuchtemessungen wird dieser Emfluss berücksichtigt

Die genaue Erfassung geschädigter Querschnittswerte kann durch eine genauere Messmethode erfasst werden Für die Bewertung der Standsicherheit genügt es aber, die Schädigungen des Mastes vollständig der noch zu bestimmenden Drehfeder C _φ am Fuß zuzuweisen Das heißt, der Mastschaft wird als nicht geschadigt in der Berechnung berücksichtigt Alle Einflüsse, die die Steifigkeit des Gesamtsystems beeinflussen, werden virtuell dem Fundament zugewiesen Die Verformungen am Mastkopf ergeben sich dann troizdem in der gleichen Größenordnung wie bei einer detaillierten Aufteilung der Schädigungen auf den Mastschaft und auf das Fundament Dies wurde durch Untersuchungen verifiziert

Figur 1 8 zeigt, dass die Gesamtverformung unabhängig von der Verteilung der Steifigkeitsanteile untereinander praktisch gleich bleibt Streuungen von Mateπaleigenschaften (z B beim E-Modul) wirken sich deshalb praktisch nicht auf die berechnete Verformung am Kopf aus, da hierfür die ermittelte Gesamtsteifigkeit maßgebend ist Das heißt z B Bei einer Überschätzung des tatsächlichen E-Moduls wird rechnerisch eine kleine Drehfedersteifgkeit berechnet Bei einer Überschätzung des E-Moduls ist es umgekehrt Die relevante Gesamtsteifigkeit ist in beiden Fallen ungefähr gleich, so dass auch die berechneten Verformungen in gleicher Größenordnung bleiben Die berechnete Kopfverformung ist deswegen in besonderer Weise als Kriterium zur Bewertung der Standsicherheit geeignet Diese analytische Vorgehensweise erlaubt es, mit nur einer mechanischen Messgröße sowie der Holzfeuchte und der Umgebungstemperatur auf die Gesamtsteifigkeit des Gesamtsystems zu schließen .

Nachfolgend wird auf die Drehfedersteifigkeit des Fundamentes

eingegangen,

Die Drehfedersteifigkeit wird in eine äquivalente horizontale Ersatzfeder transformiert. Hierdurch kann sie einfacher im generalisierten System berücksichtigt werden. Die Steifigkeit dieser Feder, die in Höhe des generalisierten Systems angebracht ist, kann wie folgt berechnet werden (Umrechnung der Drehfedersteifigkeit in eine äquivalente horizontale Ersatzfeder) :

Die Drehfeder soll die Fundamentsteifigkeit und die ggf , vorhandenen Schädigungen des Mastes repräsentieren . Da die Standsicherheit letztendlich durch Berechnung der Mαximαlverformung unter quαsi- stαtischen Lasten berechnet wird, werden die dynamischen Messungen so durchgeführt, dass nicht der dynamische E-Modul des Bodens aktiviert wird , Dies bedeutet, dass dann die angeregten Schwingarnplltuden klein bleiben müssen,

Hintergrund ist, dass der dynamische E-Modul Je nach Bodenart um einen Faktor von 2 bis 4 (zum Teil auch mehr) größer sein kann als der statische E- Modul des Bodens,

Figur 9 zeigt schematisch das statische System zur Umrechnung der virtuellen Drehfedersteifigkeit in eine äquivalente horizontale Ersatzfeder, Betrachtet man nur den horizontalen Verschiebungsanteil aus der Drehfeder, so ergibt sich am Mastkopf eine Verschiebung von H*phi (im Prinzip Mastlänge mal Verdrehwinkel) .

Nachfolgend wird auf die Leitersteifigkeit (CJ eingegangen, Um die gesamte Leitungssteifigkeit zu ermitteln, wird zuerst die Steifigkeit für eine einzige Leitung in senkrechter Richtung zur Leiterebene berechnet, Dabei werden ggf, unterschiedliche Längen der Seile im linken und rechten Feld berücksichtigt. Anschließend werden die Einzelsteifigkeiten zu einer generalisierten Gesamtsteifigkeit zusammengefasst, Das generalisierte System wird gedanklich an der Stelle der maximalen modalen Verformung δo positioniert,

Die Leitersteifigkeiten aus dem linken und rechten Feld (vom Mast aus gesehen) werden wie folgt berechnet,

Die Leitersteifigkeiten für das linke und rechte Feld werden gleichzeitig berücksichtigt.

Die Berechnung der modalen Verformung δ, ergibt sich aus der Reihenschaltung der Federn C _B und C _φ,B . Da die Leiterseile in der Regel nicht an der Mastspitze positioniert sind, ergibt sich die korrekte modale Verformung δ, ebenfalls über eine Energiebetrachtung, Dies fuhrt zu den Vorfaktoren Z ₁ ^*2 beim Drehfederanteil und Z ^* beim Biegeanteil,

Figur 1 0 zeigt schematisch das System zur Berechnung der Leitersteifigkeit, Die Hohe h, in der Figur 1 0 entspricht der Hohe Z ₁ in der o.g . Formel , Die Hohen der beiden anderen Seile Z ₂ und Z ₃ sind in der Figur 1 0 nicht angegeben,

Mit den zuvor entwickelten Formeln kann eine Gleichung für C _Gesc , _mt aufgestellt werden in der nur der Drehfederanteil unbekannt ist, Die Steifigkeit C _GeSamt ergibt sich aus der gemessenen Frequenz und der generalisierten Masse.

Nachfolgend wird weiter aus die generalisierte Masse eingegangen. Die generalisierte Masse setzt sich aus den Anteilen der an der Schwingung beteiligten Massen, Mast-, Leitungs-, Isolatoren- und zusätzlichen Massen, zusammen. Je nachdem wo die Massen im System positioniert sind, sind sie mehr oder weniger an der Schwingung beteiligt. Dies wird über die jeweils betrachtete Schwingungsform erfasst.

Nachfolgend wird auf die Schwingungsform und generalisierte Masse für den Mast eingegangen.

Die Schwingungsform setzt sich hier aus zwei Anteilen zusammen, Dies sind ein Anteil aus der reinen Biegung des Mastschaftes und ein Drehanteil aus der Verdrehung im Fundament. Durch die Kopplung diese Anteile entsteht bei der Herleitung ein zusätzlicher Mischanteil. Die für die Berechnung der generalisierten Masse anzusetzende Schwingungsform hat also letztendlich drei Komponenten:

1 , Biegungsanteil

2. Verdrehungsanteil

3. und Mischanteile

Die generalisierte Masse ergibt sich ebenfalls wieder aus einer Energiebetrachtung für das Schwingende komplexe System und das vereinfachte generalisierte System, Das nachfolgende Schema zeigt exemplarisch die Berechnung der generalisierten Masse für den Mastschaft eines konischen Mastes mit kreiszylindrischem Vollquerschnitt, Der Parameter y(z) ist die anzusetzende normierte Schwingungsform (hier parabelförmig angesetzt y(z) = (z/H) ² ), die an der Stelle der maximalen Verformung den Wert 1 ,0 annimmt.

Die generalisierte Masse für einen konischen Mast mit kreiszylindrischem Vollquerschnitt berechnet sich wie folgt,

Zusätzlich zu den generalisierten Massen infolge translatorischer Verschiebungen werden die Rotationsmassen (Eigenträgheitsmomente und Steineranteile), bei weit auskragenden Bauteilen berücksichtigt. Massen mit großer Exzentrizität (z. B. Isolatoren an Weitspanntraversen im Mittelspannungsbereich} können das Ergebnis signifikant beeinflussen und werden deshalb vorteilhaft berücksichtigt.

Weiterhin werden zusätzlich zum Anteil des Mastes selbst die mitschwingenden Massen von Anbauteilen wie z.B. : Leiterseile, Isolatoren und weitere Massen (z. B. Verkehrszeichen) berücksichtigt.

Die verwendete Schwingungsform hat einen deutlichen Einfluss auf die Berechnungsergebnisse, Vergleichsrechungen haben gezeigt, dass die Übereinstimmung mit theoretischen Werten umso besser wird, je genauer die Schwingungsform beschrieben wird . Stimmt die Schwingungsform mit der tatsächlichen Schwingungsform überein, so liegt eine nahezu 1 00%-ige Übereinstimmung zwischen theoretischer Verschiebung bzw, Auslenkung und berechneter Verschiebung bzw, Auslenkung vor, Aus diesem Grund wird die Schwingungsform des Biegeanteils in einer Ausführungsform vorteilhaft nicht vorgegeben, sondern jeweils spezifisch, abhängig von den Mastkenngrößen (Geometrie, Querschnittswerte, Mαteriαleigenschαfteπ, Zusαtzmαssen etc) berechnet. Dies kann wie folgt geschehen,

Zunächst wird die generalisierte Masse für Leiterseile betrachtet. Die generalisierte Masse der Leiterseile ergibt sich aus der anteiligen Seilmasse aus dem linken und rechten Feld (jeweils halbe Seilmasse im entsprechenden Feld) und aus der modalen Verschiebung Z ₁ * am Angriffspunkt der Masse.

Die generalisierte Masse der Leiterseile selbst M _L ergibt sich durch Ansatz einer linear veränderlichen Verschiebung . Dies bedeutet, es wird davon ausgegangen, dass sich nur der angeregte Mast bewegt und die benachbarten Mäste in Ruhe bleiben. Außerdem werden Eigenbewegungen des Seiles vernachlässigt. Die generalisierte Masse der Leiterseile ist dann :

Die generalisierten Massen der Seile aus dem linken und rechten Feld werden überlagert, Damit ergibt sich:

Die Lange L ist die Seillange zwischen zwei Masten, Diese ist großer als der Abstand der Mäste im Feld (geringfügig langer, < 1 %).

Nachfolgend wird die generalisierte Masse für die Isolatoren betrachtet, Die generalisierte Masse der Isolatoren ergibt sich aus Isolalormasse und aus der modalen Verschiebung Z ₁ * an der Position des Isolators:

Annahmen : M ₁ = M ₁ i ≠ j

Die Leitung und die dazugehörige Isolator liegen beide in der gleichen Höhe.

Nachfolgend werden die generalisierten Massen für zusatzliche Massen betrachtet, Die generalisierte Masse von zusatzlichen Massen ergibt sich aus der jeweiligen Masse und aus der modalen Verschiebung Z ₁ * an der Position der Zusatzmasse:

Nachfolgend wird auf die analytische Bestimmung der Drehfedersteifigkeif eingegangen, Die Drehfedersteifigkeit kann mit den zuvor beschriebenen Formeln analytisch bestimmt werden. Die entsprechende Entwicklung des Formelapparates wird nachfolgend dargestellt,

Mit Hilfe dieser Ergebnisse kann ein statisches Ersatzsystem definiert werden, An diesem System werden dann die Verschiebungen infolge Vertikal- und Horizontallasten berechnet, Die Ermittlung der Drehfedersteifigkeit bzw die Ermittlung des Verhältnisses zwischen Drehfedersteifigkeit und Biegesteifigkeit wird vorteilhaft mit einem Iterationsverfahren bestimmt Dieses Vorgehen hat gegenüber der analytischen Losung den großen Vorteil, dass es universeller ist Anpassungen aufgrund anderer Systemeigenschaften brauchen so in der analytischen Losung nicht implementiert werden Die Ergebnisse des Iterationsverfahrens und der analytischen Losung für den oben gezeigten Fall sind identisch

Die Horizontallasten sind im wesentlichen Windlasten auf das System, die Vertikallasten sind Mannlasten und/oder Monfagelasten Die Größenordnung dieser Lasten ergibt sich aus den entsprechenden Vorschriften

Nachfolgend wird auf die Bewertung von Masten eingegangen Die Bewertung der Standsicherheit der Masten erfolgt über Verformungskriterien, die je nach System variieren können Die Verformungen bzw Auslenkungen der Masien werden am statischen Ersatzsystem mit den aus den Messungen bestimmten Steifigkeiten berechnet

Die anzusetzenden Lasten ergeben sich aus entsprechenden Vorschriften

Die berechneten Verformungen werden mit zulassigen Verformungen verglichen Hierdurch können die Masten in verschiedene Klassen eingestuft werden

Für Stahlmasten werden die Kriterien aus EN 40 verwendet Dort werden folgende Grenzwerte für die Verformungen unter charakteristischen Lasten definiert

Verformungskriterien für Metallmaste Klasse 1 zulassig d = 4%*(H + w) Klasse 2 zulassig d =- 6%*^ w) Klasse 3 zulassig d = 1 0%*(H + w) w ist die horizontale Ausladung, kann hier zu 0 gesetzt werden Verformungen über Klasse 3 sind unzulässig Für Freileitungsmαsfen aus Holz wurden Kriterien in Anlehnung an die EN 40 entwickelt Aufgrund der stromführenden Beseilung und der Erfordernis zur Besteigbarkeit sind die Kriterien scharfer als bei Metallmasten

Verformungskriterien für Holzmaste Klasse 1 zulassig d- 1 ,5%*H Klasse 2 zulassig d- 3,0%*H Klasse 3 zulassig d = 5,0%*H

Die Konsequenzen der jeweiligen Einstufung sind beispielsweise wie folgt Konsequenzen der Einstufung für Holzmaste

Klasse 1 ohne Einschränkung,

Klasse 2 nicht mehr besteigbar, aber noch standsicher,

Klasse 3 nicht besteigbar bedingt standsicher, muss innerhalb von 3 Monaten ausgetauscht werden,

> Klasse 4 nicht mehr standsicher, muss sofort ausgetauscht werden

Nachfolgend werden Lastfalle betrachtet

Es werden folgende Lastfalle untersucht

1 Wind als Leiteinwirkung auf Mast, Leiterselle und Anbauteile

2 Wind auf vereiste Leiterselle I- Wind auf Mast und Anbauteile

3 Montagelasϊ (Mannlast)

Nachfolgend wird auf Windlast auf Mast, Leiterselle und Anbauteile eingegangen

Die Windlasten werden z B in Anlehnung an VDE 21 0 bestimmt Die Berechnung der Windlasten kann grundsätzlich allen zu berücksichtigenden Vorschriften angepasst werden Dabei werden die Referenzwindgeschwindigkeiten v _ref standortabhangig berücksichtigt Die notwendigen Daten werden aus den entsprechenden Windzonenkarten (z B DIN 1 055-4 neu [4], VDE 21 0 [3] entnommen

Die Windlasten auf den Mast ergeben sich wie folgt

w _M = 1,1 -q(z _H )-c _M - A _M Der aerodynamische Beiwert c _M ist abhangig von der Querschnittsform Für kreiszylindrische Querschnitte wird c _M = 0, 7-0,8 verwendet Der genaue Wert wird abhangig von der Reynoldszahl bestimmt

Die Windlasten auf die Seile werden wie folgt berechnet

w _s = q(z _s ) - c _s - A _s Anbauteile werden berücksichtigt, wenn sie signifikante Lasteinzugsflachen aufweisen (z B Verkehrszeichen) Kleinflachige Bauteile wie z B Isolatoren werden vorzugsweise vernachlässigt Die Lasten auf Anbauteile werden wie folgt berücksichtigt

w _A = q(z _A ) - c _A - A Dabei ist q(z _A ) der Geschwindigkeitsdruck in Hohe des Anbauteils (Schwerpunkt maßgebend) c _A ist der aerodynamische Kraftbeiweri Dieser wird für Anbauteile mit c _A = 2,0 berücksichtigt Er wird abhangig von der aerodynamischen Form des Anbauteils berücksichtigt A ist die Lasteinzugsflache Folgende Querschnittsformen sind vorzugsweise vorgesehen

Wind auf vereiste Leiterseile + Wind auf Mast und Anbauteile

Bei Wind auf vereiste Seile wird die vergrößerte Querschnittsflache der Seile berücksichtigt Der Geschwindigkeitsdruck wird gleichzeitig abgemindert, so zum Beispiel auf 0, 7q Montαgelαst (Mαnnlαst);

Es wird davon ausgegangen, dass ein Mann inklusive Ausrüstung mit einem Gewicht von 1 00 kg den Mast besteigt. Die Ausmitte ist 0, 3-0,5 m.

Nachfolgend wird eine Verschiebung bzw. Auslenkung des betrachteten Mastes infolge einer Horizontallast dargestellt.

Die Horizontallasten ergeben sich bei Freileitungsmasten im Wesentlichen aus den Windlasten auf die Leiterseile. Das nachfolgende Schema zeigt die Berechnung der Verschiebungen infolge Windlast auf die Leiterseile. Dabei werden die Anteile infolge Mastbiegung und Verdrehung separat ermittelt,

Figur 1 1 zeigt schematisch das statische System zur Berechnung der Kopfverformung bei Ansatz einer Horizontallast in einer bestimmten Höhe h, (nur Biegeanteil). Das statische Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Verschiebung am Mastkopf basiert auf dem Prinzip der "virtuellen Kräfte" ,

In gleicher Weise werden die Windlαsten auf den Mast selbst oder die Windlasten auf weitere Anbauteile (z.B, Verkehrszeichen) berücksichtigt, Die Berechnung ist also allgemeingültig , Sie kann in dieser Form insbesondere auch für alle Masten ohne Leiterseile verwendet werden ,

Nachfolgend wird die Berechnung der Verschiebung bzw, Auslenkung des betrachteten Mastes infolge einer Vertikallast erläutert, Die Vertikallasten ergeben sich aus Mannlasten und aus weiteren Montagelasten, Die Berechnung der Verschiebungen wird nachfolgend dargestellt, Dabei werden wieder der Anteil aus Mastbiegung und Mastverdrehung separat ermittelt.

Figur 1 2 zeigt schematisch das statische System zur Berechnung der

Kopfverformung bei Ansatz einer Vertikallast mit einer Ausmitte hv, Diese Vertikallast bewirkt ein Moment Mv, welches am Mastkopf zu einer Horizontalverschiebung führt, Das statische Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Verschiebung am Mastkopf basiert auf dem Prinzip der "virtuellen Kräfte".

Es werden nachfolgend zwei Mäste untersucht und zwar einmal mit einem Hohlquerschnitt und einmal mit einem Vollquerschnitt. Die Ergebnisse werden mit den Ergebnissen eines numerischen Modells auf Basis der Finiten Elemente verglichen . Stαhlmαst mit Kreisringquerschnitt

Der Stαhlmαst ist 4,48 m hoch und hat eine Wandstärke von 2,3 mm (0) , Die Material- und Masteigenschaften sind in den nachfolgenden beiden Tabellen „Materialeigenschaften" bzw. „Masteigenschaften" angegeben, Bei der numerischen Simulation mit dem kommerziell erhältlichen SAP2000 Programm wird außerdem eine Drehfedersteifigkeit vorgegeben. Die mit dem kommerziell erhältlichen SAP2000 Programm berechnete erste Eigenfrequenz des Systems wird als Eingabe für die dargestellten erfindungsgemäßen Berechnungen bzw, numerischen Ermittlungen benutzt. Figur 1 3 skizziert die Geometrie des betrachteten Stahlmastes mit Kreisringquerschnitt.

In einer Höhe von 3,48 m wird eine Horizontαllαst eingeleitet, und es wird in dieser Höhe die Verschiebung berechnet. Die Berechnung der Verschiebung erfolgt sowohl im Programm SAP2000 als auch mit einem zweiten Programm ,,MaSTaP", welches die zuvor beschriebenen Berechnungen durchführt. 0 zeigt einen Vergleich der Ergebnisse. Dabei sind im zweiten Programm zwei verschiedene Schwingungsformen für den Biegeanteil angesetzt worden (parabelförmig und sinusförmig) , Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der Ergebnisse:

Für den hier gewählten Fall zeigen die Ergebnisse mit dem sinusförmigen Ansatz eine bessere Übereinstimmung mit dem theoretischen Ergebnis (SAP2000), Die Abweichung bei der für die Bewertung maßgebenden Horizontalverschiebung beträgt lediglich 5, 7% , Da die Verschiebung etwas überschätzt wird, liegt das Ergebnis zudem auf der sicheren Seite. Das Ergebnis zeigt noch einmal den Einfluss der angesetzten Schwingungsform auf das Ergebnis. Stimmt die Schwingungsform im Programm, welches ,,MaSTaP" genannt wurde, mit der tatsächlichen Schwingungsform überein, so liegt eine nahezu 1 00%-ige Übereinstimmung vor. Aus diesem Grund wird die Schwingungsform des Biegeanteils vorteilhaft nicht vorgegeben, sondern jeweils spezifisch, abhängig von den Mastkenngrόßen (Geometrie, Querschnittswerte, Materialeigenschaften, Zusatzmassen etc.) berechnet.

Die nachfolgende Tabelle zeigt weitere Ergebnisse aus dem MaSTap Programm. Es werden die Sfeifigkeitsanteile für die Biegung und die Rotation, die Gesamtsteifigkeit für das generalisierte System am Mastkopf sowie die Verformungsanteile angegeben.

² : Biegeeigenform mit parabolischem Ansatz

^* : Äquivalente Steifigkeit in Höhe H infolge der elastischen Einspannung.

Die Verschiebung ergibt sich für den Ansatz einer sinusförmigen Schwingungsform in Höhe H zu 72% aus Biegung und 28% aus Rotation.

Es wird nachfolgend eine ähnliche Vergleichsrechnung für einen Mast mit einem Vollquerschnitt durchgeführt (siehe Figur 1 4, die die Geometrie eines Stahlmastes mit Vollquerschnitt darstellt). Der Stahlmast ist wieder 4,48 m hoch und hat einen Durchmesser von 60,3 mm. Die Material- und Masteigenschaften sind in den nachfolgenden beiden Tabellen „Materialeigenschaften" bzw. „Masteigenschaften" angegeben. Bei der numerischen Simulation mit dem SAP2000 Programm wird wieder eine Drehfedersteifigkeit vorgegeben , Die mit dem Programm SAP2000 berechnete erste Eigenfrequenz des Systems wird als Eingabe für das MaSTaP Programm benutzt,

In einer Höhe von 3,48 m wird eine Horizontαllαst eingeleitet, und es wird in dieser Höhe die Verschiebung berechnet, Die Berechnung der Verschiebung erfolgt sowohl im Programm SAP2000 als auch mit dem Programm MaSTaP, Die nachfolgende Tabelle zeigt einen Vergleich der Ergebnisse, Dabei sind im Programm MaSTaP wieder zwei verschiedene Schwingungsformen für den Biegeanteil angesetzt worden (parabelförmig und sinusförmig), Vergleich der Ergebnisse :

Auch für den hier gewählten Fall zeigen die Ergebnisse mit dem sinusförmigen Ansatz eine bessere Übereinstimmung mit dem theoretischen Ergebnis (SAP2000) . Die Abweichung bei der für die Bewertung maßgebenden Horizontalverschiebung beträgt lediglich 2, 7%. Da die Verschiebung auch hier etwas überschätzt wird, liegt das Ergebnis zudem auf der sicheren Seite.

Die nachfolgende Tabelle zeigt die weiteren Ergebnisse aus dem MaSTap Programm. Es werden die Steifigkeitsanteile für die Biegung und die Rotation, die Gesamtsteifigkeit für das generalisierte System am Mastkopf sowie die Verformungsanteile angegeben.

Die Ergebnisse aus dem MaSTaP Programm:

Die Verschiebung ergibt sich für den Ansatz einer sinusförmigen Schwingungsform in Höhe H zu 44% aus Biegung und 56% aus Rotation .

Zur weiteren Validierung wurden Kraft-Weg Messungen an ausgewählten Masten durchgeführt. Hierzu wurde in einer bestimmten Höhe eine definierte horizontal wirkende Kraft in den Mast eingeleitet Die zugehörige Verschiebung in Hohe der Last wurde gemessen

Für den gleichen Mast wurden dann Frequenzmessungen durchgeführt und die Verschiebung für die gleiche Last mit Hilfe des erstellten Programms MaSTaP berechnet

Die Übereinstimmung zwischen den direkt gemessenen Verschiebungen und den aus der Frequenzmessung bestimmten Verschiebungen ist gut Die Abweichungen liegen bei maximal 1 0%, obwohl die Messungen an Holzmasten durchgeführt wurden, bei denen naturgemäß eine große Streuung der Materialkennwerte vorliegt

Die nachfolgenden Tabellen zeigen eine Gegenüberstellung der gemessenen Verschiebungen infolge einer Einzellast mit den rechnerisch ermittelten Verschiebungen, die mit den aus der Frequenzmessung ermittelten Systemsteifigkeiten ermittelt wurden

Die Übereinstimmung der Ergebnisse ist gut Die maximalen Abweichungen liegen unter 1 0% Bei Stahlmasten sind die Abweichungen deutlich kleiner, was auf das homogenere Material zurückzuführen ist

Diese Ergebnisse wurden noch mit einer vorgegebenen Schwingungsform ermittelt Test mit einer geänderten Programmversion, die spezifische Schwingungsformeπ verwendet, haben zu einer weiteren Verbesserung der Übereinstimmung geführt.

Nachfolgend werden die Ergebnisse für zwei tatsächlich gemessene und bewertete Masten vorgestellt. Die Figuren 1 5 und 1 6 zeigen die gemessenen Frequenzspektren der Beschleunigungen. Figur 1 5 zeigt das Ergebnis eines Beschleunigungsspektrums für einen Mast 1 mit einer gemessenen Eigenfrequenz fe= l , 368 Hz. Figur 1 6 zeigt das Ergebnis eines Beschleunigungsspektrums für einen Mast 2 mit einer gemessenen Eigenfrequenz fe= 1 ,953 Hz. Die Peaks bei der ersten- und zweiten Eigenfrequenz sind deutlich zu erkennen ,

Der Mast 2 wird einmal ohne und einmal mit Seilen bewertet. Die Bewertung ohne Seile zeigt, dass die Seile einen deutlichen Einfluss auf die korrekte Bewertung haben. In diesem Fall ist der Mast 2 mit Seilen in Klasse 2 einzustufen, während er ohne Seile in Klasse 1 eingestuft worden wäre. Da er aber mit Seilen gemessen wurde, ist die Klasse 2 die richtige Einstufung, Die Seile bewirken eine Vergrößerung der Steifigkeit, Da aber gleichzeitig die anzusetzenden Windlasten deutlich steigen (wg, der Windlast auf die Seile), tritt insgesamt eine größere Verformung auf, die zu einer schlechteren Klasse führt.

Der Vergleich mit den Bewertungen, die auf einer rein visuellen Einschätzung des Mastzustandes beruhen, zeigt eine gute Übereinstimmung ,

Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Tatsache, dass in den Eigenfrequenzen, die durch Schwingungsmessungen bestimmt werden können, Informationen zur Systemsteifigkeit und zur mitschwingenden Masse enthalten sind, Die mitschwingende Masse der Systeme wird bestimmt, so dass als einzige Unbekannte die Systemsteifigkelt verbleibt. Mit den gemessenen Eigenfrequenzen kann also auf die Systemsteifigkeit geschlossen werden .

Mit Hilfe der Messergebnisse wird ein numerisches System des tatsächlichen Mastes beispielsweise in einem Rechner kalibriert. Dies geschieht insbesondere durch Justierung der Steifigkeit einer virtuell angenommenen Drehfeder, Der Drehfeder werden also alle steifigkeitsmindernd wirkenden Einflüsse zugewiesen. Es spielt dabei keine Rolle, an welcher Stelle im System z, B, Schädigungen vorhanden sind . Detaillierte Vergleichsrechnungen (vereinfachtes System mit kalibrierter Drehfeder und detaillierte Systeme mit Schädigungen an verschiedenen Stellen des Mastes) haben gezeigt, dass dieses Vorgehen ausreichend genau ist, um die Kopfverschiebungen an dem so kalibrierten numerischen System zutreffend zu berechnen ,

Für die Messungen werden die Masten beispielsweise manuell angeregt, und es werden die Systemantworten mit geeigneten Sensoren gemessen, Die Auswertung dieser Daten kann nach Eingabe aller notwendigen Parameter (z.B. Geometrie des Mastes, Material etc.) automatisch in einem Rechner durch eine entsprechende Software durchgeführt werden ,

Eine solche Software berechnet die maximalen Verschiebungen bzw, Auslenkungen am Mastkopf für verschiedene Lastfälle, Eine solche Verschiebung wird dann zur Bewertung herangezogen, Es werden bei Holzmasten mehrere Klassen, vorzugsweise 4 Klassen unterschieden,

Das Verfahren ist für eine Vielzahl von Masttypen und Mastmaterialien geeignet,

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