Methodik

Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurden zwei Brücken hinsichtlich ihrer Dämpfungseigenschaften untersucht. Zum einen die Charlottenbrücke in Berlin Spandau, zum anderen die Dawtaschen-Brücke in Jerewan, Armenien.

Charlottenbrücke

Am Beispiel der Charlottenbrücke werden das Mess- und Auswerteverfahren näher erläutert. Dabei wird insbesondere auf mögliche Fehlerquellen und deren Vermeidung, sowie die Auswertesoftware eingegangen. Hier ist das Endergebnis eher nebensächlich, da es keine Vergleichsmessungen gibt, und die erhobenen Daten daher nur der Veranschaulichung der Methodik dienen.

Planung

Grundsätzlich kommt der Planung einer jeden Ingenieurvermessung eine hohe Bedeutung zu. Dabei muss neben dem Messaufbau und der Ausrüstung, die in erster Linie von den zu beobachtenden Größen der Bauwerkskonstruktion abhängen, ebenfalls ein passender Messzeitpunkt gewählt werden. Da für die Messung als primäres Werkzeug Beschleunigungssensoren vorgegeben waren und nur ein einzelner Sensor zur Verfügung stand, war eine Auswahl des Messinstrumentes in diesem Fall nicht notwendig.
Es muss beachtet werden, dass die äußeren Bedingungen, wie beispielsweise das Wetter und der Verkehr, Einfluss auf das Verhalten des Bauwerkes und damit auch auf die erhobenen Messwerte und letztlich auf die Ergebnisse haben.

Deshalb wurde die Messung an einem warmen und sonnigen Tag bei mäßigem Verkehrsaufkommen durchgeführt. Sollten unerwartete Komplikationen auftreten, kann im Laufe der Sommermonate ein Tag mit ähnlichen Bedingungen für eine Nachmessung genutzt werden. Der Messzeitpunkt wurde auf den Nachmittag gelegt, da zu diesem Zeitpunkt sowohl die Temperaturen, als auch der Sonnenstand relativ stabil sind. So konnten etwaige Auswirkungen durch Temperaturunterschiede innerhalb der Bauteile auf ein Minimum reduziert werden.

Um während der Messung im Feld nicht mit defekter Messausrüstung oder nach der Messung mit unbrauchbaren Messwerten in Folge von fehlerhaften Einstellungen konfrontiert zu werden, wurde das Messsystem im Voraus bereits getestet.

Messablauf

Der erste Schritt vor dem Beginn einer Messung ist üblicherweise die Aufstellung des Messsystems. Entsprechend der eingesetzten Messausrüstung ist die richtige Positionierung von unterschiedlichen Parametern abhängig.
Da mit nur einem Sensor gemessen wurde, war die Wahl der optimalen Positionierung einfach. Der Sensor wurde in Längsrichtung mittig auf der Brücke aufgestellt, da an dieser Stelle die maximale Auslenkung der ersten Eigenform zu erwarten ist. Allerdings wurde der Sensor nicht absolut mittig auf der Brücke platziert, da sich hier die Fahrbahn befindet, sondern stattdessen ganz am Rand neben dem Geländer. So konnte das Risiko einer versehentlichen Bewegung des Sensors durch Passanten minimiert werden.
Zur Erhöhung der Standfestigkeit wurde der Sensor an einem mehrere Kilogramm schweren Metallwinkel befestigt. Auf der Unterseite der Metallplatte befinden sich drei Schrauben, mit denen sich der Aufbau horizontieren lässt. Außerdem wurde der Sensor so ausgerichtet, dass die weniger genaue Z-Achse parallel zur Brückenachse stand, sodass die beiden genaueren Achsen die vertikalen und horizontalen Schwingungen aufzeichnen konnten. Die obige Abbildung zeigt den fertig ausgerichteten Sensor.
Die Messung startete um 14:36 Uhr und lief bis 16:51 Uhr. Ziel war es zwei Stunden lang Messwerte zu generieren, jedoch sollten die ersten und letzten Minuten, also die Auf- und Abbauphase, abgeschnitten werden um keine durch die Erschütterungen verfälschten Daten auszuwerten. Während der Messung blieb ausreichend Zeit die Arbeit zu dokumentieren. 

Auswertung

Ziel der Auswertung war es aus den, im Feld ermittelten, Rohdaten die Bauwerksdämpfung zu ermitteln, sowie eine Genauigkeitsanalyse durchzuführen, sodass das Verfahren hinsichtlich seiner praktischen Anwendbarkeit beurteilt werden konnte.

Die Auswertung erfolgte unter Zuhilfenahme der folgenden Programme, die exlusive Excel von Prof. Dr.-Ing. Boris Resnik:
-AccDec2
-Trendy
-RDT
-Microsoft Excel


 Zuerst kam das Programm AccDec2 zum Einsat um die erzeugten Rohdaten für die weitere Auswertung aufzubereiten. Hierfür mussten erst die beiden Dateien, jeweils eine für die relevanten Achsen X und Y, importiert werden. Anschließend konnten sie geschnitten und in beliebige Zeitabschnitte unterteilt werden. 

Im Anschluss an die Aufbereitung der Rohdaten, mussten mittels Trendy die Haupt-frequenzen des untersuchten Bauwerks ermittelt werden, um diese anschließend gezielt untersuchen zu können. Zu diesem Zweck wurden die geschnittenen Daten des eines Zeitabschnittes über den importiert und ausgewertet. Das Ergebnis war eine graphische Darstellung des Frequenzspektrum. Die „Spitzen“ bilden dabei die Hauptfrequenzen des untersuchten Bauwerkes ab. Diese konnten anschließend mit RDT untersucht werden.  

Bisher wurde nur der Datensatz der X-Achse, also der Vertikalachse, betrachtet. Daher mussten die vorangegangenen Schritte nochmals für die Horizontalachse mit dem Y-Datensatz wiederholt werden. Es ist unbedingt erforderlich die verschiedenen Achsen separat zu betrachten, da das Schwingungsverhalten eines Bauwerkes sich in seinen Achsen unterscheidet.
 

Nun da die relevanten Frequenzbereiche bekannt waren, konnten, mittels des Programmes RDT, die Charlottenbrücke und ihre einzelnen Zeitabschnitte hinsichtlich ihrer Dämpfungseigenschaften untersucht werden. Als erstes wurde die Filterfunktion aktiviert, indem der Haken im entsprechenden Kästchen gesetzt wurde. Hier wurde mittels Bandpassfilter der jeweilige Frequenzbereich eingegrenzt. Als weitere Filteroptionen wurden das Rechteck, sowie die Filterordnung 200 ausgewählt. Anschließend wurde die Länge des betrachteten Zeitausschnittes der Dauer eines Abklingvorganges angenähert. Dies lässt sich am besten realisieren, indem erst ein Zeitraum gewählt wird, der relativ zur Frequenz betrachtet groß ist. Bei einem Zeitausschnitt von fünf Sekunden werden beispielsweise bei einer Frequenz von 10Hz etwa 50 Wellenlängen abgebildet. Nun lässt sich gut die ungefähre Dauer eines Abklingvorgangs erkennen und diese anschließend annähern. Nachdem ein passender Zeitraum gefunden wurde, musste die Fit-Funktion über das entsprechende Kästchen aktiviert werden. Nun konnte über das x-fache der Standardabweichung das Messrauschen weiter herausgefiltert werden. Je höher dieser Wert dabei gewählt wird, desto geringer wird die Menge der zur Berechnung verwendeten Daten. Üblicherweise werden hier Werte zwischen dem 1,5- und 2,5-fachen der Standardabweichung gewählt. Das optimale Ergebnis kann nur durch Ausprobieren ermittelt werden. Dafür wird so lange der Schwellwert, sowie gegebenenfalls der Zeitausschnitt, verfeinert bis die Fit-Funktion bestmöglich eingepasst wurde. Grobe Fehler sind daran erkennbar, dass die berechneten Ergebnisse nicht plausibel sind. Kleinere Fehler sind dagegen nur an der Fit-Funktion erkennbar und lassen sich unter Umständen nicht zufriedenstellend beheben. Da dieser Vorgang extrem zeitaufwendig ist, ist es empfehlenswert ein ausreichend angenähertes Ergebnis zu verwenden, sobald es ermittelt wurde. Erfahrungsgemäß unterscheiden sich die berechneten Parameter bei leichten Abweichungen nicht maßgeblich. Im Rahmen dieser Ausarbeitung wurde die Erkenntnis erlangt, dass, bei sehr langen Abklingvorgängen, Zeiträume von ein bis fünf Wellenlängen empfehlenswert sind. Die Fit-Funktion lässt sich hier leichter einpassen, und die Ergebnisse sich so schneller und präziser ermitteln. Dieser Vorgang wurde nun für jeden einzelnen Zeitabschnitt, Frequenzbereich und für die beiden Achsen wiederholt.


Den Abschluss der Auswertung stellte eine Genauigkeitsanalyse dar. Dabei wurden sämtliche zuvor berechneten Parameter in Microsoft Excel übertragen, um so eine Auswertung hinsichtlich der erzielten Genauigkeit zu ermöglichen. Es wurden insgesamt sechs verschiedene Frequenzen ausgewertet. Für jede dieser Frequenzen standen eine zweistündige Messung, vier 30-minütige Messungen und acht 15-minütige Messungen zur Verfügung. Aus diesen wurden jeweils folgende Werte abgeleitet:

          - Mittelwert

          - Median

          - Spannweite

          - empirische Standardabweichung (s)

          - empirische Standardabweichung des Mittelwertes (sm)
Unabhängig vom Ergebnis der Genauigkeitsanalyse stellte sich heraus, dass längere Messabschnitte bei der Auswertung mittels RDT weniger Feinabstimmung erfordern. Daraus folgt eine geringere Anfälligkeit gegenüber menschlichen Fehlern. Ebenso war das Programm RDT bei zu knappen Datensätzen teilweise nicht in der Lage Dämpfungsparameter zu berechnen. 

Dawtaschen-Brücke

Bei der Dawtaschen-Brücke wird der Schwerpunkt auf den ermittelten Ergebnissen liegen, da hier durch drei Messungen aus den Jahren 2011, 2014 und 2018 Vergleichsmöglichkeiten gegeben sind. Diese ermöglichen es, die ermittelten Dämpfungsparamater, zu beurteilen und aus eventuellen Differenzen Rückschlüsse über den Zustand des Bauwerkes zu ziehen. Entsprechend des Ergebnisses könnten Folgemessungen oder anderweitige Bauwerksüberwachungen empfohlen werden.

Auswertung

Ziel der Auswertung war das Ermitteln von Dämpfungsparametern, um anschließend Vergleiche zwischen den verschiedenen Jahren, Stationen und Brückenseiten vornehmen zu können. Um etwaige beobachtete Veränderungen bezüglich ihrer Relevanz beurteilen zu können, wurde außerdem eine Genauigkeits- und Signifikanzanalyse durchgeführt.
Dabei wurden die gleichen Verfahren wie bei der Cahrlottenbrücke angewandt.
Zusätzlich wurden mittels Excel Differenzen zwischen den Messungen ermittelt, diese  grafisch dargestellt und hinsichtlich ihrere Signifikanz analysiert. Einige Ergebnisse dieser Auswertung befinden sich auf der Seit "Ergebnisse".