Basisuntersuchung des Tragwerkes im April 2004

Um eine zielführende Auslegung des Überwachungssystems zu ermöglichen, wurde in einem ersten Schritt eine umfassende Basisuntersuchung erstellt. Dabei wurde das Tragwerk mit einem sehr dichten Sensorenraster unter ambienter Anregung untersucht und daraus die modalen Parameter Eigenfrequenzen, Eigenschwingungsformen und Dämpfungskoeffizienten ermittelt. Zusätzlich wurde ein Finite-Element-Modell (FEM) erstellt, und dieses an die Messdaten angepasst (Model Updating). Dieses Referenzmodell sowie die Basisuntersuchung bilden damit die Grundlage für die künftige Überwachung des Tragwerkszustandes - mehr dazu weiter unten.

Schwingungsüberwachung während des City Marathons am 16. Mai 2004

Im Zuge des 21. Wiener Citymarathons wurde am Sonntag den 16. Mai 2004 die Reichsbrücke von etwa 20.000 Läufern überquert. Mehrere Anlassfälle der letzten Jahre haben gezeigt, dass durch Gehen oder Laufen einer großen Anzahl von Personen erhebliche Schwingungen von Brücken auftreten können. Diese verursachen eine sehr hohe Beanspruchung und können zu einer Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit führen. Um die Sicherheit der Reichsbrücke während dieser Großveranstaltung gewährleisten zu können, wurde ein hochsensibles Messsystem zur Aufzeichnung der Schwingungseigenschaften eingesetzt. Weiteren Marathons über die Reichsbrücke darf aufgrund der Messergebnisse beruhigt entgegengeblickt werden. Denn die Schwingungen durch die Läufer waren zwar deutlich wahrnehmbar, stellten aber zu keiner Zeit eine Gefahr für die Tragfähigkeit der Struktur dar - mehr dazu weiter unten.

Untersuchung der Reichsbrücke nach der Schiffskollision vom 10. Juni 2004

Im Zuge eines Wendemanövers eines Passagierschiffes auf der Donau ist es am 10. Juni zu einer Kollision zwischen dem Schiff und dem Strompfeiler der Reichsbrücke gekommen. Eine Untersuchung von Fachleuten der MA29 hat ergeben: Geringe Beschädigung der Außenverkleidung des Pfeilers, aber keine Schädigung der Substanz oder Gefährdung der Standsicherheit. Die Daten des Monitoringsystems vor und nach der Kollision wurden genutzt, eine zusätzliche Beurteilung zu erstellen - mehr dazu weiter unten.

Inbetriebnahme des Systems im Dezember 2004

Nach Installation des Überwachungssystems, sowie Anschluss des Servers an eine Internet-Breitbandverbindung konnte der reguläre Betrieb des Systems aufgenommen werden. Während das System im Dezember 2004 noch im Testbetrieb war, konnte ab Jänner 2005 der autonome Betrieb des Monitoringsystems aufgenommen werden. Dabei erfolgt die Übertragung der Daten in die Monitoringzentrale sowie eine Auswertung ständig aktueller Messdaten - mehr dazu auf der Seite Überwachungssystem.


Bisherige Ergebnisse/Basisuntersuchung

Um für die kontinuierliche Überwachung die entsprechende Datenbasis zu schaffen, wurde das Tragwerk einer detaillierten Untersuchung unterzogen. Dabei war insbesondere die Ermittlung der modalen Parameter Eigenfrequenzen, Eigenschwingungsformen und Dämpfungskoeffizienten wesentliches Ziel der Untersuchung. Durch die Anwendung des mobilen Messsystems mit Wilcoxon Sensoren - die eine außergewöhnlich hohe Sensibilität aufweisen - war es möglich, auch unter der nur geringen ambienten Schwingungsanregung zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.

Zur Analyse der Messdaten wurde das Programm MACEC der Universität Leuven eingesetzt, dass zur Ableitung der modalen Parameter die sogenannte Stochastic Subspace Identification anwendet. Diese Technologie stellt derzeit den Stand der Technik im Bauwerksmonitoring dar, da sehr zuverlässige Ergebnisse für die Eigenfrequenzen, Eigenschwingungsformen und Dämpfungskoeffizienten abgeleitet werden können. Neben der Stochastischen Analyse steht für eine rasche Prüfung der Datenqualität auch das Spektralverfahren (Peak Picking) zur Verfügung um Eigenfrequenzen aus den ambienten Schwingungsmessungen zu extrahieren.

Frequenzspektrum Stabilitätsdiagramm aus MACEC

Frequenzspektrum (links) und Stabilitätsprogramm aus MACEC (rechts)

Parallel zur Auswertung der Messungen erfolgte die Erstellung eines Finite-Element Rechenmodelles. Dieses Modell wurde im Programm Mathfem simuliert und errechnet theoretische modale Parameter. Infolge werden die Ergebnisse des Rechenmodells an die tatsächlichen Daten durch einen Optimierungsprozess angepasst (Model Updating). Als Variationsparameter werden die modale Masse sowie die Steifigkeit des Tragwerkes herangezogen.

Vorgang für das Updating von FE-Modellen

Vorgang für das Updating von FE-Modellen

Erste vertikale Biegeschwingung der Reichsbrücke (FE-Modell)

Erste vertikale Biegeschwingung der Reichsbrücke (FE-Modell)

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Bisherige Ergebnisse/Wienmarathon

City-Marathon auf der Reichsbrücke

Im Zuge des 21. Wiener Citymarathons, dessen Start im Bereich der Uno-City erfolgte, wurde am Sonntag den 16. Mai 2004 die Reichsbrücke von etwa 20.000 Läufern überquert. Mehrere Anlassfälle der letzten Jahren haben gezeigt, dass durch gehen oder laufen einer großen Anzahl von Personen erhebliche Schwingungen von Brücken auftreten können. Diese verursachen eine sehr hohe Beanspruchung und können zu einer Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit (Gebrauchstauglichkeit und eventuell der Tragfähigkeit) führen.

Um die Sicherheit der Reichsbrücke während dieser Großveranstaltung gewährleisten zu können, wurde von arsenal research in Zusammenarbeit mit der MA29 ein hochsensibles Messsystem zur Aufzeichnung der Schwingungseigenschaften eingesetzt. Dazu wurden sehr empfindliche Sensoren in der Brücke aufgestellt, welche die auftretenden Beschleunigungen dreidimensional(vertikaler, horizontaler und longitudinaler Richtung) kontinuierlich erfassen und den Beanspruchungen aus dem Regelverkehr (Straßenverkehr und U-Bahn) gegenüberstellen.

Dynamische Einwirkungen auf Brücken können neben dem Straßenverkehr vor allem durch Gehen und Laufen von Fußgängern eingeleitet werden. Im Regelfall handelt es sich bei personeninduzierten Schwingungen um Gebrauchstauglichkeitsprobleme, bei denen der Benutzerkomfort eingeschränkt wird, was bis zur praktischen Unbenutzbarkeit einer Brücke führen kann. In eher seltenen Fällen können auch Sicherheitsprobleme (Überbeanspruchung und/oder Ermüdung) auftreten. Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Vermeidung von subjektiven Gefährdungseindrücken (Panikreaktionen) der Passanten.

Wesentliche vertikale und horizontale dynamische Kräfte auf Brücken entstehen durch rhythmische Körperbewegungen von Personen. Dabei sind vor allem die folgenden Aspekte von Bedeutung:

Übliche Schrittfrequenzen beim Gehen und beim Laufen liegen zwischen 2 Hz und 2,5 Hz. Neben den vertikalen Einwirkungen sind vor allem die seitlichen (horizontalen) Einwirkungen von Bedeutung. Besonders auf diese horizontalen Einwirkungen von Personen waren spektakuläre Schwingungsprobleme der letzten Jahre (Milleniumbrücke) zurückzuführen. Die Überwachung der Reichsbrücke, soll die Einwirkungen durch die große Läuferanzahl im Vergleich zum Regelverkehr bewerten.

Zur Identifizierung von Maximalwerten der Schwingung, wurden die Sensoren in der längsten Spannweite der Brücke mit rund 170 m Länge eingesetzt (in etwa 40% der Hauptspannweite). Durch den Einsatz von dreidimensional messenden Aufnehmern, kann die Reaktion der Brücke in allen Raumrichtungen überprüft werden, wobei insbesondere seitliche Schwingungen durch die Krafteinleitung beim Laufen relevant sind. Der Vergleich der Anregungsfrequenzen mit den vorab gemessenen Eigenfrequenzen der Brücke ermöglicht überdies die Beurteilung gegenüber unerwünschten Resonanzeffekten. Der Großteil aller in den letzten Jahren aufgetretenen spektakulären Schwingungsprobleme war auf solche Resonanzerscheinungen zurückzuführen.

Messgerät und Beschleunigungssensoren in der Reichsbrücke

Messgerät und Beschleunigungssensoren in der Reichsbrücke

Die Analyse der Messdaten erlaubt Rückschlüsse auf das Schwingungsverhalten sowie den Zustand des gesamten Tragwerkes. Durch die Sensoren wird ein Beschleunigungssignal ermittelt, dass die aktuelle Beanspruchung des Tragwerks repräsentiert. Ziel der Untersuchung ist es, die Belastung der Reichsbrücke während der rhythmischen Anregung durch die Läufer zu erfassen und mit den Beanspruchungen die im "normalen" Zustand aus dem Straßen- und U-Bahnverkehr resultieren, zu vergleichen. Damit kann eine Überwachung der Brücke auf Basis von Schwingungsmessungen sinnvoll durchgeführt werden. Durch die Echtzeitdarstellung der Messergebnisse kann die jeweilige Belastung der Brücke laufend kontrolliert und den Werten aus dem Regelverkehr gegenübergestellt werden.

Schwingungssignal während einer U-Bahn Überfahrt

Schwingungssignal während einer U-Bahn Überfahrt

Die Schwingungsmessungen am Sonntag den 16. Mai 2004 wurden bereits ab etwa 08:00 durchgeführt, um das Verhalten der Brücke im "Ruhezustand" (ohne Straßenverkehr) erfassen zu können. Dabei waren vor dem Start des Marathons nur sehr wenige PKWs sowie der U-Bahnverkehr vorhanden. Die folgende Tabelle zeigt die aufgetretenen Beschleunigungen für den Zustand "Regelverkehr" sowie unter Belastung der Marathonläufer:

Gegenüberstellung der gemessenen Beschleunigungen

Gegenüberstellung der gemessenen Beschleunigungen

Beschleunigungen während des Marathons

Beschleunigungen während des Marathons

Beschleunigungen gemessen unter Regelverkehr

Beschleunigungen gemessen unter Regelverkehr

Erwartungsgemäß ergibt die U-Bahn die höchsten messbaren Beschleunigungswerte für das Tragwerk, wobei die Anregungsenergie maßgebend im hohen Frequenzbereich erfolgt. Die Überfahrt von PKWs zeigt nur sehr geringe Auswirkungen auf das dynamische Verhalten der Reichsbrücke. Die Passage von LKWs ist in den Beschleunigungssignalen deutlich erkennbar, jedoch liegen die eingeleiteten Beschleunigungen ebenfalls weit unter den Werten des U-Bahnverkehrs

Maßgebende Schwingungen der Brücke wurden durch die Läufer neben der vertikalen auch in horizontaler Richtung eingeleitet, wobei diese durch die seitlichen Kräfte beim Auftreten der Personen entstehen. Die Anregungsfrequenz laufender Personen liegt etwa im Bereich um 2,5 Hz.

Die Analyse der Messdaten zeigte, dass die vierte vertikale Biegeschwingung der Reichsbrücke bei 2,75 Hz liegt. Dadurch konzentriert sich die Anregungsenergie durch die Läufer in dieser Eigenschwingungsform, diese tritt in Folge im Frequenzspektrum deutlich ausgeprägt in Erscheinung. Die Amplitudenhöhe der Eigenfrequenz im Spektrum ist dabei ein Maß für den Energiegehalt der Schwingung. Im Vergleich dazu, ist für den Regelverkehr durch die "ambiente" Anregung der Energiegehalt über das Frequenzband nahezu gleichmäßig verteilt. Eine Gefährdung in Hinblick auf Resonanzerscheinungen und außergewöhnlich hohe Schwingungsamplituden ist nicht gegeben.

Beschleunigungen während des Marathons

Frequenzspektrum Marathon (links) und Regelverkehr (rechts)

Schwingungen im tieferen Frequenzbereich sind durch den Menschen deutlicher wahrnehmbar, als jene im hohen Frequenzbereich. Durch die Konzentration der Schwingungsenergie in der vierten Eigenschwingungsform der Brücke während des Marathons ist die Vibration für die menschliche Wahrnehmung subjektiv stärker als die hochfrequente Anregung der U-Bahn.

Generell ist aus den Messdaten erkennbar, dass die Beanspruchung der Brücke durch die Läufergruppe deutlich unter jenen des U-Bahnverkehrs liegen. Die Beschleunigungen durch das Laufen liegen jedoch deutlich über jenen aus PKW und LKW-Verkehr. Besonders durch die seitlichen Kraftkomponenten die durch den Menschen beim Laufen eingeleitet werden, ist die in Querrichtung gemessene Beschleunigung im Vergleich zum LKW-Verkehr um den Faktor 3 und zum PKW-Verkehr um den Faktor 6 höher.

Die gemessenen Werte stellen jedoch für die Gebrauchstauglichkeit (Unwohlsein der Nutzer) sowie die Tragfähigkeit der Reichsbrücke keine maßgebende Beanspruchung dar.

Gegenüberstellung der gemessenen Beschleunigungen (Vertikal)

Gegenüberstellung der gemessenen Beschleunigungen (Vertikal)

Gegenüberstellung der gemessenen Beschleunigungen (Quer)

Gegenüberstellung der gemessenen Beschleunigungen (Quer)

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Bisherige Ergebnisse/Schiffskollision

Im Zuge eines Wendemanövers des deutschen Passagierschiffes "European Viking" auf der Donau im Bereich der Reichsbrücke, ist es am 10.06.2004 zu einer Kollision zwischen dem Schiff und dem Strompfeiler gekommen.

Um die Sicherheitsinspektion der MA29 zu unterstützen, wurden von arsenal research Messungen der dynamischen Charakteristik im Hohlkasten des Tragwerkes durchgeführt. Dabei wurde ein repräsentativer Punkt bei 40% der Hauptspannweite für die Messung ausgewählt. Die bereits vorhandenen Messreihen wurden als Basiswerte herangezogen und mit den am 10.06.2004 aufgezeichneten Messdaten nach der Schiffskollision verglichen, wobei insbesondere die Schwingungseigenschaften der Brücke in horizontaler Richtung (in Richtung des Anpralls) untersucht und beurteilt wurden.

Anordnung der Messpunkte in der Reichsbrücke zur Beurteilung nach der Kollission

Anordnung des Messpunktes in der Reichsbrücke für die Beurteilung nach der Kollision

Da insbesondere die niedrigen Grundfrequenzen einer Brücke stark von den aktuellen Lagerungsbedingungen abhängen - und diese Frequenzen im ausgewählten Messpunkt sehr gut repräsentiert werden - ist die Anwendung dynamischer Messverfahren für die rasche, zusätzliche Beurteilung des Tragwerkes nach außergewöhnlichen Ereignissen gut geeignet. Die Untersuchung ist in dieser Form als eine Zusatzmaßnahme und als Unterstützung zur durchgeführten Sicherheitsinspektion der MA29 anzuführen. Für eine umfangreichere Beurteilung wäre eine aufwändigere Messung mit zahlreichen Sensoren erforderlich.

Aus der Analyse aller Messdaten, sowie der Gegenüberstellung zu den Ergebnissen der Basismessung war aus Sicht der dynamischen Charakteristik keine Veränderung der Systemeigenschaften der Brücke zum Zeitpunkt vor der Schiffskollision erkennbar.

Beschleunigungssignal gemessen vor KollisionBeschleunigungssignal gemessen nach Kollision

Beschleunigungssignal gemessen vor (links) und nach (rechts) der Kollision

Frequenzspektrum vor (dunkelblau) und nach (hellblau) der Schiffskollision

Frequenzspektrum vor (dunkelblau) und nach (hellblau) der Schiffskollision

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