Ausgewählte Fallstudien (1)                                                   Einwirkungen auf Menschen und Gebäude

St.-Petri-Kirche in Wolgast

Die Kirchenleitung der St. Petri-Kirche in Wolgast hatte in Vorbereitung der erforderlichen Sanierung des Bauwerks vermutet, daß die zahlreichen Rißschäden im Mauerwerk durch Einwirkung des Verkehrs auf der benachbarten Bundesstraße B 109 entstanden sind und nur durch die Entlastung dieses Verkehrsweges durch den Bau einer Umgehungsstraße weitere gravierende Schäden verhindert werden können.

Im Auftrage des Straßenbauamtes Strasund wurde die Vertikalkomponente der Erschütterungen des Straßenver- kehrs von 113 Fahrzeugvorbeifahrten an 211 Meßstellen auf 17 Profilen im Umfeld und in der Kirche mit einer digitalseismischen Prospektionsapparatur ES-1225 (EG & G GEOMETRICS)  gemessen. 

Mobile digitalseismische Apparatur ES-1225                                       Charakteristische Seismogramme

Nach vorheriger Kalibrierung der Geophone mit einem geeichten Schwingungsmesser (Brüel & Kjaer 2513) wurden die absoluten Maxima der Schwing- geschwindigkeit in mm/s für jedes Erschütterungsereignis gemessen. Die Auslösung des Messvorgangs erfolgte durch die Fahrzeuge sebst mit Hilfe einer Lichtschranke.

Die Auswertung und räumliche Darstellung der Messergebnisse zeigte, daß die maximale Schwinggeschwindigkeit der Verkehrserschütterungen bereits in einer Entfernung von ca. 5 m vom Straßenrand unter dem Anhaltswert für denkmalgeschützte Gebäude (3 mm/s) lag und im Bereich der Kirche nur ca.0.5 mm/s betrug.

In der gleichen Größenordnung zeigten sich Schwingungen am Fußboden und an den Säulen im Innern des Bauwerks, wenn die Glocken geläutet wurden. Ursache war die unsachgemäße Befestigung des Glockenantriebs an der Westwand des Turms.

Lage der Messpunkte (rot) und der Triggerpunkte (grün)

Absolute Maxima der Schwinggeschwindigkeit des Straßenverkehrs [mm/s]

Absolute Maxima der Schwinggeschwindigkeit der Glockenschwingungen [mm/s]  

Einrammmen der 17 m langen Rohrbohle 4015 unter das Fundament der Halle 320.

Für den Neubau der Halle 310 im Rahmen der Werfterweiterung war eine Pfahlgründung erforderlich, da der Baugrund über dem in ca. 6 m Tiefe anstehenden tragfähigen Geschiebemergel eine mehrere Meter mächtige Schicht aus Torf und Mudde aufweist. Dazu war das Einrammen von 17 bis 21 m langen, stumpfen Rohrbohlen von 42 cm Durchmesser vorgesehen, die nachfolgend mit Beton gefüllt und wieder gezogen wurden. Das Einrammen erfolgte mit einer Dieselramme (Delmag HB 70, 22400 kN).

Da mehrere Rohrbohlen im sehr geringen Abstand (1 bis 2 m) mit einer Neigung von 12 Grad unter das Fundament der benachbarten Halle 320  einzurammen waren und bei früher durchgeführten Rammarbeiten bereits Rißschäden auftraten, waren baubegleitende Erschütterungs- messungen im direkten Zusammenwirken mit dem bauausführenden Unternehmen durchzuführen, um  die dynamische Überlastung der benachbarten Objekte (Tragpfeiler und Kranbahn, computergesteuerter Rohrspeicher der Rohrbauhalle 320, Transformatorstation mit empfindlichen Meß- und Schaltgeräten ) operativ zu verhindern.

Zur Kontrolle der baubedingten Erschütterungen wurden 8 Meßwandler an den Tragpfeilern, am Hallenboden, an den sensiblen Elementen des Rohrspeichers und in der Trafostation angebracht. Die Messungen erfolgten mit dem Schwingungsmeßsystem INSEL 24. Die Verfahrensweise wird im Folgenden am Beispiel der Rammung einer 17 m langen Rohrbohle vor der südöstlichen Hallenkante (Pfeiler G1) erläutert.

Der Verlauf der dynamischen Belastung zeigte beim Übersteigen der Rammtiefe von 6 m um 10:38 Uhr am Pfeiler G1 in Rammpunktnähe einen sprunghaften Anstieg der Schwinggeschwindigkeitsamplitude, der sich innerhalb einer Minute weiter verdoppelte.

Das Rammprotokoll ließ erkennen, daß die Bohle zu diesem Zeitpinkt in den tragfähigen Baugrund eindrang.

Am Bedienpult des Rohrspeichersteuerrechners kam es zur Überschreitung des Anhaltswertes von 15 mm/s, so daß dessen sofortige Abschaltung veranlaßt wurde.

In der Transformatorstation kam es um 10:41 Uhr zu einer kurzzeitigen Überschreitung des Anhaltswertes der Beschleunigung (500 mm/s 2), die aber schnell zurückging und da die Schwinggeschwindigkeitsamplitude dort aber nur ein Viertel der möglichen Belastung betrug, wurden zunächst keine weiteren Maßnahmen erforderlich.

Verlauf der dynamischen Belastung des Hallenfundaments beim Einrammen der Rohrbohle 4015

An der südöstlichen Hallenkante (Pfeiler G1) stieg die dynamische Belastung aber weiter an und ab 10:41 Uhr überstieg die Schwinggeschwindigkeitsamplitude der Vertikalkomponente an den dort befindlichen Sensoren 1 und 2 ständig den Anhaltswert von 20 mm/s, so daß um 10:46 Uhr bei Minutenmaxima von 25.46 mm/s (Sensor 1) bzw. 26.87 mm/s (Sensor 2) die Rammung unterbrochen werden mußte.

In der nachfolgenden dreiminütigen Rammpause wurde das Leistungsspektrum ausgewählter Signale der zurückliegenden Rammperiode ausgewertet (Anlagen 3.5 bis 3.8) und dabei festgestellt, daß die Grundschwingung der dominierenden Z - Komponente am Fundament des Pfeilers G1' (Sensor 1) nur ca. 10 % Anteile aus dem Frequenzbereich unter 10 Hz enthält.  Deshalb konnte der Anhaltswert auf 30 mm/s erhöht und die Rammung fortgesetzt werden, wobei die dynamische Belastung in der gleichen Größenordnung wie vorher konstant blieb.

Bodenriß infolge der Rammerschütterungen.

Um 10:53 Uhr wurde die Rammung nochmals unterbrochen, weil kurz vorher am Gestell des Schaltfeldes Container 2 in der Transformatorstation eine Anhaltswertüberschreitung der Beschleunigung auftrat und weil sich in unmittelbarer Umgebung des Rammpunktes ein ca. 2 cm breiter Riß im Boden bildete. Er verlief jedoch nicht in Richtung auf die Südwestwand der Halle sondern parallel dazu, so daß die Rammung um 10:56 Uhr fortgesetzt werden konnte.

Wegen der, mit fortschreitendem Eindringen der Bohle zunehmenden Entfernung zum Erregungszentrum am unteren Bohlenende verringerte sich die Schwinggeschwindigkeitsamplitude nach ca. 3 bis 4 Minuten und gegen 11:00 Uhr wurde die 20 mm/s - Schwelle unterschritten. Die Rammung konnte daher nun ohne weitere Unterbrechung bis zur projektierten Tiefe von 17 m fortgesetzt werden, die nach insgesamt 652 Rammschlägen um 11:08 erreicht wurde

Vorzerkleinerer mit Aufgabeförderer und Hammermühle.

Beim Betrieb der MBV-/EBS-Anlage der Stralsunder Entsorgungs GmbH wurden subjektiv stark spürbare Erschütterungen beobachtet, wenn die Drehzahl des Nachzerkleinerers für das Erreichen der erforderlichen Durchsatzleistung von 943 auf 1195 U/min erhöht wurde. Die Erschütterungen waren auch in dem ca. 90 m nordnordöstlich befindlichen Bürogebäude subjektiv fühlbar bzw. beobachtbar (z.B. Niveauschwankungen in der Kaffeetasse) und beunruhigten das dort tätige Personal.

Deshalb wurden die Erschütterungen beim An- und Abfahrvorgang sowie während des stationären Dauerbetriebes des Nachzerkleinerers direkt an der Anlage, in ihrer Umgebung und im Bürogebäude gemessen und hinsichtlich der Einwirkungen auf Menschen, Gebäude und technische Anlagen beurteilt. Die Messungen erfolgten mit 8 triaxialen Geophonen (Typ PE-6) und dem Gerätesystem INSEL - 24. 

Insgesamt wurden 7 Experimente durchgeführt, die sowohl die allgemeinen Bodenunruhe im Bürogebäude bei abgeschalteter Anlage (Trittimpulse), als auch das Anfahren, den Leeraluf und die Verabeitung von Hausmüll bei voller Leistung (Hammermühle 100 %, Aufgabeförderer 70 %) berücksichtigten. Zusätzlich erfolgte die Messung der Erschütterungsimpulse beim Absetzen eines Brennstoffcontainers mit einer Masse von 9.28 t am Tor 4 unmittelbar neben der Hammmermühle. 

Die, für die Beurteilung der Einwirkung auf Gebäude maßgebliche Frequenz der betriebsbedingten Erschütterungen, die sich aus der Drehzahl der Hammermühle ergibt beträgt 20 Hz. Weiterhin maßgeblich für die Beurteilung ist die Einstufung der Gebäude nach DIN 4150-3 als "Gewerblich genutzte Bauten, Industriebauten und ähnlich strukturierte Bauten". Damit ergibt sich durch Interpolation ein Anhaltswert für die Schwinggeschwindigkeit am Fundament von 25 mm/s und auf der obersten Deckenebene von 10 mm/s.

Die absoluten Maxima der gemessenen Schwinggeschwindigkeit betrugen in unmittelbarer Nähe des Nachzerkleinerers am Betonfußboden  bei voller Leistung zur Verarbeitung von Hausmüll nur 3 … 4 mm/s. Das Absetzen eines großen Brennstoffcontainers verursachte nur eine sehr gerinfügige Impulsbelastung des Fußbodens der Sortierhalle (0.3 … 0.6 mm/s).Im Bürogebäude betrugen die absoluten Maxima der Schwinggeschwindigkeit am fundamenthahen Mauerwerk im Keller nur 0.2 ... 0.8 mm/s und auf  der obersten Deckene-bene 0.2 mm/s. Erschütterungsbedingte Gebäudeschäden waren deshalb auszuschließen.

Schwingungsmesseung am Büroarbeitsplatz.

Zur Beurteilung der Erschütterungseinwirkung auf Menschen wurden insgesamt 13 Ar-beitsplätze untersucht, indem die, für einen Beurteilungszeitraum von 8 Stunden ermittelten Werte der Beurteilungs-Schwingstärke nach VDI 2057 unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Bewertung von Ganzkörper- schwingungen bei Einwirkung in Z-Richtung auf den sitzenden und den stehenden Menschen (Fußboden) sowie bei Einwirkung über das Hand - Arm - System (Schreibtisch) berücksichtigt wurden.

Hinsichtlich der subjektiven Wahrnehmung waren die Erschütterungen an einem Arbeitsplatz (Arbeitsbühne des Nachzerkleinerers) “stark spürbar”, an 3 Arbeitsplätzen (Schaltwarte, Werkstattgebäude) “gut spürbar” und an den übrigen 9 Büroarbeitsplätzen “gerade spürbar” bzw. “nicht spürbar”. 

Auf der Grundlage der Ergebnisse wurde festgestellt, daß an keinem der 13 untersuchten Arbeitsplätze eine Gefährdung der Gesundheit des Personals zu befürchten ist. Die Auslösewerte nach VDI 2057 wurden nicht überschritten, so daß für Maßnahmen zur Abminderung der Einwirkung der Erschütterungen aus dem Betrieb des Nachzerkleinerers bzw. der gesamten MBV-/EBS-Anlage kein Handlungsbedarf bestand.

Verlegen der Trinkwasserleitung.

Die 1200 m lange und nur 2.0 bis 2.5 m breite Bergstraße hat stellenweise ein steiles Gefälle. Die, an die Straße angrenzenden eingeschossigen Wohn- und Nebengebäude befinden sich meist in sehr geringem Abstand (0.0 bis 1.0 m) vom Straßenrand entfernt und die geplanten Bauarbeiten waren mit dem Risiko verbunden, daß die durch Verdichtungsarbeiten entstehenden Erschütterungen schädigend auf die benachbarten Gebäude einwirken.

Weil diese schwierigen Bedingungen eine längere Bauzeit erforderten sollte geprüft werden, ob an Stelle von kostenaufwändigen baubegleiteten Erschütterungsmessungen stichprobenhafte Kontrollmessungen in besonders sensiblen Baustellenbereichen zur Gewährleistung des Immissionsschutzes ausreichen. Dazu war die Vorermittlung der von den vorgesehenen Baumaschinen verursachten Erschütterungen und die Prognose ihrer Einwirkung auf die angrenzenden Gebäude erforderlich.

Rüttelwalzenverdichter WACKER RD-7

 

Divergenzdiagramm und Ausgleichsfunktion            

Das erfolgte durch experimentelle Untersuchungen, bei denen die, von der jeweiligen Baumaschine erzeugten Erschütterungen in zunehmender Entfernung von der Erschütterungsquelle gemessen wurden. Aus den Messwerten wurde anschließend durch statistische Ausgleichsrechnung eine nichtlineare Näherungsfunktion für die Abhängigkeit der maximalen Schwinggeschwindigkeit am Fundament V [mm/s] von der Entfernung zur Erschütterungsquelle x [m] in der Form V = Vo * exp{-d*x} + c  ermittelt. Durch Einsetzen des Anhaltswertes nach DIN 4150-3 für den gemessenen Frequenzbereich F in diese Gleichung ergab sich der minimale Abstand Dg zu den Nachbargebäuden, bis zu dem mit der betreffenden Verdichtungsmaschine gearbeitet werden kann, ohne den Bestand zu gefährden. Unter Ansatz eines Sicherheitsbeiwertes von 1.3 wurde weiterhin derjenige Abstand Dk berechnet, bei dessen Unterschreitung nur mit Begleitung von erschütterungstechnischen Kontrollmessungen verdichtet werden sollte. Diese Untersuchungen wurden für alle 5 Verdichter durchgeführt, über die der Baubetrieb verfügte.

Eigenschaften der untersuchten Verdichter.

Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurden gemeinsam mit der Bauleitung insgesamt 18 Überwachungs- abschnitte festgelegt, in denen die Bauarbeiten von Kontrollmessungen begleitet wurden. Dazu waren im Zeitraum vom 06.09. bis 15.12.2005 nur 6 Meßtage erforderlich an Stelle von 73 Meßtagen mit baubegleitenden Messungen..

 Verdichten von Füllboden.

Lageplan der Kontrollabschnitte A, B und C.

Nach Beendigung des Bauvorhabens wurde festgestellt daß an den benachbarten Gebäuden keine erschütterungs- bedingten Schäden entstanden waren.

Zur Beurteilung der  Einwirkung der baubedingten Erschütterungen auf Menschen in den benachbarten Gebäuden wurden im Verlaufe der Kontrollmessungen auch in den Innenräumen Geophone aufgestellt und die Werte der Maximalen Bewerteten Schwingstärke KBFmax ermittelt. Die subjektive Belastung durch die Schwingungen der Vibrationsverdichter war in den meisten Fällen nach VDI 2057-1 "stark spürbar". Der obere Anhaltswert A0 = 5 nach DIN 4150-2, Tabelle 2 wurde zwar stets eingehalten, der untere Anhaltswert für eine Einwirkungszeit von einem Tag jedoch in den meisten Wohnhäusern sogar für die Stufe III (Au = 1.6) überschritten, so daß der Baubetrieb die "Maßnahmen zur Minderung erheblicher Belästgungen" nach DIN 5140-2, 6.5.4.3 realisieren mußte. Die Tatsache, daß den Eigentümern und Bewohnern während der Kontrollmessungen unmittelbar Auskunft über die Bewertung der Erschütterungen hinsichtlich ihrer Sicherheit gegeben werden konnte, trug wesentlich zum störungsfreien, zügigen Ablauf der Bauarbeiten bei.

Besatz der Bohrlöcher mit Sprengstoff.

Im Rahmen des Bauvorhabens Sondergebiet "Alter Hafen" in 23966 Hansestadt Wismar war die Sprengung von mehreren, massiven, aus Stahlbeton bestehenden Fundamenten bereits abgerissener Gebäude vorgesehen. Weil sich die betreffenden Fundamente in unmittelbarer Nachbarschaft von denkmalgeschützten Speichergebäuden befanden, sollten  zur Vermeidung von Schäden an den zu schützenden Gebäuden eine erschütterungstechnische Beratung des Sprengmeisters zur  Optimierung der Sprengpläne und während der Sprengungen  Kontrollmessungen durchgeführt werden.

Das, größte, unmittelbar vor der Südostfassade von Silo 1 befindliche Fundament 1 mit den Abmessungen 9.20 x 12.30 m, auf dem vor seinem Abriß ein 17 m hoher Turm stand,  war 1.80 m dick und sehr stark mit Rundstahl (bis 25 mm Durchmesser) bewehrt. Sein Abstand zur Außenwand des Silos betrug nur 2.20 m. Die Sprengung sollte in 5 Teilsprengungen mit abnehmendem Abstand zum Gebäude erfolgen.

Sprengung 1, Vertikalschwingungen am Geophon 2 und Leistungsspektrum.

Die triaxialen Geophone waren innen und außen unmittelbar an der Südostwand des Silos und auf den Fußböden im Kellergeschoß und im vierten Obergeschoß aufgestellt worden.

Lageplan der Sprengbereiche.

Parameter der 5 Teilsprengungen und dynamische Belastung des Fundaments

Sprengung 5, Horizontalschwingungen (schwarz: senkrecht, blau: parallel zum Fundament) und Vertikalschwingungen (rot) am Geophon 2.

Ergebnis der Fundamentsprengungen.

Bei den, auf diese Weise durchgeführten folgenden Sprengungen in den Fundamentbereichen 2 bis 5 wurde deutlich daß sich die zur Entspannung des Fundaments erforderliche Energie infolge der Zündverzögerung zwischen den beiden Bohrlochreihen auf einen größeren Zeitraum verteilte. Die Signallänge stieg von ca. 350 ms auf ca. 600 ms. Die maximale effektive Schwinggeschwindigkeit am fundamentnahen Mauerwerk und auf den Stahlbetondecken blieb unterhalb des Anhaltswertes. Die abschließende optische Kontrolle des Gebäudezustandes ergab, daß die Sprengungen keine Schäden verursacht hatten.