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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnostik von Tragwerken in baulichen Anlagen.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 29 992 A1 ist ein Verfahren zur Beseitigung von Eis oder Schnee bei Leichtgebäuden bekannt, bei dem unter anderem optische Meßmethoden zur Messung der Dicke der Schneeschicht auf einem Dach zur Anwendung kommen. Bei den optischen Meßmethoden handelt es sich beispielsweise um eine Methode unter Verwendung von Lichtschranken oder um eine Methode, bei der die Schneedicke mittels Bildverarbeitung aus einer (Stereo-)Bildaufnahme der Schneeoberfläche ermittelt wird.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 20 43 436 A ist eine Vorrichtung zur selbsttätigen Ermittlung des Grenzwertes oder mehrerer Werte der Belastung eines Tragwerks bekannt, wobei ein Laserstrahl und ein geeigneter Fotodetektor an dem Tragwerk so angebracht sind, daß bei einer Verbiegung des Tragwerks die Position des Lasers auf dem Fotodetektor verändert wird und so Rückschlüsse auf die Durchbiegung und auf die Belastung des Bauteils möglich sind.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 25 26 753 B2 ist ein Verfahren zur Diagnostik und Überwachung von Tragwerken und von belastungsbedingten Verformungen von Bauelementen dieser Tragwerke in baulichen Anlagen bekannt, wobei aus einem Meßwertnetz zur Zeit nach der Verformung und einem Meßwertnetz zur Zeit vor der Verformung für die Koordinaten der Meßpunkte des Meßwertnetzes Verschiebevektoren ermittelt werden.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 103 43 118 B4 ist ein Verfahren zur Überwachung von baulichen Anlagen und von belastungsbedingten Verformungen von baulichen Anlagen bekannt, bei dem ein Alarm mit einem vorbestimmten Alarmplan erzeugt wird, wenn wenigstens ein Belastungskennwert über einem korrespondierenden Grenzbelastungskennwert liegt.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 33 11 575 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung und Abnahme von Tragstrukturen auf, wobei an einer Stelle der Tragstruktur eine statische oder dynamische Belastung variabler Größe erzeugt wird und die Ortsveränderung der Tragstruktur an mehreren Stellen an der Unterseite ermittelt wird.
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Aus der US-Patentschrift
US 6 928 881 B2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Strukturermüdungen bekannt, wobei die Messung von mechanischen Spannungen in der Struktur mittels auf der Struktur angebrachter Dehnungssensoren ermittelt wird.
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Aus der US-Patentschrift
US 5 208 542 A ist eine Einrichtung zur Vermessung von Konstruktionen bekannt, bei der in der Nähe der Konstruktion ein eine horizontale Fläche aufspannender Rotationslaser angeordnet ist und wobei an der Konstruktion senkrecht ausgerichtete zeilenförmige Fotodetektoren angeordnet sind, die den Auftreffpunkt des Rotationslasers auf dem jeweiligen Fotodetektor ermitteln.
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Tragwerke in baulichen Anlagen, beispielsweise bei Hallendächern mit großer Spannweite, sind vielfältigen Umwelteinflüssen und unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Das Tragwerk hat im Falle eines Hallendaches auslegungsgemäß die Aufgabe, die Dachkonstruktion, eine wasser- und dampfdichte Dachhaut einschließlich der Entwässerungseinrichtungen und auslegungsgemäße Dachlasten zu tragen. Im Falls von starken Regenfällen führt ein Rückstau zu einer Wasserschicht von einigen cm Dicke und damit zu einer Niederschlagsdachlast von größenordnungsmäßig 50 kg/m2. Sei anhaltenden Schneefällen mit zwischengeschalteten Setzungsperioden werden in höheren Lagen Deutschlands nicht selten Schneehöhen auf Flachdächern von mehr als 1 m Dicke erreicht, die – je nach Verdichtung – zu einer Schneelast von größenordnungsmäßig 500 kg/m2 führen kann. Die Auslegungsschneelast für Flachdächer, insbesondere an mehrere Jahrzehnte alten Gebäuden in Alpennähe wird nicht selten bei intensivem Schneefall überschritten, wenn nicht durch vorwiegend manuelles Räumen die Schneelast von Zeit zu Zeit verringert werden würde. Immer wieder auftretende Hallendacheinstürze in der Winterzeit lassen den Schluß zu, daß entweder die Auslegungsdachlasten zu gering bemessen sind bzw. diese auf Grund von Alterung oder Schädigung der Bauelemente des Hallendaches nicht mehr getragen werden oder daß die Schneeräumung nicht rechtzeitig erfolgte. In vielen Fällen kommen Menschen bei den Dacheinstürzen zu Schaden, weil eine objektive Ermittlung der Einsturzgefahr nicht gegeben ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Diagnostik von Tragwerken in baulichen Anlagen zu schaffen, das insbesondere eine objektive Ermittlung der Einsturzgefahr und die Einleitung von geeigneten Gegenmaßnahmen erlaubt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein mit einer geeigneten Einrichtung realisierbares Verfahren gelöst, bei der die Koordinaten einer Vielzahl von Meßpunkten auf der Unterseite des Tragwerks mittels eines Lageerfasssungssystems ermittelt werden, die Abweichungen dieser Koordinaten von Referenzkoordinaten des jeweiligen Meßpunktes in einem Auswerterechner ermittelt und zur Dokumentation und Weiterverarbeitung gespeichert werden und daß aus den ermittelten Abweichungen nach einer im Auswerterechner hinterlegten Formel wenigstens ein Belastungskennwert errechnet wird, und bei dem bei Überschreitung des wenigstens einen Belastungskennwertes über einen Grenzbelastungskennwert Sicherungsmaßnahmen eingeleitet werden. Die Erfindung wird anhand der Abbildungen näher erläutert.
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In 1 ist als Beispiel für eine bauliche Anlage eine Halle 1 mit einem ein Flachdach 9 tragenden Tragwerk 2 schematisch im Schnitt dargestellt. Das Tragwerk 2 weist tragende Bauelemente 3, 4, 5, 6, 7, 8 auf, die durch die Krafteinwirkung des Daches 9 und der Zusatzlast 10 mehr oder weniger stark verformt werden. Auf der Oberseite des Daches 9 ist eine Wägezelle 40 zur Ermittlung einer punktuellen Zusatzlast vorgesehen. Ein Sensor 41 ist in der Nähe des Flachdaches 9 und des Tragwerks 2 vorgesehen. Die Erfindung sieht nicht nur einen einzigen Sensor 41 vor; es können unterschiedliche Sensoren, beispielsweise für Temperatur oder Feuchte an verschiedenen Stellen der Dachkonstruktion angeordnet sein.
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Jedes der in 1 dargestellten Bauelemente 3, 4, 5, 6, 7, 8 weist an seiner Unterseite eine Reihe von Marken auf, deren Koordinaten von einem Lageerfassungssystem 30 erfaßt werden. In 1 ist für jedes Bauelement 3, 4, 5, 6, 7, 8 jeweils nur eine Marke 35, 45, 55, 65, 75, 85 dargestellt; die Meßstrahlen 36, 46, 56, 66, 76, 86 sollen lediglich schematisch die berührungslose Vermessung der Marken mittels vorzugsweise optischer Verfahren des Lageerfassungssystems darstellen. Das Lageerfassungssystem 30 ist im Beispiel der 1 ortsfest bezüglich des Fußbodens 20 angeordnet. Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, eine Reihe von Referenzmarken an der Halle 1 anzubringen. Es ist lediglich eine Referenzmarke 100 mit einem Referenzstrahl 101 des Lageerfassungssystems 30 dargestellt.
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Die Bauelemente 3, 4, 5, 6, 7, 8 weisen unterschiedliche Verformungen auf. In der Regel wird beispielsweise ein nicht geschädigtes Bauelement 5 durch die Zusatzlast 10 elastisch verformt und die auf der Mitte der Unterseite des Bauelementes 5 angeordneten Marken 55, ... liegen auf einer ebenen Einhüllenden mit einer stetigen Ableitung. Wird diese Einhüllende über einen längeren Zeitraum durch wiederkehrende Messungen beobachtet, so kann ein Fachmann diagnostizieren, ob die Verformungen reversibel sind oder ob eine Schädigung des Bauteils vorliegt.
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Insbesondere bei Tragwerken, bei denen die horizontale Ausdehnung der Bauteile wenigstens fünfmal kleiner ist als die der vertikalen Ausdehnung, ist es für die Tragfähigkeit von entscheidender Bedeutung, daß die Bauteile sich nicht verwinden. Eine beginnende Verwindung eines Bauteils kann durch die Zusatzlast rasch vergrößert werden und zu einem Spontaneinsturz der Dachkonstruktion führen. In 1 ist ein Bauteil 6 dargestellt, bei dem es sich um ein Bauteil mit einer Verwindung handeln soll, das in seiner Mitte um seine Längsachse verdreht ist. Schon bei kleinen Verwindungen kann die Zusatzlast 10 zu einer Vergrößerung der Verwindung führen, was mit einer rapiden Abnahme der Tragfähigkeit des Bauteils 6 einher geht. Die Marken 65, ... auf der Unterseite des Bauelements liegen in diesem Fall auf einer nicht-ebenen Einhüllenden mit einer stetigen ersten Ableitung.
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Bei der Ermittlung und bei der Überwachung der Abweichungen der Koordinaten der Marken 65, ... von den Referenzkoordinaten des unbelasteten oder des ungeschädigten Bauteils kann vorgesehen werden, daß Abweichungen in Richtung parallel zum Fußboden 20 stärker bei der Ermittlung der Einsturzgefahr stärker berücksichtigt werden als eine gleich große Abweichung in Richtung senkrecht zum Fußboden 20.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht nur möglich, elastische Verformungen, die innerhalb der Auslegungsbereiches liegen, zu ermitteln. Weist beispielsweise die erste Ableitung der Einhüllenden eine Unstetigkeit oder eine nahezu sprunghafte Änderung auf, so läßt dies – insbesondere, wenn es sich bei dem Bauteil um einen Leimholzbinder handelt, auf einen beginnenden Bruch an der Stelle der Unstetigkeit der Ableitung schließen, woraufhin geplante Sicherungs- und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden könnten.
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In 2 ist ein Meßpunktnetz 15 in einem bauwerksfesten Koordinatensystem 16 schematisch dargestellt. Die Meßpunkte gehören zu dem Marken 35, 45, ... an der Unterseite der Bauteile 3, 4, ... Die auf einer Linie liegenden Meßpunkte des Meßpunktnetzes 15 gehören jeweils zu einem länglichen Bauelement des Tragwerks. Man erkennt aus den Meßpunkten entlang der Längsseite eines Bauelements, daß die Bauelemente nicht gleichartig verformt sind und daß an unterschiedlichen Stellen des Flachdaches 2 die Werte der Durchbiegung der Bauelemente 3, 4, 5, ... unterschiedlich sind.
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Ein Meßpunktnetz 15, wie es in 2 schematisch dargestellt ist, wird, wenn es bei einer unbelasteteten baulichen Anlage ermittelt wurde, vorzugsweise als Referenznetz für die belastete bauliche Anlage verwendet.
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Liegen Schädigungen in den Bauelementen vor, so äußern sich diese Schädigungen oft erst bei Belastung des Bauteile. Die gezielte Belastung von Bauteilen ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen. So ist als ein Diagnoseschritt vorgesehen, eine nahezu punktförmige, definierte Prüflast an verschiedenen Stellen des Flachdaches einwirken zu lassen und für jede Orientierung der Prüflast ein Meßpunktnetz gemäß der 2 aufzunehmen. Die experimentell ermittelten Verformungen können beispielsweise mit einer rechnerischen Simulation der Prüflast verglichen werden, woraus sich Rückschlüsse auf Ort und Art von Bauteilschäden ziehen lassen. Die Prüflast kann manuell an zu vermessenden Stellen der baulichen Anlage plaziert werden; es ist im Rahmen der Erfindung aber auch vorgesehen, eine selbstfahrende und fernsteuerbare Prüflast zu verwenden, wobei die jeweilige Position der Prüflast auf der baulichen Anlage vorzugsweise mit einem Globalen Positionserfassungs-System (GPS) oder einem anderen Positionserfassungssystem ermittelt und einem nicht dargestellten Auswerterechner zusammen mit dem Meßpunktnetz zugeführt wird. Es ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß zusätzlich zu den Meßwerten der Koordinaten der Marken 35, 45, ... weitere Parameter des Tragwerks 2 meßtechnisch erfaßt werden. So ist im Fall einer Dachkonstruktion vorgesehen, wahlweise wenigstens eine speziell für Schneelastbestimmung ausgerüstete Wägezelle 40 auf dem Dach 9 anzuordnen, um die aktuelle, punktuelle Schneebelastung zu ermitteln. Weitere Sensoren, von denen ein Sensor 41 auf der Dachinnenseite in der Nähe des Tragwerks 2 dargestellt ist, messen beispielsweise die Temperatur am oder in der Nähe des Bauteils 6. Die Kenntnis der aktuellen Bauteiltemperatur ist besonders bei offenen Hallen und Hangaren von Bedeutung, da zum einen bestimmte Materialien temperaturabhängige Belastungsgrenze aufweisen und zum anderen bestimmte Materialien der Bauelemente des Tragwerks einen nicht zu vernachlässigenden Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen können, der zusammen mit Temperaturschwankungen zu einer Veränderung der Koordinaten des Meßpunktnetzes führt, ohne daß sich die Zusatzlast 10 geändert hätte. Die Effekte sind insbesondere bei Stahl- oder Stahlseiltragwerken zu beobachten.
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Für die Diagnostik eines Flachdaches 9 hinsichtlich der Stabilität des Tragwerks 2 ist es hilfreich, als Sensoren 41 Feuchtesensoren vorzusehen, die Hinweise auf durch das Flachdach eintretendes Wasser oder Kondensationswasser geben, wodurch örtlich die Bauelemente geschädigt werden können. Werden an bestimmten Stellen des Flachdaches 9 wiederkehrend gegenüber den Nachbarmeßstellen erhöhte Feuchtigkeitswerte gemessen, so ist vorgesehen, da der Auswerterechner einen Hinweis in Form eines Voralarmes an eine verantwortliche Person absetzt, die dann eine genauere Überprüfung der Ursachen für die Feuchtigkeit anstellen kann.
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Es ist für die Erfindung unerheblich, ob das Tragwerk ein Hallendach, eine Hallendecke oder eine ein Dach oder eine Decke einer beliebigen baulichen Anlage trägt. Auch ist es unerheblich, ob es sich bei den Tragwerkslasten um Schneelasten oder um Lasten von Einrichtungsgegenständen, beispielsweise von Maschinen handelt.
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Für die experimentelle Ermittlung des Meßpunktnetzes 15 werden vorzugsweise fotogrammetrische Verfahren eingesetzt. Dabei kann es sich bei dem Lageerfassungssystem 30 beispielsweise um eine Stereocamera oder einen Laser-Scanner handeln. Die Marken 35, 45, ..., die von den Meßstrahlen 36, 46, ... getroffen werden, sind wie auch die Referenzmarken 100 vorzugsweise Marken mit rundum guten Reflexionseigenschaften. Die Marken 35, 45, ... können entweder direkt an den Bauelementen durch Schrauben, Kleben oder Nageln oder über geeignete Abstandshalter gehalten sein. Die Verwendung von Abstandshaltern ist dann erforderlich, wenn das Tragwerk 2 durch eine wie auch immer geartete Deckenverkleidung oder durch Installationen, lüftungstechnische Anlagen, Leuchten oder Krananlagen nicht direkt von dem Lageerfassungssystem einsehbar ist. Es sind auch Lasermeßverfahren bekannt, bei denen nur dafür gesorgt werden muß, daß die Oberflächen der Unterseiten der Bauteile 3, 4, 5, ... eine hinreichend gute diffuse Reflexion aufweisen. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Oberflächenbeschichtung des Tragwerks 2 erreicht werden. Derartige Lageerfassungssysteme erfassen beispielsweise Bauelementkanten, die dann für die Auswertung zur Gewinnung eines Meßwertnetzes 15 herangezogen werden können. Die Verwendung von reflektierenden Marken 35, 45, 55, ... weist den Vorteil auf, daß an die Orte der Meßpunkte keine Signal- und Versorgungsleitungen herangeführt werden müssen.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß die Bestimmung des Meßwertnetzes 15 mittels eines an einer Wand der baulichen Anlage angeordneten Rotationslasers und an den Orten der Meßstellen an den Bauelementen 3, 4, 5, ... angeordneten fotoempfindlichen Zeilendetektoren erfolgt. Der Rotationslaser legt vorzugsweise durch den rotierenden Laserstrahl eine horizontale Ebene im Raum innerhalb der baulichen Anlage unterhalb des Tragwerks 2 fest. Die sich von den Bauelementen 3, 4, 5, ... nach unten erstreckenden Zeilendetektoren sind derart angeordnet, daß sie auch bei einer Verbiegung der Bauelemente 3, 4, 5, ... von dem rotierenden Laserstrahl getroffen werden. Über Signalkabel oder über eine kabellose Datenübertragungsstrecke wird die jeweilige Auftreffposition des Laserstrahls auf dem jeweiligen Zeilendetektor an den Auswerterechner übermittelt und aus den Meßwerten das Meßwertnetz 15 ermittelt.
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Die beiden geschilderten Verfahren zur Bestimmung des Meßwertnetztes sind vom Ergebnis her gleichwertig. Fotogrammetrische Meßverfahren erfordern in der Regel einen höheren apparativen Aufwand beim Lageerfassungssystem 30 und einen geringen Aufwand bei der Einrichtung der Marken, während das Rotationslaserverfahren einen erheblichen Aufwand bei der Ausrüstung der einzelnen Meßpunkte auf den Bauelementen 3, 4, 5, ... mit sich bringt. Bei fotogrammetrischen Meßverfahren bietet es sich daher an, das Lageerfassungssystem nicht-stationär zu betreiben. Es ist vorgesehen, bei turnusmäßigen Überprüfungen das Lageerfassungssystem immer gleich in der zu untersuchenden baulichen Anlage zu positionieren oder über die Position der Referenzmarken 100 die gemessenen Koordinaten der zu verschiedenen Zeiten aufgenommenen Meßwertnetze zueinander zu referenzieren. Die Zeitabstände zwischen den einzelnen Bestimmungen des Meßwertnetzes können beispielsweise bei Hallendächern Wochen und Monate in Zeiten fehlender Zusatzlast 10 oder auch nur Stunden in Zeiten hoher Schneelast und insbesondere bei Schneefall betragen. Die Gesamtheit der Koordinaten eines Meßwertnetzes werden zusammen mit einem Zeitstempel und weiteren, mit der Messung in Zusammenhang stehenden Werten in einem Auswerterechner abgespeichert.
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In dem Auswerterechner werden die ermittelten Werte der Meßpunktnetze 15 in festgelegten Algorithmen ausgewertet und die Ergebnisse der Berechnungen mit in Wertetabellen abgespeicherten spezifischen Grenzwerten des Tragwerks 2 der baulichen Anlage verglichen und bei Grenzwertüberschreitungen werden Maßnahmen wie ”Schneeräumen auf dem Dach”, ”Deckenanhängelast verringern (bei Laufkränen)” oder ”Sofortige Evakuierung der Halle” eingeleitet. Die ermittelten Belastungskennwerte des Tragwerks geben verantwortlichen Personen eine klare Entscheidungsgrundlage für einzuleitende Maßnahmen.
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Verzeichnis der Abbildungen:
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1: Schnitt durch das Tragwerk einer Halle mit Flachdach
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2: Von einem Meßpunktnetz aufgespannte einhüllende Fläche der Unterseite eines Tragwerks einer baulichen Anlage
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halle
- 2
- Tragwerk
- 3
- Bauelement
- 4
- Bauelement
- 5
- Bauelement
- 6
- Bauelement
- 7
- Bauelement
- 8
- Bauelement
- 9
- Flachdach
- 10
- Zusatzlast
- 15
- Meßpunktnetz
- 16
- Koordinatensystem
- 20
- Fußboden
- 30
- Lageerfassungssystem
- 35
- Marke
- 36
- Meßstrahl
- 40
- Wägezelle
- 41
- Sensor
- 45
- Marke
- 46
- Meßstrahl
- 55
- Marke
- 56
- Meßstrahl
- 65
- Marke
- 66
- Meßstrahl
- 75
- Marke
- 76
- Meßstrahl
- 85
- Marke
- 86
- Meßstrahl
- 100
- Referenzmarke
- 101
- Referenzstrahl
