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Standsicherheit muss garantiert sein

31.07.2006

Bezüglich der Standsicherheit von mobilen Arbeitsgeräten ist einerseits die Technologie und Konstruktion der jeweiligen Baumaschine entscheidend. Andererseits spielen aber die Bodenverhältnisse wie auch die Tragfähigkeit des Untergrundes auf dem die Baumaschine aufgebaut wird, eine entscheidende Rolle. Mobile Baumaschinen wie Autokrane, Autobetonpumpen usw., werden, um eine höhere Standsicherheit zu erhalten, bzw. höhere Lasten zu tragen und größere Reichweiten zu erreichen, während der Arbeitsphase auf Stützbeine abgestellt. Die Beurteilung der Tragfähigkeit des anstehenden Untergrunds ist für den jeweiligen Maschinenführer wegen der ständig wechselnden Baustellenbedingungen stets sehr schwierig. In einem von der AiF geförderten Forschungsvorhaben am Institut für Geotechnik der Universi-tät Stuttgart, wurden Untersuchungen hinsichtlich der Vorhersagemöglichkeit der Tragfähigkeit des anstehenden Bodens aus der Bodenreaktion bei Belastung während der Aufstellphase durchgeführt. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist das Umstürzen der Maschinen aufgrund Versagen des Untergrunds zu vermeiden. Dabei wurde das dazu benötigte Messequipment und -verfahren sowie eine Auswertesoftware für die Beurteilung der Messergebnisse entwickelt.

Zeit ist Geld
Heutzutage kann auf den Einsatz von mobilen Baumaschinen nicht mehr verzichtet werden. Infolge der Globalisierung und größeren Mobilität steht der Einflussfaktor Zeit immer mehr im Mittelpunkt. Denn schließlich zählt in der Branche zunehmend, Zeit gleich Geld. Eine Untersuchung hinsichtlich des Unfallaufkommens, welche das Umstürzen der Baumaschinen zur Folge hatten, zeigte den Einfluss von immer kürzeren Standzeiten einer Baumaschine bzw. des häufigeren Einsatzes. Die der Studie zugrundegelegten Daten entstammen mehrheitlich dem Zeitraum von 1993 bis 2003. Dabei wurden lediglich Maschinen betrachtet, die, zur Erhöhung der Standsicherheit während dem Arbeitseinsatz, auf Stützbeinen abgestellt werden. Mit Hilfe der Akten und Archive der Berufsgenossenschaften, einer Versicherungsgesellschaft sowie den Printmedien, konnten insgesamt 64 Unfälle Deutschlandweit mit umgestürzten Baumaschinen ermittelt werden. Die wirklichen Unfallzahlen liegen vermutlich darüber, denn z. B. bei den Berufsgenossenschaften werden nur meldepflichtige Unfälle erfasst.
Bei Betrachtung von einzelnen Maschinentypen, passierten 31 der Unfälle mit Autokranen, 15 mit Turmdrehkranen und 14 mit Hubarbeitsbühnen. Auf Autobetonpumpen entfällt nur ein Unfall und zwei Unfälle wurden mit LKW-Ladekranen ermittelt. Die restlichen zwei Unfälle beziehen sich auf sonstige Maschinentypen. Aus den Unfallunterlagen geht hervor, dass bei den meisten Unfällen erheblicher Sach- und auch Personenschaden aufgetreten ist. Die Perso-nenschäden lassen sich mit elf Leicht-, 21 Schwerverletzten und neun Toten beziffern.
Die Unfallursachen sind dabei in 59 Prozent der Unfälle auf menschliches Versagen zurück zu führen. Die weitere Hauptunfallursache liegt in der Überschreitung der Tragfähigkeit des anstehenden Untergrundes mit 23 Prozent. Technisches Versagen der Maschine, z. B. durch Bruch eines Bauteils, das zum Umstürzen einer Maschine führte, ist mit drei Prozent nahezu zu vernachlässigen [1].
Bisher ist die ausreichende Tragfähigkeit anhand von Tafeln bestimmt worden. Diese Tafeln geben in Abhängigkeit vom anstehenden Untergrund und der zu erwartenden Stützlasten die notwendigen Kantholzlängen an. Dabei muss der Maschinenführer den anstehenden Unter-grund beurteilen, wozu sehr viel Fachwissen notwendig ist. Die Einteilung der berücksichtigten Bodenarten in der Tabelle ist dazu noch sehr grob.
Ziel des hier vorgestellten Forschungsvorhabens war ein Verfahren zu entwickeln, mit wel-chem ein Versagen des Untergrunds, aufgrund zu klein gewählter Abstützflächen unter den Stützbeinen, vermieden werden sollte. In einem ersten Schritt ist das Verformungsverhalten des Untergrundes beim Aufstellen der Maschinen zu erfassen. Der zweite Schritt besteht in der Beurteilung mit Hilfe einer zu entwickelnden Software, welche die Tragfähigkeit aufgrund einer Extrapolation ermittelt und bewertet, in wie fern die gewählte Abstützfläche unter den Stützbeinen ausreichend groß gewählt wurde. Ein Augenmerk bei der Entwicklung des Systems lag beim automatischen Einsatz, d. h. ohne zusätzliche Vorbereitungsmaßnahmen und Eingaben des Bedieners (Maschinenführers) auf der Baustelle.

Geotechnische Grundlagen
Beim Ausfahren und Abstellen eines Stützbeines auf den Untergrund handelt es sich genaugenommen, um einen sehr schnell durchgeführten Plattendruckversuch. Der Plattendruckversuch ist ein in der Geotechnik standardisierter Versuch, der zur Bestimmung und Beurteilung des Verformungsverhaltens des untersuchten Erdplanums dient. In Bild 1 ist der Versuchsaufbau schematisch dargestellt. Es geht in erster Linie bei diesem Versuch nicht um die Ermittlung der Bruchspannung und des Versagensmechanismus des Bodens.
KONDNER & ZELASKO (1963) haben für Spannungszustände, wie sie beim Triaxialversuch auftreten, einen hyperbolischen Spannungs-Dehnungsverlauf angenommen und nachgewiesen. Anhand einer Literaturstudie (z.B. DESAI UND REESE, 1970 und VAN DEVENTER & MOLENKAMP, 1984) konnte gezeigt werden, dass dieser Ansatz auch für Lastplattenversuche gilt (Bild 2). Durch Auftragung des Verhältnisses der normierten Setzung s* mit der aufgebrachten Spannung p über der normierten Setzung s* wird eine Hyperbel als Gerade dargestellt. Die Normierung der Setzung s erfolgt über den Durchmesser d der verwendeten Lastplatte (s* = s / d).
Eigene Laborversuche in einer Versuchsgrube (Fläche ca. drei mal drei Meter und Tiefe 1,4 Meter) in die zwei unterschiedliche Bodenarten, ein Sand und ein Lösslehm, bei unterschiedlichen Lagerungsbedingungen eingebaut wurden, zeigen bis zum Versagen des Bodens das selbe Verhalten. Einige Versuchsergebnisse sind in Bild 3 dargestellt. Die bei den Sandversuchen angegebene Größe D ist die Lagerungsdichte (D = 1 sehr dicht, D = 0 sehr locker). Diese Messungen wurden in Anlehnung an den Plattendruckversuch mit einer 300 mm im Durchmesser messenden Lastplatte durchgeführt. Hierbei wurde erstens das Abbruchkriterium aus der DIN 18134 ignoriert und die Messungen erfolgten bis über das Versagen der Böden hinaus. Zweitens erfolgte die Lastaufbringung nicht stufenweise, sondern kontinuierlich und sehr schnell. Der hyperbolische Kurvenverlauf kann dabei mit Gleichung (1) beschrieben werden.
Wie Bild 2 und 3 zeigen, ist es dabei unabhängig, ob es sich um einen nichtbindigen (Sand, Kies) oder einen bindigen Boden (Schluff, Ton) handelt. In der Natur stehen die Böden hauptsächlich in Mischformen an. Zur Beschreibung der Hyperbel wird die aufgebrachte Bodenpressung p und die infolge der Belastung auftretenden Setzungen s verwendet. Zusätzlich sind zur Beschreibung der Hyperbel die Konstanten x und y notwendig, die vom jeweiligen Boden abhängen. Die Konstanten sind von der Bruchspannung pf und einem Anfangsverformungsmodul Ev0 (Tangentenmodul) des Bodens abhängig, die durch Grenzwertbetrachtung ermittelt werden und damit Gleichung (1) folgendermaßen geschrieben werden kann.

Benötigte Messausrüstung
Zur Erfassung von totalen Setzungen wird im Allgemeinen mit direkten, bezugspunktabhän-gigen Methoden, wie z. B. Lasersystemen und Schlauchwaagen gearbeitet. Von Seiten der am Projekt beteiligten Maschinenhersteller mobiler Baumaschinen wurde jedoch gefordert, dass der Maschinenführer das zu entwickelnde System ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand einsetzen können muss. Somit fiel die Wahl auf ein indirekten Messverfahren mittels Beschleunigungssensoren: Durch anschließend doppelte Integration der Messwerte über die Zeit können hierbei die Setzungen ermittelt werden.
Mit Last-Setzungsmessungen an einer mobilen Baumaschine wurden die Anforderungen an die Sensorik ermittelt. Im Maximum treten Beschleunigungen von etwa zehn Millimeter/s2 (² 1 mg) auf, was äußerst gering ist. Mittels einer Fourieranalyse konnte die Setzungsfrequenz bei nahezu 0 Hz festgestellt werden. Die Beschleunigungen der Setzungen liegen somit im quasi statischen Bereich.
Diese Anforderungen erfüllt der Beschleunigungssensor QA-700 der Firma Honeywell. Die üblichen Einsatzgebiete des Sensors sind Kontrollsysteme von Flugzeugen und Flugsimulatoren, die Nivelliereinheit von Radarplattformen und weitere militärische Anwendungen. Der Messbereich liegt bei ± 30 g, wobei nach Angabe des Herstellers eine Empfindlichkeit von lt; 1 µg erreicht werden kann. Dieser kapazitive Beschleunigungssensor arbeitet nach dem Rückkopplungsprinzip, wodurch die hohe Empfindlichkeit erreicht wird. Zur Eliminierung von höherfrequenten Anteilen werden numerische Filter und Hardwarefilter (RC – Glied mit oberer Grenzfrequenz 24 Hz) verwendet.
Nachteil dieses Messverfahrens liegt in der Beeinflussung des Signals infolge Verkippungen; bei alleiniger Verwendung des Beschleunigungssensors kann zwischen Lageänderungen (Verkippung) und „echten“ Beschleunigungen nicht unterschieden werden. Daher sind zusätzlich genaue Neigungsaufnehmer in das Messsystem zu integrieren. Damit die geforderte Auflösung des Messsystems erreicht werden kann, werden sehr hohe Anforderungen an die Datenerfassungsanlage gestellt. Eine Auflösung von 16 Bit ist nach derzeitigen Erkenntnissen eine absolute Minimallösung [5].
Damit die Messungen unter realen Bedingungen möglichst einfach durchgeführt werden können sind die Sensoren in einen mobilen Lastsensor integriert worden, der neben den Vertikalkräften auch Horizontalkräfte messen kann (Lastbereich bis 300 KN vertikal und 30 kN horizontal). Der Prototyp des mobilen Beschleunigungs-Last-Sensors ist in Bild 4 dargestellt. Auf der rechten Seite ist der Sensor beim Messeinsatz abgebildet, wobei die Setzungen mit potentiometrischen Wegaufnehmern zusätzlich, zur Überprüfung der Beschleunigungen, mitgemessen wurden.

Auswertung der Messungen
Mit der im vorigen Abschnitt beschriebenen Messausrüstung wurden einige Messungen so-wohl unter „Labor“-, als auch unter „realen“ Bedingungen im Feld durchgeführt. Damit in Zukunft die Daten direkt an der Maschine ausgewertet und beurteilt werden können, ist eine entsprechende Software notwendig.
Zunächst jedoch ein Blick auf die Qualität der gemessenen Daten mit Hilfe eines Vergleichs zwischen den Beschleunigungen aus den potentiometrischen Wegaufnehmern (numerische doppelte Differenziation) und den gemessenen Beschleunigungen. Das Ergebnis ist in Bild 5 anhand von zwei Diagrammen dargestellt. Links ist deutlich der Einfluss der Verkippung der Lastplatte mit dem darauf montierten Sensor zu erkennen. In beiden Diagrammen ist nach Korrektur der Messdaten mit den Verkippungen eine sehr gute Übereinstimmung zu den potentiellen gemessenen Beschleunigungen zu erkennen.
Das Auswerteprogramm ist in drei Phasen gegliedert. In Phase eins erfolgt lediglich die Erfassung und Speicherung der Daten Beschleunigung, Neigung und Last als Zeitreihen. Phase zwei besteht aus der Datenaufbereitung (Filterung, Glättung und Auswahl der relevanten Daten). Der relevante Datenbereich beginnt mit einem signifikanten Lastanstieg, der beim Auf-setzen des Stützbeines auftritt.
In der dritten Programmphase werden die aufbereiteten Daten ausgewertet und bewertet. Es stehen drei Möglichkeiten zur Verfügung aus den Messdaten an Hand einer Extrapolation die fehlenden Hyperbelparameter zu bestimmen. Möglichkeit eins berücksichtigt Gleichung (2) wie dargestellt, d.h. aus den Beschleunigungen wird mit der doppelten Integration die Setzung ermittelt, um dann mit der kleinsten Fehlerquadratmethode die Auswertung zur Bestimmung der vom Untergrund abhängigen Parameter pf und Ev0 durchzuführen. Methode zwei verwen-det die Ableitung der Last und die integrierten Beschleunigungen, wobei die Geschwindigkeit erhalten wird. Dazu ist eine Ableitung von Gleichung (2) notwendig. Die dritte Methode leitet Gleichung (2) zweimal ab, so dass die Parameterbestimmung mit den Beschleunigungen und der doppelt abgeleiteten Last erfolgt.
Es lässt sich eindeutig feststellen, dass in Abhängigkeit von der Bodenart und der Lagerungs-bedingungen ein Mindestbereich der Arbeitslinie bekannt sein muss, um die Bruchspannung richtig vorhersagen zu können. Die Auswertung aller Versuche ergab für die unterschiedlichen Versuchsbedingungen den prozentualen Spannungsanteil der Bruchspannung, bis zu welchem die Arbeitslinie bekannt sein muss (Tabelle 1). Bei duktilem Bodenverhalten, wie es bei lockerer bis dichter Lagerung von Sand und bei Lösslehm der Fall ist, sind 40 – 50% der Arbeitslinie ausreichend für eine genaue Prognose. Ist das Verhalten des Bodens bei Belastung erkennbar spröde (sehr dicht gelagerter Sand mit und ohne Hohlraum, sowie an Böschungen), so ist annähernd die ganze Spannungs-Setzungskurve für die Extrapolation erforderlich. Je spröder das Untergrundverhalten, desto weiter reicht der lineare Ast des Spannungs-Setzungsverlaufs im Kurvenanfangsbereich.
Von Bedeutung für die Beurteilung der Messergebnisse ist der für die Extrapolation betrach-tete, gemessene Kurvenabschnitt. Dazu wird der Verformungsmodul Ev als Sekantenmodul bestimmt. Das Verhältnis zwischen Ev/Ev0 gibt an, ob der betrachtete Messbereich bereits im hyperbolischen Ast liegt. Liegt das Verhältnis nahe bei eins, verlaufen die betrachteten Messwerte auf einem quasi noch linearen Kurvenast. Gehen die Werte gegen Null, kann ein hyperbolisches Verhalten angesetzt werden und eine gute Prognose der Tragfähigkeit erstellt werden.
In Bild 6 ist an einer Messung das Auswerteergebnis exemplarisch dargestellt. Im linken Diagramm ist das Verhältnis der Bruchspannung aus der hyperbolischen Extrapolation pfhyp und der gemessenen Bruchspannung pfgem über den jeweils für die Auswertung betrachteten Spannungsbereich aufgetragen. Die Angaben auf der Abszisse sind jeweils in Prozent von der gemessenen Bruchlast angegeben. Das Diagramm auf der rechten Seite zeigt die Entwicklung des Verhältnisses zwischen den Verformungsmoduln Ev/Ev0.

Verlässliche Prognose
Die zu hebenden Lasten und die zu überwindenden Entfernungen werden beim Einsatz von mobilen Baumaschinen immer größer. Die Sicherheitsanforderungen werden dank moderner Technik immer besser beherrscht. Dadurch werden auch stetig steigende Anforderungen an den Untergrund gestellt.
Der Maschinenführer ist für eine detaillierte Beurteilung des anstehenden Untergrunds nicht ausgebildet. Zur Vermeidung von Unfällen durch das Versagen des Untergrunds unter den Stützbeinen einer mobilen Baumaschine wurde in dem hier vorgestellten Forschungsvorhaben, in Zusammenarbeit mit einem Arbeitskreis namhafter Maschinenhersteller, ein Mess- und Auswertesystem entwickelt, das aus dem Spannungs-Setzungsverhalten während der Ab-stützphase die Tragfähigkeit des Untergrunds prognostiziert.
Die Messung der Bodenverformungen erfolgt durch die Erfassung der auftretenden Beschleu-nigungen. In einem aufwändigen Auswerteverfahren werden die gemessenen Daten mit einem hyperbolischen Ansatz zur Ermittlung der Bruchspannung des Bodens extrapoliert. Wie die Ergebnisse der eigenen Versuche gezeigt haben, muss für eine sichere Vorhersage ein Minimum der Spannungs-Setzungskurve, in Abhängigkeit von den Untergrundparametern, bekannt sein.
Der entwickelte Beschleunigungs-Lastsensor stellt einen Prototypen dar, der entsprechend der jetzigen Erkenntnisse weiterentwickelt werden soll, um in einer weiterführenden Forschungsarbeit dem Einsatz in der Praxis näher zu kommen.
Dr.-Ing. Peter H. Beutinger, Baugrundinstitut Dr.-Ing. G. Ulrich, Leutkirch

Autor/in:
Redaktion Bauzeitung
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