Baudynamik – Bodendynamik

In Forschungsinstituten, in der Halbleiterindustrie und in der optischen Fertigung sowie in anderen hochsensiblen Einrichtungen werden häufig sehr hohe Anforderungen an die zu gewährleistende Schwingungsarmut gestellt. So liegen z.B. die zulässigen Schwingungsamplituden in der Elektronenmikroskopie um mehrere Größenordnungen unter dem, was für Menschen wahrnehmbar ist. Daher sind zur Einhaltung von vorgegebenen bzw. festzulegenden Schwingungskriterien Untersuchungen zum Erschütterungseintrag in das Bauwerk und zum Schwingungsverhalten des Tragwerks erforderlich. Ausgehend von auf dem Baugrund bzw. in der Gründungstiefe erfassten Schwingungsanregungen werden durch GuD, unter Berücksichtigung der Boden-Bauwerks-Interaktion und der geplanten Konstruktion, Prognoseberechnungen hinsichtlich der zu erwartenden Bauteilschwingungen im Bereich der vorgesehenen sensiblen Einrichtungen durchgeführt. Es werden sowohl externe Schwingungsanregungen, z.B. aus dem Straßen- und Zulieferverkehr, als auch interne Anregungen aus dem Betrieb haustechnischer Anlagen oder infolge personeninduzierter Schwingungen berücksichtigt. Mittels strukturdynamischer Modelle wird die Wirkungsweise schwingungsmindernder oder isolierender Maßnahmen untersucht.

Die Anregung durch Personen erfolgt in einem sehr weiten Amplitudenbereich, von einzelnen gehenden Personen, welche empfindliche Laborgeräte stören können, über die Anregung aus sportlichen Aktivitäten in Fitnessstudios bis hin zur mutwilligen Aufschaukelung von Brücken oder Tribünenbauwerken. Personeninduzierte Schwingungen stellen ein Gebrauchstauglichkeitsproblem dar, welches die Nutzung von Gebäuden beeinträchtigen kann. Bei synchronisierten Bewegungsabläufen (wie z.B. Gruppenkursen im Fitnessbetrieb) und einem ungünstigen Resonanzverhalten des Bauwerks kann die Tragsicherheit beeinträchtigt werden. Unter Berücksichtigung der jeweils maßgebenden Lastfälle werden seitens GuD die Bauwerksschwingungen prognostiziert und entsprechend dem geforderten Komfortniveau im Bedarfsfall Lösungen zur Schwingungsreduktion erarbeitet.

Windenergieanlagen tragen im Betrieb dynamische Kräfte und Schwingungen in den Untergrund ein. Für Menschen sind diese im Allgemeinen nicht spürbar, jedoch können hochempfindliche Anlagen, wie beispielsweise seismische Messstationen zur Erdbebenüberwachung, bei örtlicher Nähe beeinträchtigt werden. GuD erstellt Prognosen des Erschütterungseintrags von Windparks für ein sensibles Umfeld.

Bei der Planung von dynamisch belasteten Bauwerken muss der Baugrund im Rahmen von Baugrundgutachten oder für numerische Simulationen der Bauwerksdynamik hinsichtlich seines Schwingungsverhaltens untersucht werden. Die Geophysik kann im Gegensatz zu Laboruntersuchungen einen signifikanten Anteil bei der Untersuchung unter in-situ-Bedingungen liefern. Mittels seismischer Verfahren, wie beispielsweise der Downhole-Seismik oder der Oberflächenwellenseismik (MASW), können die dynamischen Elastizitätsparameter des Baugrunds direkt bestimmt werden. So kann eine fundierte Aussage zur dynamischen Belastbarkeit getroffen werden.

Obwohl Deutschland eine geringe Seismizität aufweist, sind insbesondere sicherheitskritische Bauwerke, wie beispielsweise Nuklearanlagen, Tankbauwerke, Anlagen der chemischen Industrie, Pipelines und Staudämme auch hierzulande für den Lastfall Erdbeben auszulegen.

Eine besondere Rolle für die Auslegung von Bauwerken in Bezug auf Erdbeben spielt der Baugrund. Von einem Seismologen werden zu erwartenden Beschleunigungen am Felshorizont angegeben, der je nach Standort direkt an der Erdoberfläche oder auch in mehreren 100 m Tiefe liegen kann. GuD führt rechnerische Untersuchungen durch, die zeigen, wie sich die Erdbebenwellen bis zur Oberfläche fortpflanzen. Es wird geprüft, ob es zu einer Verstärkung der Wellen durch Resonanzeffekte im Boden kommt, wodurch die Standsicherheit von Bauwerken gefährden werden könnte.

Wenn der Baugrund aus locker gelagerten Sanden besteht und zusätzlich das Grundwasser sehr nah an der Geländeoberfläche ansteht, kann das Phänomen der Bodenverflüssigung auftreten.  Anhand der Bodenparameter untersucht GuD das Risiko von Verflüssigungseffekten z.B. für den Erdbebenlastfall.

Für Pfahlgründungen trägt der Nachweis einer ausreichenden Tragfähigkeit maßgeblich zur Qualitätssicherung des Bauwerks bei. GuD führt entsprechende zerstörungsfreie Prüfverfahren nach dem Stand der Technik mit eigenen Messgeräten durch. 

Während die Integritätsprüfung neben der Längenbestimmung zum Erkennen von Geometrie- und Eigenschaftsänderungen des Pfahlbetons verwendet wird, erfahren die Testpfähle bei der dynamischen Pfahlprobebelastung bleibende Setzungen, um außen am Pfahl wirkende Bodenwiderstände zu aktivieren. Sensoren am Pfahlkopf erfassen die zeitabhängigen Messgrößen Beschleunigung und Dehnung. Die Auswertung erfolgt bei der Integritätsprüfung als visuelle Begutachtung der Messsignale unter Berücksichtigung der Herstellungsprotokolle und des anstehenden Bodens. Bei der dynamischen Pfahlprobebelastung wird ein Pfahl-Boden-Modell (CAPWAP) durch inverse Systemidentifikation anhand der Messsignale entwickelt, aus welchem dann die statischen Pfahlwiderstände (Mantelreibung und Spitzendruck) abgeleitet werden.

Eisenbahnverkehrslasten rufen sowohl statische als auch zyklische und dynamische Beanspruchungen des Ober- und Unterbaus hervor. Daher kann die Einschätzung der Gebrauchstauglichkeit nicht allein anhand von statischen Nachweisen, sondern muss unter Berücksichtigung der zyklisch/dynamischen Lastanteile vorgenommen werden. Gemäß Bahnvorschrift (RIL 836) ist bei Nutzungsänderungen mit erhöhter Verkehrsbelastung ein Nachweis über die dynamische Stabilität zu erbringen.

Anhand von strukturdynamischen Berechnungen mit Finite-Elemente-Methoden werden die dynamischen Bodenverformungen unterhalb des Gleises bei Zugüberfahrt ermittelt und in Hinblick auf das Risiko von Gleissetzung beurteilt. Anhand der Modellrechnung empfiehlt und plant GuD Maßnahmen zur Schwingungsminderung, die von Verstärkungen im Bereich des Oberbaus über Bodenverbesserungen bis hin zu Fahrwegtiefgründungen reichen können.