Cornelia Süßenbach

Untersuchungen von Digitalnivellieren zur Einsatzvorbereitung und zum Nachweis von vertikalen Brückenverformungen

1990 erschien auf dem Markt das erste Digitalnivellier. Derzeit bieten vier Hersteller (Leica, Zeiss, Topcon und Sokkia) diese Technologie in zwei Genauigkeitsklassen an. Hauptunterscheidungsmerkmal ist die Auswertung und Interpretation des Grauwertbildes. Die Arbeit mit Digitalnivellieren ist wesentlich schneller und bequemer, was aber nicht bedeutet, dass fehlerfreie Messergebnisse geliefert werden. Die präzisen Messsysteme, die beim allgemeinen Gebrauch durch hohe Genauigkeit und Produktivität überzeugen, wurden im Rahmen der Diplomarbeit vorgestellt und einer vergleichenen Fehleranalyse unterzogen.
Die kontinuierliche Überwachung von Bewegungen an Bauwerken ist von großer Bedeutung für die Sicherheit und die Bauausführung. Dabei ist es naheliegend, Präzisionsnivelliere zur Analyse vertikaler Verformungen von Brückenbauwerken, verursacht durch den fließenden Verkehr, zu verwenden.
Es wurden Untersuchungen durchgeführt, mit dem Ziel Aussagen zu treffen ob der Einsatz zu diesen Zwecken sinnvoll ist.
Im ersten Schritt wurden gleichförmige Bewegungen der Codelatte simuliert (Rampenmessung). Unter der Variation von Zielweite und Beleuchtungsstärke wurde die höchstmögliche lineare Geschwindigkeit der Codelatte bestimmt, zu der gerade noch Messungen vom Präzisionsnivellier ausgeführt werden können.
Die Grenzgeschwindigkeit wurde für drei Zielweiten (5; 10; 19m) und drei Beleuchtungsstärken(1000; 3000; 5000Lx) ermittelt. Sie liegen zwischen 2,8mm/s und 25mm/s. Das DL-101 erreichte bei optimaler Beleuchtung die höchsten Geschwindigkeiten von über 25 mm/s. Bei allen drei Instrumenten konnte eine starke Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke fetsgestellt werden. Beim DiNi 10 ist die ermittelete Grenzgeschwindigkeit bei konstanter Beleuchtungstärke entfernungsunabhängig.
Nach anschließender Umrechnung der Geschwindigkeit in die Parameter einer Schwingung wurden Messreihen zur schwingenden Latte ausgeführt. Die Sinusschwingung wurde im Labor mit einer servohydraulischen Prüfmaschine simuliert. Bei Variation der Frequenz und der Amplitude einer definierten Schwingung wurden 7 Messreihen in allen Kombinationen von Strecke und Beleuchtungsstärke unter Beachtung der Geschwindigkeit aufgenommen.
Die Auswertung zeigte, dass die zeitliche Messwertzuweisung der Höhenergebnisse zur mittels Heidenhain-Taster aufgezeichneten Bewegung beim DiNi 10 schwierig ist. Das Digitalnivellier von Zeiss führt nämlich für eine Einzelmessung intern vier Messungen zur Latte aus. Die Identifikation der Lattenposition zur Messzeit ist möglich.
Sowohl das NA 3003 als auch das DL-101 ermitteln mit einer einzigen Messung das Höhenergebnis. Diese beiden Präzisionsnivelliere sind somit für die Erfassung vertikaler Brückenbewegungen wesentlich geeigneter. Das DL-101 weist mit 2,8s die kürzesten Messzeiten auf, womit sich die Abtastrate erhöht. Die bei diesem Instrument im Entfernungsbereich von 10 m aufgetretenen unregelmäßigen Abweichungen erfordern zur endgültigen Klärung weitere Untersuchungen. Das vorgestellte Prinzip, die Nivelliermessung zur Genauigkeitssteigerung in zwei Anteile zu zerlegen, wurde erfolgreich für alle drei Instrumente an je einem Beispiel für die Rampen- und die Schwingungsmessung realisiert.
Schwingungen, die durch Digitalnivelliere verfolgt und anschließend aus den Messeregebnissen rekonstruiert werden können, liegen im Frequenzbereich von weniger als ca. 1/100 Hz. Frequenzen von Brückenbewegungen in Folge der Verkehrsbelastung und der Eigenschwingungen beginnen erst bei ungefähr 1/100 Hz und können bis etwa 5 Hz reichen. Die Verfolgung der Kinematik mit einem Digitalnivellier wäre demnach allenfalls im schmalen Randbereich möglich, und auch nur für verkehrsbedingte Schwingungen. Die hochfrequenten Eigenschwingungen können nicht erfasst werden. Wird das Messsystem jedoch modifiziert, ist ein Einsatz zu diesen Zwecken nicht ausgeschlossen. Es werden verschiedene Vorschläge herausgearbeitet, die bei projektbezogener Veränderung des Messprinzips der Digitalnivelliere für Überwachungsmessungen an Brücken gelten. U.U. lassen sich dann auch vertikale Bauwerksverformungen kleiner Periodenlängen analysieren.