DE19631992A1 - Vibrationsbär mit Steuervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vibrationsbär, vor­ zugsweise einen mäklergeführten Vibrationsbär, zum Eintreiben von Rammkörpern in den Untergrund sowie zum Ziehen von Rammkörpern, mit einem Vibrator, dessen Vibrationsamplitude während des Betriebes verstellbar ist.

Um Rammkörper, beispielsweise die Elemente von Spundwänden oder Pfähle in den Untergrund einzu­ treiben, wird in der Regel ein Vibrationsbär ver­ wendet, der den Körper in Schwingungen versetzt, so daß er unter Kraftbeaufschlagung oder seinem Eigen­ gewicht in den Boden dringt. In analoger Weise er­ leichtern Vibrationsbären auch das Ziehen eines zy­ lindrischen Körpers aus dem Untergrund. Sie beste­ hen im allgemeinen aus einem Vibrator, einer Greif­ vorrichtung, etwa einer Klemmzange, zur Fixierung am Rammkörper sowie einem Führungselement, im ein­ fachstem Fall ein Seil oder der Arm eines Baggers. Bevorzugt ist jedoch ein Führungselement, welches in einen Mäkler eingreift, entlang dem der Bär be­ weglich und mit einer Spannkraft in Eintreibrich­ tung beaufschlagbar ist.

Die Erzeugung der Vibrationen erfolgt im Stande der Technik durch Unwuchtmassen, welche von einem An­ trieb bewegt um eine oder mehrere Drehachsen rotie­ ren. Eine in der Druckschrift EP 0 473 449 be­ schriebene Vorrichtung gestattet mittels mehrerer, auf einer Achse verstellbar angeordneter Massen die Änderung des statischen Momentes bezüglich der Drehachse und somit der Schwingungsamplitude. Dabei ist die Amplitude des Vibrators auch während seines Betriebes, also bei rotierenden Massen, veränder­ bar.

Beim Betrieb eines Vibrationsbären besteht stets die Gefahr, umliegende Gebäude durch Erschütterun­ gen zu schädigen, insbesondere wenn Arbeiten in un­ mittelbarer Nachbarschaft eines Bauwerkes erfolgen, wie es in dicht bebauten Innenstädten häufig not­ wendig ist, oder Gebäude in erhöhtem Maße erschüt­ terungsempfindlich sind, z. B. denkmalgeschützte Altbauten. Anhaltswerte für zulässige Schwingungs­ amplituden sind in der Norm DIN 4150 angegeben. Eine besonders starke Schwingungsanregung findet statt, wenn die Frequenz des Vibrationsbärs im Be­ reich der Eigenfrequenz des Erdbodens liegt, die abhängig von den Bodenverhältnissen wenige Herz be­ trägt. Schwingungsfrequenzen oberhalb von 50 bis 100 Herz führen dagegen lediglich bei sehr großer Amplitude zu Schädigungen.

Als problematisch erweisen sich insbesondere die Inbetriebnahme und der Auslauf des Vibrators, bei denen auch niedrige Frequenzen durchfahren werden. Üblicherweise öffnet der Führer des Vibrationsbärs in diesem Falle die Spannvorrichtung für den Ramm­ körper, so daß keine Schwingungsübertragung statt­ findet, und ergreift ihn erst dann, wenn die Soll­ frequenz erreicht ist. Neben der schwierigen Hand­ habung des schwingenden Vibrationsbären erweist es sich bei dieser Vorgehensweise als nachteilig, daß niedrige Schwingungsfrequenzen mit der Gefahr der Schädigung umliegender Gebäude auch auf andere, nicht vorhersehbare Weise verursacht werden. Bei­ spielsweise können Hindernisse im Untergrund, auf welche der Rammkörper trifft, seine Schwingung plötzlich abdämpfen. In diesem Fall verändert der Führer des Vibrationsbären dessen Spannkraft sowie die Frequenz des Vibrators, um Schäden zu vermei­ den, was sich jedoch erst mit einer durch die Reak­ tionszeit gegebenen Verzögerung auswirkt.

Vor diesem Hintergrund hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, einen Vibrationsbär mit einer Steuervorrichtung zu entwickeln, die seine Betäti­ gung wesentlich erleichtert und Schäden an umlie­ genden Gebäuden ausschließt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Vibrationsbär eine Steuervorrichtung auf­ weist, die seine Vibrationsfrequenz mit einem Sen­ sor erfaßt, die Steuervorrichtung die Amplitude des Vibrators unterhalb einer Grenzfrequenz auf ihren Minimalwert einstellt und die Steuervorrichtung die Amplitude des Vibrators oberhalb der Grenzfrequenz auf einen Einstellwert regelt.

Der vorgeschlagene Vibrationsbär ist mit einer Steuervorrichtung versehen, die im allgemeinen räumlich getrennt angeordnet ist und mit ihm über elektrische oder optische. Leitungen oder drahtlos in Verbindung steht. Mittels eines Sensors erfaßt die Steuervorrichtung die Vibrationsfrequenz des Bärs, die aufgrund der Dämpfung durch den Rammkör­ per und den Untergrund erheblich von der Schwin­ gungsfrequenz des Vibrators abweichen kann.

Weiterhin ist die Steuervorrichtung mit der Rege­ leinheit für die Amplitude des Vibrators verbunden. Bei den gebräuchlichen Bauformen mit verstellbaren, rotierenden Unwuchtmassen verändert die Steuervor­ richtung die statischen Momente bezüglich der Ach­ sen des Vibrators. Ist die Schwingungsfrequenz des Vibrationsbärs geringer als eine vorgegebene Grenz­ frequenz, so minimiert die Steuervorrichtung die Vibrationsamplitude, welche vorzugsweise auf den Wert Null eingestellt wird. Wird die Grenzfrequenz dagegen überschritten, regelt die Steuerungsvor­ richtung die Amplitude des Vibrators auf einen vor­ gegebenen Einstellwert. Dabei kann sowohl die maxi­ male Amplitude eingestellt werden, damit das Ein­ treiben des Rammkörpers mit größtmöglicher Ge­ schwindigkeit erfolgt, als auch eine geringere Am­ plitude, etwa um Schäden an Bauwerken in der Umge­ bung zu vermeiden.

Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung erleichtert die Bedienung des Vibrationsbärs erheblich, wobei sich insbesondere eine Fixierung des in Betrieb be­ findlichen, schwingenden Vibrationsbären am Ramm­ körper erübrigt. Weiterhin wird die Anlaufphase er­ heblich verkürzt, da sie mit minimaler Amplitude erfolgt und eine Energiedissipation durch Schwin­ gungen entsprechend vermieden wird. Schäden in der Umgebung werden nicht nur bei zu geringer Frequenz in der An- und Auslaufphase ausgeschlossen, sondern auch bei unvorhersehbaren Änderungen des Be­ triebszustandes, die zu einem Frequenzabfall füh­ ren. Entsprechend ist das Eintreiben der Rammkörper auch bei inhomogenen Untergrundverhältnissen mit maximaler Geschwindigkeit und Amplitude möglich. Damit erhöht sich die Arbeitsgeschwindigkeit we­ sentlich.

Die stärkste Dämpfung erfährt der Rammkörper im Un­ tergrund, wenn er mit dessen Eigenfrequenz schwingt. In diesem Fall wird ein erheblicher An­ teil der Antriebsleistung des Vibrators in den Bo­ den abgeleitet. Gleichzeitig ist die Schwingungsam­ plitude des Untergrundes maximal, wodurch die Ge­ fahr der Schädigung angrenzender Gebäude ansteigt. Vorzugsweise liegt die Grenzfrequenz daher oberhalb der Eigenfrequenz des Untergrundes.

Im praktischen Betrieb erweist es sich als unzweck­ mäßig, wenn der Einstellwert der Amplitude im ge­ samten Bereich zwischen der Grenzfrequenz und der maximalen Frequenz des Vibrators konstant ist. Ins­ besondere kann auf diese Weise ein instabiles Rege­ lungsverhalten entstehen, wenn die plötzliche Am­ plitudenzunahme bei Überschreitung der Grenzfre­ quenz eine Schwingungsverlangsamung mit einer er­ neuten Unterschreitung zur Folge hat. Daher wird in einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vor­ geschlagen, daß der Einstellwert der Amplitude oberhalb der Grenzfrequenz frequenzabhängig ist. Im einfachsten Fall kann der Amplitudenwert proportio­ nal der Frequenz oder entsprechend einer nichtli­ nearen Kennlinie vom Wert Null bei der Grenzfre­ quenz auf einen Maximalwert bei einer höheren Fre­ quenz zunehmen, die von der Maximalfrequenz des Vi­ brators abweichen kann.

Alternativ oder zusätzlich kann der vorgegebene Wert der Amplitude auch vom Betrag einer Frequen­ zänderung bzw. der ersten oder höheren mathemati­ schen Ableitungen der Frequenz abhängen. Damit läßt sich erreichen, daß die Amplitude bei einer raschen Frequenzänderung, etwa wenn der Rammkörper auf ein Hindernis trifft, zur Vermeidung von Schäden schnell verstellt wird. Dagegen führen geringfü­ gige, speziell periodische Frequenzänderungen, die für das Eintreiben des Rammkörpers ohne Bedeutung sind, nicht zu Amplitudenanpassungen, sondern der optimale Amplitudenwert wird beibehalten. Die tech­ nische Realisierung der Amplitudenregelung kann in diesen Fällen beispielsweise mit einem Proportio­ nal-Integral-Differential-Regler oder einer pro­ grammierbaren Steuerung, speziell unter Einbezie­ hung von Elementen der Fuzzy-Logik, erfolgen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfaßt die Steuervorrichtung auch die Schwingungs­ amplitude des Vibrationsbären sensorisch. Auf diese Weise erhält sie eine wesentlich präzisere Rückmel­ dung über dessen Bewegungszustand, da aufgrund fre­ quenzabhängiger Dämpfungen, unterschiedlicher Ramm­ körper und Bodenverhältnisse und auf den Vibrati­ onsbär wirkender Spannkräfte keine Proportionalität zu den Einstellwerten des Vibrators besteht. Insbe­ sondere kann bei unzulässig großen Amplituden eine sofortige Verringerung der Anregung zur Vermeidung von Schäden erfolgen, so daß ein dauerhafter Be­ trieb nahe der maximal zulässigen Amplitude möglich ist. Neben oder zusätzlich zu einer unmittelbaren Erfassung des Vibrationsweges ist denkbar, daß Sen­ soren die Schwingungsgeschwindigkeit und/oder Be­ schleunigung des Vibrationsbären erfassen.

Weiterhin erfaßt eine vorteilhafte Steuerungsvor­ richtung die Bewegungsgeschwindigkeit des Vibrati­ onsbären entlang seiner Führung, die der Eindring­ geschwindigkeit des Rammkörpers in den Untergrund bzw. seiner Ziehgeschwindigkeit entspricht. An Stelle einer unmittelbaren Weg- oder Geschwindig­ keitsmessung des Vibrationsbären ist auch eine in­ direkte Erfassung möglich, beispielsweise mittels der Drehzahl seines Antriebs oder der Durchfluß­ menge eines hydraulischen Antriebs.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es auf diese Weise möglich, daß die Steuerungsvorrichtung die Bewegungsgeschwindigkeit auf einen Maximalwert ein­ stellt und damit den zum Eintreiben oder Ziehen ei­ nes Rammkörpers notwendigen Zeitraum wesentlich verkürzt. Vorzugsweise variiert die Steuerungsvor­ richtung dazu die Bewegungsparameter des Vibrati­ onsbären auf periodische Weise um ihre Einstell­ werte, und übernimmt diejenigen Parameter, bei denen die Bewegungsgeschwindigkeit maximal ist. Speziell bietet sich die Variation der Amplitude des Vibrators sowie der, vorzugsweise über einen Mäkler, auf den Vibrationsbär wirkenden Spannkraft an. Auch eine Veränderung der Vibrationsfrequenz ist denkbar, wobei sich jedoch unter der Mehrzahl der Betriebsbedingungen die maximale Eindringge­ schwindigkeit bei maximaler Vibrationsfrequenz ein­ stellt.

Schließlich sind Betriebs- und Bodenverhältnisse möglich, bei denen keine optimale Einstellung durch die Steuervorrichtung erfolgt. Um erfahrenen Be­ dienpersonen in derartigen Fällen eine manuelle Steuerung zu gestatten, sind die Automatik der Steuervorrichtung vorzugsweise abstellbar und Am­ plitude sowie Frequenz des Vibrators und/oder die auf den Vibrationsbär wirkende Spannkraft frei ein­ stellbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem ein Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert ist. Sie zeigt einen erfindungsgemäßen Vibrationsbär mit Steuervorrichtung in schematischer Darstellung.

Der vorgeschlagene Vibrationsbär (1) besteht aus einem Vibrator (2) sowie einer Spannzange (3), in der sich ein Rammkörper (4) festlegen läßt, und ist entlang eines Mäklers (5) beweglich. Infolge der Schwingungen des Vibrators (2) läßt sich der Ramm­ körper (4) mit geringem Kraftaufwand in der Unter­ grund (6) eintreiben oder aus ihm herausziehen, wo­ bei die Bewegung des Vibrationsbären (1) entlang des Mäklers (5) unter dem Einfluß einer Spannkraft möglich ist, die von einem hydraulischen Antrieb (7) erzeugt wird. Zweckmäßig ist der Vibrationsbär (1) mit dem Mäkler (5) sowie den zugehörigen Aggre­ gaten auf einem Fahrzeug (8) befestigt.

Der Vibrationsbär (1) ist mit einer Steuervorrich­ tung (9) versehen, die seinen Betriebszustand mit­ tels Sensoren (10) erfaßt, welche über Leitungen (11) oder drahtlos mit ihr verbunden sind. Die Sen­ soren (10) erfassen insbesondere Schwingungsfre­ quenz und -amplitude des Vibrationsbären (1) sowie seine Bewegungsgeschwindigkeit entlang des Mäklers (5). Weiterhin ist denkbar, die Beschleunigung des Vibrationsbären (1), Betriebsparameter des Vibra­ tors (2), etwa Öldruck und -temperatur, die Posi­ tion des Vibrationsbären (1) auf dem Mäkler (5) so­ wie seine Kraftbeaufschlagung durch den Antrieb (7) oder beispielsweise den Geräuschpegel zu ermitteln. Eine Eingabeeinheit (12) ermöglicht die Einstellung und Änderung von Sollwerten.

Aus den Eingabewerten berechnet die Steuervorrich­ tung (9) den jeweils optimalen Betriebszustand des Vibrationsbären (1), bei dem Schäden an umliegenden Gebäuden infolge von Erschütterungen ausgeschlossen sind und die Eindringgeschwindigkeit des Rammkör­ pers (4) in den Untergrund (6) maximal ist. Durch Ansteuerung eines Stellgliedes (13) des Vibrators (2) sind zu diesem Zweck dessen Schwingungsfrequenz und -amplitude einstellbar; weiterhin steuert die Steuervorrichtung (9) den Antrieb (7) an.

Im Ergebnis entsteht auf diese Weise ein Vibrati­ onsbär, der Schäden in der Umgebung durch Erschüt­ terung ausschließt, auf erheblich vereinfachte Weise bedienbar ist und das Eintreiben und Ziehen von Rammkörpern mit maximaler Geschwindigkeit ge­ stattet.

Claims (9)

1. Vibrationsbär, vorzugsweise mäklergeführter Vi­ brationsbär, zum Eintreiben von Rammkörpern in den Untergrund sowie zum Ziehen von Rammkörpern, mit einem Vibrator, dessen Vibrationsamplitude während des Betriebes verstellbar ist, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - der Vibrationsbär (1) eine Steuervorrichtung (9) aufweist, die seine Vibrationsfrequenz mit einem Sensor (10) erfaßt,
• - die Steuervorrichtung (9) die Amplitude des Vi­ brators (2) unterhalb einer Grenzfrequenz auf ihren Minimalwert einstellt
• - und die Steuervorrichtung (9) die Amplitude des Vibrators (2) oberhalb der Grenzfrequenz auf einen Einstellwert regelt.

2. Vibrationsbär nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Grenzfrequenz größer als die Ei­ genfrequenz des Untergrundes (6) ist.

3. Vibrationsbär nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellwert der Amplitude oberhalb der Grenzfrequenz frequenzabhängig ist.

4. Vibrationsbär nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstell­ wert der Amplitude oberhalb der Grenzfrequenz von der Größe von Änderungen der erfaßten Vibrations­ frequenz abhängt.

5. Vibrationsbär nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervor­ richtung (9) die Amplitude des Vibrationsbärs (1) mit einem Sensor (10) erfaßt.

6. Vibrationsbär nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrati­ onsbär (1) unter dem Einfluß einer Spannkraft ent­ lang einer Führung beweglich ist.

7. Vibrationsbär nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervor­ richtung (9) die Bewegungsgeschwindigkeit des Vi­ brationsbärs (1) entlang seiner Führung erfaßt.

8. Vibrationsbär nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuervorrichtung (9) die Fre­ quenz und/oder Amplitude und/oder Spannkraft des Vibrationsbärs (1) periodisch variiert und entspre­ chend des dabei auftretenden Maximalwertes der Be­ wegungsgeschwindigkeit entlang seiner Führung ein­ stellt.

9. Vibrationsbär nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungs­ automatik der Steuerungsvorrichtung (9) abstellbar ist sowie Amplitude und Frequenz des Vibrators (2) und/oder die Spannkraft des Vibrationsbärs (1) ma­ nuell einstellbar sind.