Mögliche Auswirkung von Erschütterungen

Direkte Gefährdung von Bauwerken

Darunter versteht man direkte Schäden an der Bausubstanz durch Überschreiten der zulässigen Spannungen einzelner Bauteile aufgrund dynamischer Beanspruchungen. Durch Schwingungsmessungen kann eine Gefährdung von Bauwerken durch dynamische Belastungen abgeschätzt werden. Dazu werden am Gebäude an verschieden Stellen Messpunkte zur Schwingungsmessung angebracht (siehe Bild). In der Regel werden triaxiale Messpunkte am Fundament (MP3), horizontale Messpunkte in der obersten Deckenebene (MP4) sowie vertikale Messpunkte auf den Deckenmitten (MP5, MP6) installiert, die den Schwingungseintrag in das Gebäude – die Immission – und die Schwingungsbelastung aufnehmen.

Schwingungsausbreitung
Schwingungsausbreitung

Als Messgröße werden in der Norm Schwinggeschwindigkeiten bevorzugt, da zwischen Schwinggeschwindigkeiten und typischen Beanspruchungen mindestens näherungsweise ein linearer Zusammenhang nachgewiesen werden konnte. Dem zufolge werden vorzugsweise mit sog. Geophonen direkt die Schwinggeschwindigkeiten an den festgelegten Messpunkten gemessen und mit zulässigen, frequenzabhängigen Anhaltswerten der DIN verglichen. Bei Unterschreitung der Anhaltswerte ist eine Verminderung des Gebrauchswertes des Gebäudes nicht zu erwarten. Bei Überschreitung muss der Schwingungseintrag durch Vermeidung von Resonanzen, Änderungen der Arbeitsfrequenzen, Einsatz anderer Arbeitsgeräte oder en –verfahren vermindert werden. Ferner ist auch Ermüdungsversagen zu berücksichtigen. Auf Resonanzen speziell schwach gedämpfter Strukturen ist zu achten, da die Schwingungsgrößen in Resonanznähe besonders groß werden. Resonanzprobleme treten häufig beim An– oder Abstellen ansonsten harmonisch arbeitender Baugeräte auf.

Indirekte Gefährdung von Bauwerken

Darunter werden setzungsbedingte Schäden am Bauwerk verstanden. Zur Vermeidung dieser Gefährdung werden normativ keine Anhaltswerte genannt, da eine allgemeine Charakterisierung des Bodens bezüglich der Setzungsempfindlichkeit bisher nicht angegeben werden kann. Des weiteren sind die Bodenkennwerte meist nicht bekannt, so dass dieses Problem nur mit Erfahrung beurteilt werden kann.

Die wichtigste Norm für Erschütterungen im Bauwesen ist die DIN 4150.

Im Teil 1 werden Anhaltspunkte zur Vorermittlung von Schwingungsgrößen bei verschiedenen Erschütterungsquellen gegeben.

Im Teil 2 wird die Einwirkung von Schwingungen auf Menschen in Gebäuden behandelt. Es werden Hinweise zur Messung und zur Auswertung gegeben. Anschließend wird ein Verfahren beschrieben, das die Beurteilung bezüglich einer Belästigung von Menschen erlaubt. Als weitere Grundlage ist hier die VDI 2057 zu nennen.

Im Teil 3 wird die Einwirkung auf bauliche Anlagen behandelt, wobei frequenzabhängige Grenzwerte für die maximal zulässigen Schwinggeschwindigkeiten am Bauwerk angegeben werden.

Belästigung von Menschen

Grundlage für die Beurteilung der Einwirkungen von Schwingungen auf den Menschen ist die DIN 4150 T2, “ Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden “. Mit Hilfe des in dieser Norm beschriebenen Beurteilungsverfahrens können beliebige Schwingungsvorgänge bewertet werden. Die aufgenommenen Schwinggeschwindigkeiten \( v(t) \) werden nach DIN 45669-1 zunächst mit \( H_B(t) \), frequenzbewertet, um den Einfluss der Frequenz auf die menschliche Empfindlichkeit zu berücksichtigen – ganz ähnlich wie in der Akustik mit der dem Hörempfinden angepassten A-Bewertung.
$$v(t) \, H_B(f) \rightarrow KB(t)$$

Die so erhaltenen Bewerteten Schwingstärken \( KB(t) \) werden auf den Frequenzbereich von 1 (4) bis 80 Hz beschränkt. Mit einer Fast-Bewertung (Zeitkonstante=125ms) wird für jeden Zeitpunkt der gleitende Effektivwert berechnet und mit \( KB_F(t) \) bezeichnet.

$$KB(t) \rightarrow KB_{\tau}(t) = \sqrt{\frac{1}{\tau} \int\limits_{\xi = 0}^{t} e^{\frac{t-\xi}{\tau}} \, KB^2(\xi) \, d\xi} \qquad \tau = 125 ms \rightarrow KB_f(t)$$

Diese Werte werden als Wahrnehmungsstärke oder auch Bewertete Schwingstärke \( KB_F \) bezeichnet. Im allgemeinen werden Schwinggeschwindigkeiten von 0,1 bis 0,4mm/s als gerade spürbar eingestuft, die Fühlschwelle wurde normativ auf \( KB_F = 0,1 \) festgesetzt; dies entspricht einer harmonischen (sinus-) Erregung von 0,14mm/s. Zum Vergleich liegen die kleinsten zulässigen Anhaltswerte für das Fundament eines Bauwerkes bei 3mm/s. Eine Belästigung von Menschen kann also stattfinden, wenn eine Gefährdung für das Bauwerk noch ausgeschlossen ist. Insbesondere ist hier anzumerken, dass die Decken resonanzbedingt meist wesentlich stärker schwingen als die Fundamente oder Aussenmauern. Der Zusammenhang zwischen Bewerteter Schwingstärke und subjektiver Wahrnehmung ist tabellarisch dargestellt.

Bewertete Schwingstärke Beschreibung der Wahrnehmung
0 – 0,1 nicht spürbar
0,1 Fühlschwelle
0,1 – 0,4 gerade spürbar
0,4 – 1,6 gut spürbar
1,6 – 6,3 stark spürbar
> 6,3 sehr stark spürbar

Zur Beurteilung der aufgezeichneten Schwinggeschwindigkeiten wird die Messzeit in einzelne Takte von jeweils 30s Dauer unterteilt. Für jeden Takt wird die maximale Bewertete Schwingstärke aus dem Verlauf \( KB_F(t) \) ermittelt und als Taktmaximalwert \( KB_{F{Ti}} \) bezeichnet. Die maximale Bewertete Schwingstärke \( KB_{F{max}} \) ist der größte Taktmaximalwert, der während der jeweiligen Beurteilungszeit auftritt und der zu untersuchenden Ursache zuzuordnen ist. Mit der Berechnung der gleitenden Effektivwerte und der Informationsbeschränkung auf die Taktmaximalwerte wird gewissermaßen eine dem menschlichen Empfinden angepasste gut zu beurteilende Informationsbeschränkung durchgeführt.

In der DIN 4150-2 werden für die \( KB_{F{max}} \)-Werte obere und untere Anhaltswerte \( A_o \) und \( A_u \) angegeben. Für

$$KB_{F{max}} < A_u$$

sind die Anforderungen der Norm eingehalten, für

$$KB_{F{max}} > A_o$$

sind die Anforderungen nicht eingehalten. Liegt der Wert innerhalb der Grenzen

$$A_u < KB_{F{max}} < A_o$$

muss die Beurteilungsschwingstärke \( KB_{F{Tr}} \) über die Beurteilungszeit berechnet werden und kleiner als ein vorgegebener Anhaltswert \( A_r \) sein.