Erschütterungsmessungen & Schwingungsmessungen

Maßgeblich ist die ÖNORM S 9020 „Erschütterungsschutz für ober- und unterirdische Anlagen“ in der Fassung 2015-12-15, die die Ausgabe von 1986 ersetzt hat. Zu den wesentlichen Neuerungen zählen die Erweiterung des Geltungsbereichs auf den Tiefbau und die Ausdehnung der Richtwerte auf kurzzeitige und kontinuierliche Erschütterungen – beides unmittelbar relevant für die Begleitung von Spezialtiefbauarbeiten.

Die S 9020 gilt für Erschütterungen aus Sprengungen, aus stationären und ortsveränderbaren Maschinen und Geräten sowie aus dem Straßen- und Schienenverkehr, soweit sie über den Untergrund auf Bauwerke einwirken. Baumaschinen des Spezialtiefbaus fallen unter die zweite Kategorie.

Ihr Schutzziel reicht über die Standsicherheit hinaus: Bei Wohn- und Bürogebäuden sowie Baudenkmälern gelten auch Schönheitsschäden wie Risse als Minderung des Gebrauchswertes und sollen durch Einhaltung der Richtwerte vermieden werden.

Beurteilungsgröße ist die maximale resultierende Schwinggeschwindigkeit – die vektorielle Zusammenfassung der drei orthogonalen Komponenten. Der zulässige Richtwert ist keine feste Zahl, sondern ergibt sich aus vier Einflussgrößen.

Empfindlichkeitsklasse des Bauwerks

Die Norm unterscheidet fünf Klassen. Für Hoch- und Tiefbau enthält sie jeweils eigene Zuordnungstabellen.

Wohn- und Bürogebäude üblicher Massivbauweise liegen im mittleren Bereich. Höher eingestuft werden Konstruktionen mit geringer Rahmensteifigkeit sowie besonders erschütterungsanfällige denkmalgeschützte Substanz. Im Tiefbau werden Leitungen und Kabel nach Material, Alter, Bauzustand und Betreiberangaben zugeordnet.

Die Einstufung ist der folgenreichste Schritt der gesamten Beurteilung – zwischen der niedrigsten und der höchsten Klasse liegt in der zulässigen Schwinggeschwindigkeit etwa eine Größenordnung. Die Norm verlangt deshalb eine Zuordnung nach Planeinsicht, mindestens aber nach Augenschein, unter Berücksichtigung von Bauzustand, Fundierungsart, Alter, Baugrund und vorhandenen Schäden. Eine Einstufung vom Schreibtisch aus ist damit ausgeschlossen.

Häufigkeit der Ereignisse

Die Norm kennt die Stufen selten, wiederholt und häufig. Erschütterungsintensive Bauarbeiten von mehr als einer Woche Dauer gelten als „wiederholt“ – damit gilt für die meisten Spezialtiefbaumaßnahmen ein strengerer Maßstab als für Sprengungen, die stets als selten eingeordnet werden.

Andauer der Einwirkung

Unterschieden wird zwischen impulsförmig bis zwei Sekunden, kurzzeitig bis 180 Sekunden und kontinuierlich darüber hinaus. Ramm-, Rüttel- und Bohrvorgänge sind kontinuierlich. Der Grund für die Differenzierung ist die Resonanz: Volle Resonanzüberhöhung stellt sich erst im eingeschwungenen Zustand ein, wofür je nach Dämpfung viele Schwingungszyklen nötig sind. Kurze Impulse erreichen diesen Zustand nicht – lang andauernde Bauarbeiten sehr wohl.

Vorherrschende Frequenz

Bauwerkseigenfrequenzen liegen ganz überwiegend unter 10 Hz, die Eigenfrequenzen maßgebender Decken zwischen 10 und 40 Hz. Niederfrequente Erschütterungen sind deshalb kritischer, und die Norm mindert die Richtwerte in diesem Bereich ab. Maßgeblich ist die im Spektrum der stärksten Komponente vorherrschende Frequenz, zu ermitteln per FFT-Analyse mit ausreichend feiner Linienbreite.

Lässt sich der Frequenzgehalt vor Baubeginn nicht abschätzen, ist zunächst der niedrigste zutreffende Richtwert anzusetzen und erst nach Auswertung der ersten Messdaten anzupassen. Auch das spricht für eine durchgehende Messung ab dem ersten Bautag statt für Stichproben.

Gemessen wird an der der Erschütterungsquelle zugewandten Fundamentseite des Schutzobjekts; Abweichungen davon sind zu begründen. Bei Sonderbauwerken wie Tunneln oder Rohrleitungen richtet sich der Messort nach den konstruktiven Gegebenheiten.

Wir arbeiten mit triaxialen Messsystemen von SYSCOM – ROCK für den autonomen, kabelfreien Dauereinsatz auf der Baustelle und MR3003C, wo höhere Auflösung oder erweiterte Auswertemöglichkeiten gefragt sind. Beide erfassen die Schwinggeschwindigkeit direkt über Geophone in drei orthogonalen Richtungen und decken den von der ÖNORM S 9020 geforderten Frequenzbereich vollständig ab. Ihr Phasengang ist nach DIN 45669 Klasse 1 spezifiziert, sodass die resultierende Schwinggeschwindigkeit korrekt aus den Zeitverläufen gebildet werden kann.

Die Auswertung erfolgt gegen eine projektspezifisch hinterlegte Richtwertkurve, die aus Empfindlichkeitsklasse, Häufigkeit und Andauer abgeleitet wird. Auf die Ankopplung der Aufnehmer legen wir besonderes Augenmerk – bei höheren Amplituden im Nahbereich kann ein Abheben der Sensoren die Messung unbrauchbar machen.

Wir empfehlen eine Bestandsaufnahme der Nachbarbebauung vor Baubeginn. Der Hintergrund: Risse entstehen in Gebäuden fortlaufend – durch Temperatur- und Feuchtigkeitswechsel, Setzungen, lastabhängige Verformungen, Um- und Zubauten. Die Norm weist ausdrücklich darauf hin, dass Erschütterungen als Rissursache nur dort in Betracht kommen, wo sie Festigkeitsüberschreitungen im Baustoff erzeugen, und dass erschütterungsbedingte Schäden ein charakteristisches Bild aufweisen: gekreuzte Diagonalrisse. Andersartige Rissbilder verweisen auf andere Ursachen.

Zur Einordnung der Größenverhältnisse führt die Norm einen aufschlussreichen Vergleich an: Eine Schwinggeschwindigkeit von 4 mm/s ruft in einer Ziegelmauer größenordnungsmäßig dieselben Spannungen hervor wie eine Temperaturänderung um ein Grad Celsius. Erschütterungen aus der normalen Hausbenützung – Türen schließen, Stiegen steigen – erreichen in Wohngebäuden vergleichbare Werte.

• Vorbereitung: Begehung, Einstufung der Schutzobjekte, Festlegung von Messpunkten und Richtwerten, gegebenenfalls Erschütterungsprognose
• Beweissicherung: Dokumentation des Bestandszustands einschließlich vorhandener Risse
• Messbetrieb: kontinuierliche Aufzeichnung mit Fernübertragung, Alarmierung bei Grenzwertannäherung
• Abschluss: Messbericht mit Bewertung nach ÖNORM S 9020

Die genannten Bewertungsgrundsätze geben den Regelungsgehalt der ÖNORM S 9020:2015-12 sinngemäß wieder. Die verbindlichen Richtwerte, Faktoren und Berechnungsformeln sind der Norm selbst zu entnehmen, erhältlich bei Austrian Standards.