Zerstörungsfreie Erkennung der Pfahllänge für Hoch

Eine neue Testmethode wird es MnDOT ermöglichen, die unterirdischen Fundamentpfahltiefen von Hochmast-Lichtmasten (HMLTs) zu bestimmen, ohne zu graben oder zu demontieren. HMLTs müssen Designstandards erfüllen, um die Tragfähigkeit zu gewährleisten. Durch den Einsatz der neuen Methode zur Bewertung der Pfahltiefe konnte MnDOT kostspielige Nachrüstungen oder Ersetzungen vermeiden und Lichtmasten Vorrang einräumen, die einer Neugestaltung bedürfen.

In ganz Minnesota sind Hunderte von High-Mast-Lichtmasten (HMLTs) installiert, viele davon schon seit mehreren Jahrzehnten. Das MnDOT-Büro für Brücken und Bauwerke hat die Aufgabe sicherzustellen, dass die Türme und ihre Fundamente den aktuellen LRFD-Spezifikationen (Load and Resistance Factor Design) der AASHTO entsprechen, und sie bei Bedarf neu zu entwerfen.

Um diese Entscheidung treffen zu können, müssen Ingenieure die Struktur, Geometrie und Abmessungen der HMLT-Fundamente verstehen. Während die HMLT-Fundamente in Minnesota im Allgemeinen mit einer dreieckigen Betonplatte konstruiert sind, die an ihren Spitzen durch drei winklig eingebettete Pfähle gesichert ist, sind Einzelheiten möglicherweise unbekannt, da für viele Türme keine Bauunterlagen und Bodendaten vorliegen.

„Es war eine Herausforderung, Lichtmasten mit hohen Masten zu überwachen, um sicherzustellen, dass aktuelle Designstandards eingehalten werden. Aber erfolgreiche Feldtests und eine eingehende Analyse führten zu einem sehr nützlichen und kostengünstigen Werkzeug“, sagte Rich Lamb, Fundamentingenieur bei MnDOT Büro für Material- und Straßenforschung.

Ob ein HMLT-Fundament die LRFD-Spezifikationen erfüllt, hängt von der Tiefe der Pfähle ab. Ohne Bauunterlagen oder andere Nachweise der Pfahltiefe müssten Fundamente kostspielig nachgerüstet oder ausgetauscht werden, um sicherzustellen, dass die Designstandards eingehalten werden.

Andere MnDOT-Programme haben verschiedene Fernerkundungs- oder zerstörungsfreie Sensortechnologien für die Anlageninspektion erforscht oder implementiert. Die Behörde benötigte ein Screening-Tool zur Ermittlung vorhandener Pfahllängen, um effektiv zu priorisieren, welche HMLTs Aufmerksamkeit erfordern.

Ziel dieses Projekts war die Entwicklung einer zerstörungsfreien Methode, einschließlich Hardware- und Offline-Datenanalyse, zur Bestimmung der Pfahllängen vor Ort.

Das Forschungsteam nutzte einen mehrgleisigen Ansatz, um eine Feldtechnik zu entwickeln, mit der die Länge von Fundamentpfählen im Untergrund ermittelt werden kann. Die Teammitglieder identifizierten eine Erfassungsmethode, die auf zwei mechanischen Vibrationstechniken basiert: einer stationären Vibration durch einen pneumatischen Kolbenrüttler und einem einzelnen Hammerschlag auf eine Montageplatte.

Bei beiden Methoden wurde die Vibration oberhalb des Pfahlstamms angewendet. Ein in den Boden gesteckter seismischer Kegelpenetrometer prüfte das Bodenprofil – oder die Schichtung – und war an seiner Spitze mit einem Bewegungsaufnehmer ausgestattet. Ein separater Stahlstab, der zwischen der Pfahlkappe und der Vibrationsquelle eingesetzt wurde, stellte eine physische Verbindung für die Übertragung der mechanischen Vibrationen durch den Pfahl her. Aufgrund des hohen seismischen Impedanzkontrasts zwischen dem Pfahl und dem umgebenden Boden werden die durch die Vibrationen verursachten seismischen Wellen auf den Pfahlboden und in den umgebenden Boden übertragen. Die von Instrumenten erfassten Wellendaten werden zur Schätzung der Pfahllänge verwendet.

Nach Durchsicht der begrenzten vorhandenen Baudaten zu Minnesotas HMLT-Fundamententwürfen und Bodeneigenschaften erstellten die Forscher ein Rechenmodell, um die Interaktion zwischen Boden und Pfählen im Kontext der Erfassungsmethodik und letztendlich die Korrelation zwischen der Wellenform in 3D zu simulieren und zu analysieren Muster und Flortiefe. Das Modell informierte auch über die effektivsten Testparameter für die beiden Methoden, einschließlich der optimalen Vibrationsfrequenz und Position der seismischen Sensoren.

„Obwohl unsere Methode kostspielig erscheinen mag – 5.000 US-Dollar für die Analyse eines einzelnen Turms –, hat sie das Potenzial, den Steuerzahlern in Minnesota bis zu 8 Millionen US-Dollar zu ersparen, da der Ersatz eines HMLT-Fundaments etwa 40.000 US-Dollar kostet“, sagt Bojan Guzina, Professor am Department of Civil der University of Minnesota , Umwelt- und Geoingenieurwesen.

Das Forschungsteam entwickelte tiefe neuronale Netze – Sätze von Algorithmen –, um die Vibrations- und Hammerschlagdaten in Bezug auf die Pfahltiefe zu interpretieren. Während für die Erstellung eines maschinellen Lernalgorithmus normalerweise ausreichende Felddaten erforderlich sind, verwendeten die Forscher Tausende von Modellsimulationen als Proxy-Trainingsdaten.

Schließlich testete das Team das Sensorsystem mit geringfügigen Anpassungen am geplanten Design 15 Monate lang auf mehreren HMLT-Fundamenten im Großraum Twin Cities. An jedem Standort wurden zunächst die Ausrichtung und Geometrie der in den Boden eingelassenen Pfahlköpfe ermittelt, um die Platzierung der Prüfgeräte zu steuern. Es wurden sowohl stationäre als auch Hammerschlagmethoden angewendet und der Boden getestet, um das Bodenprofil über die Länge des Pfahls zu verstehen. Die Forscher verglichen die mit ihren Methoden ermittelten Pfahllängen mit vorhandenen MnDOT-HMLT-Konstruktionsdaten.

Mithilfe von Sensoren, Bodendaten, 3D-Simulationen und maschinellem Lernen entwickelten die Forscher einen analytischen, zerstörungsfreien Ansatz zur Bestimmung der Tiefe von Stützpfählen unter einem HMLT-Fundament. Die Methode lieferte konsistente Ergebnisse im Abstand von sechs Monaten. Insgesamt zeigten die Ergebnisse, dass die Hammerschlagmethode häufiger mit den MnDOT-Daten übereinstimmte als die stationäre Vibrationsmethode, obwohl Forscher für robuste Schätzungen die Verwendung beider Methoden empfehlen.

Das Team stellte außerdem fest, dass ein gesamtes HMLT-Fundament mit drei Pfählen an einem Tag mit der Hammerschlagmethode bewertet werden kann, und kam zu dem Schluss, dass diese Methode – im Vergleich zu den Kosten für Nachrüstung oder Austausch – erhebliche Ressourcen für MnDOT einsparen könnte.

Dieses Projekt lieferte ein potenzielles Screening-Tool, um MnDOT bei der Entscheidung zu unterstützen, bestehende HMLT-Fundamente zu ersetzen, nachzurüsten oder im Bauzustand zu belassen. Die Behörde erwägt ein Pilotprogramm, das HMLTs priorisieren und diese Erfassungsmethode verwenden würde, um diejenigen ohne Baudokumentation zu bewerten und festzustellen, ob aktuelle Designstandards eingehalten werden.