Sanierung des Mastes Heidelstein der Telekom

1. Vorgeschichte

Der Mast Heidelstein der Telekom steht in der Rhön auf dem sog. Heidelstein, Nähe Bischofsheim. Er ist ein sog. Antennenträger. Neben Antennnen für Radiofunk sind ANtennen für Polizei und Feuerwehr und andere Sicherheistdiente installiert. Am Kopf befindet sich eine Fernsehantenne, die durch einen GFK-Zylinder geschützt ist, Bild 1.

Bild 1: Mast Heidelstein in der Rhön

In einer vorlaufenden Untersuchung wurde die Lebensdauer des Mastes relativ genau ermittelt. Hierbei wurden sozusagen "alle Register gezoegn", d.h. es wurde

  • das örtliche Windklima bestimmt
  • die Dynamik mit allen Effekten sorgfältig berechnet und durch parallele Versuche abgesichert,
  • die örtlichen Spannungsspitzen mit Hilfe der Finite-Element-Methode präzise ermittelt.
  • das Beulverhalten der Rohrschale mit allen Exzentrizitäten genau beschrieben und untersucht.

Im Folgenden sind einige Bilder aus dem Gutachten wiedergegeben, um den Aufwand deutlich zu machen:

Bild 2: Topographie Heidelstein, Rauhigkeit

Zur Emittlung des loaklen Windklimas wurde die Geländetopographie anhand des digitalen Geländemodells dargestellt, Bild 3 links. Die Rauhigkeit der Erdoberfläche wurde mit einem Radius von ca. 20 km um den Maststandort herum modelliert und 4 Rauhigkeitsklassen zugeordnet. Bild 3 zeigt links die Windgeschwindigkeits-Windrose, rechts die Situation vor Ort. Die gestrichelte Linie beschreibt die Windrichtung, die die maximalen Biegespnnungen im Bereich der Masttüren hervorruft.
Bild 3: Resultierende Windgeschwindigkeits-Windrose, Lage der kritischen Türöffnungen
Zur Verifikation der folgenden dynamischen Berechnungen wurde ein Anzupf-Versuch durchgrführt, bei dem dere Mast mit HIlfe einebs Hilfsseils, das bei der untersten Seilanschlusshöhe am Schaft befestigt wurde. Das Seil wurde gegen einen mit Kies beladenen LKW mit einem Kettenzug vorgespannt und anschließend mit einem Bolzenschneider aufgetrennt, Bild 4:

Bild 4: Trennen des Hilfsseils

Die Übereinstimmung mit theoretisch ermittelten Amplitudenspektren war überraschend gut.


Bild 5: Messausrüstung, Messergebnis

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Bild 6: Rechnerische Ermittlung der Seilbeanspruchung im böigen Wind, Beanspruchungshäufigkeit der Seile

Bild 3-rechts ist zu entnehmen, dass die Lage der kritischen Türöffnungen (gestrichelte Linie in Bild 3) in Bezug auf die Windgeschwindigkeits-Windrose günstig liegen, Ihre Maximalbeanspruchung gehört zu einem Wind-Richtungssektor, aus dem nur sehr geringe Auftretenswahrscheinlichkeiten größerer Windgeschwindigkeiten zu erwarten sind.
Nach diesen umfassenden Berechnungen, durchgeführt von Prof. Peil Ende der neunziger Jahre, hat der Mast etwa zwischen den Jahren Jahren 2015 und 2020 seine rechnerische Lebensdauer erreicht. Die für die Betreuung von Funkmasten und Türmen zuständige Deutsche Funkturm GmbH (DFMG) bat mich, bei der Entwicklung von Maßnahmen zur Verlängerung der Lebensdauer um Unterstützung. Dere Mast musste wegen des schlechten Zustandes der Abspannseile (örtlich stärkere Korrosion) ohnehin ertüchtigt werden und man wollte diese Gelegenheit nutzen, den Ermüdungs"Markel" gleich mit zu beseitigen.

2. Sanierungsvorschlag

Da der Mast im Vorlauf bereits sehr sorgfältig untersucht wurde, ist eine Vergrößerung der Lebensdauer durch eine noch genauere theoretische Untersuchung nicht zielführend. Es müssen deshalb die kritischen Punkte genauer betrachtet werden, um zu einer Lösung der Aufgabe zu kommen. Der Rohrmantelschaft des Mastes ist aus drei Schalenelemente mit gekröpften Verbindungen zusammengenietet. Im Bereich der Mannlöcher - i.a. auf der Ebene der oberen Seilabspannungspunkte - sind Längssteifen aus Winkel seitlich der Mannlöcher eingebaut, um den Querschnittsausfall im Bereich der Türen zu kompensieren. An den Enden der Längssteifen treten hohe Spannungsspitzen auf, die durch die Nietlöcher noch verstärkt werden.

Bild 7: Bestand im Bereich der Türöffnung

Die Spannungsspitzen haben ihre Ursache in dem Faktum, dass eine biegeweiche Schale einwirkende Kräfte in Richtung der Erzeugenden (hier eine Gerade im Abstand des Schaft-Radius' - nicht verteilen kann. Bild 8 macht das am Vergleich einer ebenen und einer zylindrisch gekrümmten Fläche klar. In der ebenen Fläche treten Spaltzugkräfte auf, um die Spreizkräfte aufnehmen zu können. In der gekrümmten Schale liegt die Spaltzugkraft zwangsläufig in der Schalenfläche. Um die gekrümmt verlaufende Spaltzugkraft aufnehmen zu können, muss die Schale biegesteif sein. Der Bliuck auf die Schnittdarstellung macht das deutlich. Dies kann z.B. durch ringförmige Rippen erreicht werden. Wenn die Biegesteifigkeit nicht vorhanden oder nicht groß genug ist, kann die Einzellast nicht verteilt werden, sie "sticht" sozusagen in Richtung der Erzeugenden durch und erscheint wieder am unteren Rand unverteilt.

BIld 8: Verlauf der Spaltzug-Kraft bei ebenen und gekrümmten Flächen

Genau dieser Effekt produziert bei der Längsversteifung die Probleme, d.h. die Spannungsspitze. Die Normalkraft in dere Längssteife kann sich nicht verteilen, es entsteht deshalb vor den beiden Enden der Längssteife eine Spannungsspitze. Diese globale Spitze wird durch die lokale Spitze, die am Loch entsteht noch vergrößert, vgl. Bild 9.

Bild 9: Türausschnitt mit schematischen globalen und lokalen Spannungsspitzen

Um die Größe der Ringbiegesteifigkeit genauer einschätzen zu können und so prüfen zu können, wie sich die Last verteilt, wurde eine FE-Berechnung der Schale mut Türausschnitt und ergänzend angebrachten Längssteifen durchgeführt. Dabei wurden alle Aussteifungen in diesem Bereich berücksichtigt, auch die nur partiell umlaufenen, leichten Winkel Bild 10):

Bild 10: FE-Berechnung der Türöffnungsbereiche

Grundidee des Sanierungskonzeptes war es, die Spannungsspitze vor den Längessteifenenden weitestmöglich abzubauen. Hierzu wurden die Schrauben, die am Steifenende die ganze Steifenlast in die Schale einleiten, entfernt und - aus konstruktiven Gründen - durch durch Schrauben geringeren Durchmessers ersetzt. Damit war die alte Spannungsspitze und damit die Ermüdungsgefahr in diesem Bereich verschwunden, es trat aber jetzt eine neue Spannungsspitze auf, eben dort, wo nun die ersten, verbliebenen Schrauben sitzen. Um hier ähnliche Probleme in der Zukunft zu vermeiden, wurde die Gesamtkraft der Steife über den abstehenden Winkel an ein außen anzubringendes, abgewinkeltes Lasteinleitungsblech großflächig abgegeben, Bild 11. Das unsymmetrische Winkelblech wurde warm gebogen, um Ermüdungsproblemen bei einer auch möglichen Schweißung aus dem Wege zu gehen. Das Winkelblech wird mit 4 GV M24 am abstehenden Längssteifenschenkel angeschlossen. Die Reibflächen müssen entsprechend vorbereitet werden. Die 4 GV M24 dienen vornehmlich dazu die Lasten des 50Jahres-Windes zu übertragen. Die Lasten der Ermüdungslastfälle sind drastisch kleiner, so dass hier keine Ermüdung auftritt.
Bild 11: Sanierung mit Beiwinkel

Die maximalen Spannungen im Bereich eines Türausschnittes treten hierbei auf im Lastfall Wind in die Gabel. Da die Spannungen am Elementanfang und –ende unterschiedlich sind, wird auf sicherer Seite der absolute Maximalwert verwendet. Die untere Masteinstiegsöffnung wurde nicht untersucht, da die Biegemomente hier, in der Nähe des unteren Lagergelenkes sehr gering sind. und somit keine beachtenswerten Spannungsänderungen hervorrufen. Die Normalkraftänderung ist, wie meistens bei Masten unter Windlast, sehr gering und wird ebenfalls bei der Ermüdungsuntersuchung nicht berücksichtigt.
Der untere Türbereich wurde analog saniert, vgl. Bild 12.

Bild 12: Sanierung unterer Türbereich.

Da zu beiden Seiten der Türöffnung Längssteifen angeordnet waren, wurde auch beide Seiten analog saniert.