Table Of ContentUntersuchungen über den Energieaustausch
bei der Bodenverdichtung mit Sprungrüttlern
Von der Fakultät für Bauwesen der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
genehmigte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs
Vorgelegt von
Dipl.-Ing. Georg Dimpfl
aus München
Referent: Professor Dr.-Ing. E. h. Dr. G. Garbotz
Korreferenten: Professor Dr. techno W. Jurecka
Professor Dr.-Ing. K. Lürenbaum
Tag der mündlichen Prüfung: 7. Dezember 1965
ISBN 978-3-322-98397-8 ISBN 978-3-322-99145-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-99145-4
Dieser Bericht erscheint gleichzeitig unter Nr. 1780
in den Forschungsberichten des Landes Nordrhein-Westfalen
im Westdeutschen Verlag, Köln und Opladen
D 82
(Diss. T. H. Aachen)
Vorwort
Die Verdichtung von Böden durch Rütteln geht auf Beobachtungen zurück, die
HERTWIG [14] vor etwa drei Jahrzehnten anläßlich dynamischer Baugrundunter
suchungen bei der Deutschen Forschungsgesellschaft für Bodenmechanik
(Degebo) machte. Es handelt sich also um ein noch ziemlich junges Verfahren,
dessen Anwendung in der Bauwirtschaft erst in den Jahren nach dem Krieg einen
nennenswerten Umfang angenommen hat. Die stürmische Verbreitung, die die
Rütteltechnik in folge ihrer wirtschaftlichen und technischen Vorteile im Lauf
der letzten Jahre fand, löste auch eine rege Entwicklung von Rüttelverdichtern
zahlreicher Bauarten und Größen aus und schuf damit das Bedürfnis nach einer
systematischen, wissenschaftlichen Untersuchung des Verdichtungsvorganges
und der Möglichkeiten zu seiner Beeinflussung. Allerdings ist es trotz intensiver
Forschung bis heute nicht gelungen, dem Konstrukteur ausreichende Unterlagen
für die zweckmäßige Auslegung eines Rüttlers zur Verfügung zu stellen, so daß
die Entwicklung neuer Maschinen im wesentlichen immer noch empirisch vor
sich geht. Es liegt auf der Hand, daß hierbei die Erzielung optimaler Ergebnisse
weitgehend dem Zufall überlassen ist und von einer gezielten Entwicklung für
spezielle Anforderungen keine Rede sein kann.
Mit der vorliegenden Arbeit wird deshalb versucht, durch die Verbindung von
theoretischen Überlegungen mit Modellversuchen einen Weg zu finden, der zu
mindest über die qualitativen Zusammenhänge zwischen den Bewegungsgrößen
eines Rüttlers und seiner Verdichtungswirkung allgemein gültige Aussagen er
möglicht. Um die grundsätzlichen Abhängigkeiten möglichst klar hervortreten
zu lassen, sollen dabei für die zur Ableitung der theoretischen Gesetze erforder
lichen Modelle absichtlich einfache Kombinationen verwendet werden, die mit
den Methoden der elementaren Schwingungslehre behandelt werden können.
Die Veröffentlichung ist das Ergebnis von Untersuchungen, die am Institut für
Baumaschinen und Baubetrieb der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hoch
schule in Aachen durchgeführt wurden. Es ist dem Verfasser ein aufrichtiges
Anliegen, an dieser Stelle dem Leiter des Instituts, Herrn Professor Dr.-Ing.
E. h. Dr. G. GARBOTZ und seinem Nachfolger, Herrn Professor Dr. W. JURECKA,
für die Übertragung der Arbeit sowie für die Unterstützung bei der Durchführung
derselben ganz besonders zu danken. Auch die großzügige finanzielle Förderung
der Versuche durch den Herrn Kultusminister des Landes Nordrhein-Westfalen
sei hier dankbar hervorgehoben.
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung .................................................... 9
2. Aufbau und Einteilung der Rüttelverdichter ....................... 11
2.1. Die Krafterzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2. Die Art des Schwingungssystems ........................... 12
2.3. Die Energieabgabe an den Boden ........................... 13
2.4. Art der Fortbewegung .................................... 14
3. Die vorliegende Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15
3.1. Theorien über die Ursachen der Verdichtungswirkung ......... 15
3.2. Zusammenhang von Bewegungsverlauf und Antriebsgrößen des
Sprungrüttlers ........................................... 17
3.3. Die elastischen Eigenschaften des Bodens 18
4. Dynamik der Rüttlerbewegung .................................. 21
4.1. Das Bodenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2. Der Auflastrüttler ........................................ 22
4.2.1. Bewegungsgleichung des Auflastrüttlers ..................... 22
4.2.2. Vergrößerungsfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.2.3. Die zweckmäßige Erregerfrequenz .......................... 27
4.2.4. Die auf den Boden wirkende Kraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2.5. Die zum Abheben erforderliche Erregerkraft ................. 28
4.3. Der Sprungrüttler ........................................ 29
4.3.1. Gleichung der freien, gedämpften Schwingung ............... 30
4.3.2. Maßgebende Größen für die Bodenverformung .. . . . . . . . . . . . . . 32
5. Versuche zur Bestimmung der Bodeneigenschaften bei stoßartiger
Beanspruchung ................................................ 33
5.1. Zweck der Versuche ...................................... 33
5.2. Versuchsanordnung ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
5.2.1. Verdichtungsgerät ........................................ 33
5.2.2. Der Versuchsboden ....................................... 34
5.3. Programm und Ablauf der Versuche ........................ 36
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6. Die Meßgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.1. Messung des Bodenraumgewichtes .......................... 38
6.2. Messung der Bewegungsgrößen des Stampfkörpers ........... 40
6.2.1. Schema der Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40
6.2.2. Verwendete Meßgeräte .................................... 42
7. Prinzip und Programmierung des Analogrechners .................. 44
7.1. Das Wesen der analogen Darstellung........................ 44
7.2. Grundlagen der Programmierung.. . ........... . ..... . ...... 45
7.3. Programmierung der gegebenen Aufgabe .................... 48
7.4. Erprobung der Meßeinrichtung .. . .... . . . ........ . ..... .. . .. 51
8. Versuchsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53
8.1. Auswertung der Diagramme ............................... 53
8.2. Allgemeine Aussagen über den Verdichtungsvorgang . . . . . . . . .. 54
8.3. Einflüsse auf die erreichbare Lagerungsdichte des Bodens ...... 57
8.4. Einflüsse auf die Eigenfrequenz des Bodens .................. 59
8.5. Einflüsse auf die Dämpfung des Bodens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63
9. Anhaltswerte für die Auslegung und den Betrieb von Sprungrüttlern .. 67
9.1. Wahl der Aufschlaggeschwindigkeit . .. . . . ... ..... . . ... . . . . .. 67
9.2. Wahl der statischen Flächenlast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 67
9.3. Wahl der Auflagezeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68
10. Zusammenfassung.............................................. 69
10.1. Verwendete Formelzeichen ................................ 70
11. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71
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1. Einleitung
Bei den bekanntgewordenen experimentellen Untersuchungen an Rüttelverdich
tern handelt es sich in erster Linie um Testversuche zur Feststellung der Leistungs
fähigkeit oder der Einsatzbereiche bestimmter Maschinentypen. Es ist zumindest
sehr fraglich, ob die hierbei ermittelten Zusammenhänge ohne weiteres auf andere
Verhältnisse übertragen werden dürfen; und in der Tat widersprechen sich die
Versuchsergebnisse zum Teil erheblich, so daß allgemeingültige Aussagen über
den Einfluß einzelner Maschinendaten auf die Verdichtungswirkung hieraus nicht
abgeleitet werden können.
Die offensichtlich vorhandenen Grenzen rein empirischer Untersuchungen werden
sofort verständlich, wenn man sich vor Augen hält, daß jede Variation der Rüttler
kenngröHen zunächst nur die Rüttlerbewegung verändert und erst als Folge davon
auch mehr oder weniger die Verdichtungswirkung beeinflußt. Geht man von dieser
Überlegung aus, so erscheint es ziemlich aussichtslos, einen direkten Zusammen
hang zwischen den Antriebsdaten und der Verdichtungswirkung zu finden, da
der zur Zuordnung von Ursache und Wirkung ausschlaggebende Bewegungs
verlauf der Maschine hierbei völlig unberücksichtigt bleibt. Die Untersuchung
muß demnach in zwei getrennten Schritten vor sich gehen, indem zunächst die
Abhängigkeit der Verdichtungswirkung von den Bewegungsgr~'(fen des Verdichters
geklärt wird; erst wenn diese Frage beantwortet ist, können die zur Erzielung
optimaler Bewegungsverhältnisse erforderlichen Antriebsdaten bestimmt werden.
Nur dann, wenn der Verdichtungseffekt auf erzwungenen Schwingungen beruht,
lassen sich die Verdichtungsergebnisse direkt auf die Konstruktionsdaten eines
Rüttelverdichters beziehen, d. h., allenfalls bei den sogenannten Auflastrüttlern
können einzelne Antriebsgrößen unmittelbar die Verdichtungswirkung beein
flussen. Viele Rüttelverdichter arbeiten jedoch als Sprungrüttler, die sich während
ihrer Bewegung zeitweise vom Boden lösen und nach einem Luftsprung wieder
aufschlagen, so daß sich ein unstetiger Bewegungsverlauf einstellen muß, der
nicht durch einen geschlossenen mathematischen Ausdruck beschrieben werden
kann. In diesem Fall kann nur eine schrittweise Untersuchung der einzelnen
Bewegungsphasen zum Ziel führen.
Die folgenden Überlegungen werden sich deshalb zunächst auf die Frage kon
zentrieren, ob überhaupt und in welchem Umfang prinzipielle Unterschiede
zwischen Auflastrüttlern und Sprungrüttlern bestehen und welche Folgerungen
daraus zu ziehen sind. Sehr wichtig ist dabei natürlich die exakte Abgrenzung der
bei den Rüttlertypen unter Berücksichtigung der dynamischen Kräfte. Wenn man
nämlich, wie es in der Praxis üblich ist, nur das Verhältnis der Erregerkraft zum
Gewicht des Rüttlers als Kriterium für die Unterscheidung betrachtet, bleiben
die aus der Bewegung folgenden Massenkräfte unberücksichtigt, so daß in
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Wirklichkeit vielleicht gar nicht der angenommene Bewegungstyp vorliegt. Es
ist leicht denkbar, daß allein die Beachtung dieses Umstandes schon zur Aufklä
rung von Widersprüchen in den Versuchsergebnissen führen kann. Da die vor
liegende Literatur über die genauen Bedingungen für das Abheben eines Rüttlers
nichts enthält, werden sich die Untersuchungen auch mit dieser Frage eingehend
auseinandersetzen.
Zur Ermittlung der tatsächlichen Beziehungen zwischen den Bewegungsgräßen
und der Verdichtungswirkung der Sprungrüttler wurden Modellversuche gewählt,
da sich nur hiermit die gewünschten Bewegungsverhältnisse mit der erforder
lichen Sicherheit und Genauigkeit darstellen lassen.
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2. Aufbau und Einteilung der Rüttelverdichter
Die verschiedenen Bauarten können nach den folgenden Gesichtspunkten ein
geteilt werden:
1. Art der Erregerkrafterzeugung
2. Art des Schwingungssystems
3. Art der Energieübertragung auf den Boden
4. Art der Fortbewegung des Rüttlers
Leider hat sich die bei den Rüttlerbauarten herrschende Vielfalt (im Jahr 1962
wurden allein in der Bundesrepublik über 60 verschiedene Typen angeboten)
auch auf die Fachbegriffe übertragen. Die Übersichtlichkeit leidet vor allem dar
unter, daß einige dieser Begriffe sachlich nicht einwandfrei sind oder durch die
Hervorhebung nebensächlicher Konstruktionsmerkmale Unterschiede vor
täuschen, die in Wirklichkeit nicht vorhanden sind. So hat beispielsweise der
besonders in Herstellerprospekten gern zum Vergleich mit statisch wirkenden
Verdichtungsgeräten benutzte Begriff »Schlagkraft« schon viel Verwirrung ge
stiftet. Es ist damit nämlich meist nicht die beim Aufschlag des Rüttlers wirkende
Stoßkraft gemeint, sondern die Erregerkraft, die über die Verdichtungswirkung
eines Rüttlers noch nichts aussagt.
In den folgenden Abschnitten werden solche Bezeichnungen, die zu Mißverständ
nissen Anlaß geben könnten, absichtlich vermieden, auch wenn sie sich in der
Literatur bereits durchgesetzt haben.
2.1. Die Krafterzeugung
Rüttelverdichter für Böden sind grundsätzlich krafterregt, d. h., ihre Bewegung
resultiert aus dem Zusammenspiel der vom angetriebenen Erregersystem stam
menden Massenkraft mit den äußeren Kräften, die auf den Rüttler wirken.
Im Gegensatz zu der nur von den Antriebsgrößen abhängigen Bewegung des
wegerregten Schwingers (beispielsweise die Rüttelbohlen einiger Betondecken
fertiger) führt ein krafterregter Schwinger Bewegungen aus, die weitgehend von
den elastischen Eigenschaften seiner Unterlage bestimmt werden. Sein Verhalten
kann deshalb nur im Zusammenhang mit den Bodenverhältnissen untersucht
werden und muß sich im Lauf des Betriebes entsprechend dem Verdichtungs
fortschritt ändern.
Zur Erzeugung der Erregerkraft dienen überwiegend exzentrisch rotierende,
vereinzelt auch geradlinig hin- und hergehende Massen (Kreisschwinger bzw.
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oszillierende Schwinger). Im ersten Fall entsteht ein rotierender Kraftvektor
konstanten Betrages und als dessen Wirkung die ungerichtete Schwingung (die
häufigste Antriebsart), im zweiten Fall eine stets gleich gerichtete Kraft, deren
Größe und Vorzeichen periodisch wechseln. Sie wird als gerichtete Schwingung
bezeichnet.
Krafterregung Wegerregung
Abb. 1 Prinzip der Kraft- und Wegerregung eines Schwingers
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P(t) - P1·sin·Q·t+ P2°sin-Qo2·t
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Kreisschwinger Schwinger
Abb. 2 Verschiedene Möglichkeiten der Erregerkrafterzeugung
Gerichtete Kraftschwingungen lassen sich auch durch pendelnde Lagerung eines
Kreisschwingers oder durch Addition zweier gegenläufig arbeitender Kreis
schwinger erzielen. Welches dieser Systeme zur Anwendung kommt, ist im
Hinblick auf die erzwungene Vertikalbewegung gleichgültig, solange der zeit
liche Verlauf der Erregerkraft derselbe ist.
2.2. Die Art des Schwingungssystems
Hier unterscheidet man Einmassenrüttler und Zweimassenrüttler.
Beim Einmassenrüttler sind Antriebsmotor und Rüttelteil starr miteinander ver
bunden oder der Motor ist vom Rüttler vollständig getrennt und treibt diesen
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über Keilriemen bzw. Gelenkwellen an. Der Schwerpunkt und der Betrag der
erregten Masse kann genau angegeben und der Verdichter daher als ein einziger
Massenpunkt aufgefaßt werden.
EinmassenrUltler Zweimassenruuler
Abb. 3 Prinzipieller Aufbau des Ein- und Zweimassenrüttlers
Beim Zweimassenrüttler sind die gegen Erschütterungen empfindlichen Maschi
nenteile (z. B. Antriebsmotor oder bei Rüttelwalzen der gesamte Rahmen mit
dem Bedienungsstand) gegenüber dem Rüttelteil abgefedert. Dadurch entsteht
ein System aus zwei elastisch verbundenen Einzelrnassen mit zwei Freiheitsgraden.
Der Einfluß der abgefederten Masse auf die Bewegung der erregten Masse ist
abhängig vom Verhältnis ihrer Beträge und von der Art ihrer Kopplung. Er ist
um so geringer, je weicher die Federung bzw. je kleiner die Masse der abgefederten
Teile ist.
2.3. Die Energieabgabe an den Boden
Je nach der Größe der Erregerkraft treten zwei grundsätzlich verschiedene
Bewegungstypen auf:
Solange die Erregerkraftamplitude kleiner als die Summe der übrigen, vertikal
nach unten gerichteten Kräfte ist, bleibt der Rüttler ständig in Kontakt mit dem
Boden und zwingt diesem eine periodische Schwingung auf. Überschreitet die
Erregerkraftamplitude die anderen Vertikalkräfte, so hebt sich der Rüttler zeit
weise vom Boden ab und führt Sprünge aus. Da während der Sprungphase keine
Kraftübertragung zwischen Rüttler und Boden stattfinden kann, ist es unwahr
scheinlich, daß bei der Sprungrüttlung Schwingungsvorgänge eine wesentliche
Rolle spielen. Die Verdichtungswirkung scheint vielmehr von den Aufschlag
größen des Rüttlers, also von der Geschwindigkeit bzw. der kinetischen Energie
im Augenblick der Bodenberührung, abzuhängen. BATHELT [2] hat zur Unter
scheidung dieser beiden Bewegungstypen die Ausdrücke »Schwing-Rüttelver
dichtung« und »Schlag-Rüttelverdichtung« vorgeschlagen, die sich aber trotz
ihrer Anschaulichkeit nicht durchgesetzt haben. Man spricht an ihrer Stelle heute
allgemein von Auflastriittlung und 5 prungriittlung.
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