Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe B: Brücken- und Ingenieurbau
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Institut
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132
Im vorliegenden Forschungsvorhaben wird zunächst das aus dem Jahre 2010 stammende Bewertungssystem für Brückenbauwerke (FE 15.494/2010/FRB) überarbeitet. Der erforderliche Anpassungsbedarf wird dabei hauptsächlich aus der bereits durchgeführten Pilotstudie (FE 15.0522/2011/FRB) ermittelt. Zudem finden auch Erkenntnisse aus weiteren Forschungsprojekten der BASt Berücksichtigung. Diese sind z.B. "Konzeptionelle Ansätze zur Nachhaltigkeitsbewertung im Lebenszyklus von Elementen der Straßeninfrastruktur" (FE 09.0162/2011/LRB), "Einheitliche Bewertungskriterien für Elemente der Straßenverkehrsinfrastruktur im Hinblick auf Nachhaltigkeit " Straße und Tunnel" (FE 09.0164/2011/LRB) und "Grundlagen für einen Leitfaden "Nachhaltige Straßeninfrastrukturen" " Anforderungen an Baustoffe, Bauwerke und Realisierungsprozesse der Straßeninfrastrukturen im Hinblick auf Nachhaltigkeit" (FE 09.0179/2011/MRB). Im zweiten Teil des Vorhabens wird mit der Entwicklung eines Pre-Check Systems ein neuer Systembaustein zur Komplettierung des Bewertungssystems für Brücken erarbeitet. Mit Abschluss des vorliegenden Projekts steht damit ein Systempaket für die Bewertung von Brücken in verschiedenen Leistungsphasen nach HOAI zur Verfügung. Nun kann sowohl eine Pre-Check Bewertung in der Leistungsphase 2 durchgeführt werden, als auch ein fertiggestelltes Bauwerk am Ende der Leistungsphase 8 bewertet werden. Die Pre-Check Bewertung kann zukünftig zur Entscheidungsfindung für die Festlegung einer Vorzugsvariante dienen. Nach Fertigstellung der Brücke kann dann die Pre-Check Bewertung mit der Bewertung des fertiggestellten Bauwerks verglichen werden. Hierbei ist besonders die Prognosequalität des Pre-Checks im Hinblick auf das endgültige Bewertungsergebnis für das fertiggestellte Bauwerk interessant. Durch die klare Trennung der Bewertung des Ist-Zustands (fertiggestelltes Bauwerk) von der Prognose der Nachhaltigkeitsqualität im Rahmen des Pre-Check, gewinnt die Bewertung an Transparenz.
127
Dieser Beitrag gibt einen Überblick über Instandsetzung und Verstärkung von Stahlbrücken mit Schäden im Bereich von Anschlüssen im Längssystem orthotroper Stahlbrücken, im speziellen bei Längssteifen aus Y-Profilen. Basierend auf Literatur und Recherche, wurden im Projekt Ermüdungsrisse, die an existierenden Stahlbrücken mit Y-Profilen beobachtet wurden, zusammengestellt und kategorisiert. Eine Reihe der im Rahmen des Projektes ausgewerteten Erfahrungsberichte zeigte, dass rein schweißtechnische Instandsetzungen auf Dauer nicht erfolgreich waren. Deshalb wurden für die detaillierten Untersuchungen nur Maßnahmen mit mechanischen Verbindungsmitteln vorgesehen. Die an Y-Profilen entwickelten Instandsetzungs- und Verstärkungsmaßnahmen wurden in 20 Ermüdungsversuchen experimentell analysiert. Die originalen Prüfkörper wurden entsprechend den Fertigungsplänen bestehender Brücken hergestellt. Nach den Ermüdungsversuchen wurden die Prüfkörper repariert und unter den gleichen Randbedingungen erneut geschwungen. Bei der ersten Versuchsreihe wurde eine Verstärkung mit Seitenwinkel und Lasche vorgesehen, bei denen die Winkel im geschlossenen Teil der Y-Profile mit Blindnieten befestigt waren. Die Blindnieten zeigten kein Versagen und erst bei deutlich höherer Schwingzahl als im Originalzustand ging z.T. von der künstlichen Rissspitze ein neuer Riss aus. Bei der zweiten Versuchsreihe mit Stegverstärkung konnten nach der gleichen maximalen Schwingspielzahl, die im Originalzustand zu Rissen geführt hatte, keine Risse dokumentiert werden. In der 3. Versuchsreihe, die im Bereich des 1/2 I-Profils mit einer Zusatzlasche repariert worden war, ging nach Verstärkung mit Zusatzlasche bei geringerer Schwingzahl als im Originalzustand ein Riss vom künstlichen Ermüdungsriss bzw. vom Bohrloch der angeschraubten Lasche aus. Bei der Auswertung wurden mit Hilfe eines numerischen Modells die Ermüdungsversuche validiert, um die Wirksamkeit der Maßnahmen zu bewerten. Insgesamt konnte das Vorhaben erfolgreich beendet werden. In weiterfühgrenden Untersuchungen sollten vor allem die versuchstechnischen Untersuchungen systematisch ergänzt werden.
125
Die Zielsetzung des vorliegenden Forschungsprojektes ist die Erarbeitung eines Vorschlags für ein nationales Nachhaltigkeitsbewertungs-/Zertifizierungssystem für Infrastrukturbauwerke. Das vorliegend entwickelte Bewertungssystem soll für die Beurteilung neu gebauter sowie bestehender Brückenbauwerke Verwendung finden. Die Bewertung der Bauwerke basiert auf dreiundzwanzig charakteristischen Kernkriterien, die den vier Nachhaltigkeitsaspekten "ökologische Qualität", "ökonomische Qualität", "soziale und funktionale Qualität" sowie "technische Qualität" zugeordnet wurden. Den Kriterien wurden über eine inhaltliche Kurzbeschreibung hinaus kennzeichnende Indikatoren sowie Ziel-, Grenz- und Referenzwerte zugeordnet und zielführende Methoden zur Bestimmung vorgeschlagen. Wichtige Voraussetzung für die Aufnahme eines Kriteriums in das Bewertungssystem war die objektive Messbarkeit. Kriterien, für deren Messung oder Ermittlung noch keine wissenschaftlich anerkannte Methode entwickelt werden konnte, wurden vorerst zurückgestellt. Als Zeitpunkt für die Zertifizierung ist die Bauwerksfertigstellung vorgesehen. Eine Bauwerksbewertung ist jedoch bereits in der Planungsphase zu erstellen, um ggf. die Nachhaltigkeit des Bauwerkes zu verbessern und eine Bauwerksuntersuchung und den Vergleich zwischen unterschiedlichen Lösungsvarianten zu ermöglichen. Vor Einführung des Zertifizierungssystems in die Praxis ist eine Festlegung, Überprüfung und Abstimmung von Referenz-, Grenz- und Zielwerten mit Praxiswerten und Erfahrungen für jedes Kriterium notwendig. Diese Kenngrößen bilden den Bewertungsmaßstab für die ermittelten Indikatorwerte. Dieser und entsprechender weiterer Forschungsbedarf wurde identifiziert und zielführende Handlungsempfehlungen formuliert. Das vorliegende Projekt wurde im Rahmen der Arbeitsgruppe Infrastrukturbauwerke des Verbandes Beratender Ingenieure (VBI) im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) im Zeitraum Mai 2010 bis Dezember 2010 bearbeitet. Grundlage für das Forschungsvorhaben bildet zum einen das Deutsche Gütesiegel Nachhaltiges Bauen (DGNB) und zum anderen die Arbeitsergebnisse der Arbeitsgruppe Infrastrukturbauwerke. Das vorliegende Bewertungs- und Zertifizierungssystem für Brückenbauwerke stellt den ersten Baustein im Gesamtbewertungssystem der Infrastrukturbauwerke dar. Im Gesamtbewertungssystem für Infrastrukturbauwerke sollen alle Bauwerke einer Trasse bewertet werden, um z.B. unterschiedliche Trassenführungen/Varianten miteinander vergleichen zu können. Hierbei sei explizit darauf hingewiesen, dass die Nachhaltigkeitsbewertung von Infrastrukturbauwerken die Durchführung eines Planfeststellungsverfahrens, wie es häufig gesetzlich vorgeschrieben ist, nicht ersetzen, sondern dieses vielmehr ergänzen soll.
131
Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes war das Bewertungsverfahren aus FE 15.494/2010/FRB "Entwicklung einheitlicher Bewertungskriterien für Infrastrukturbauwerke in Hinblick auf Nachhaltigkeit" an fertiggestellten Bauwerken in der Praxis erstmalig anzuwenden und kritisch zu überprüfen. Die Bearbeitung erfolgte durch ein Konsortium von Forschungseinrichtungen der TU Darmstadt, der TU München und der Universität Stuttgart, sowie den Ingenieurbüros Büchting+Streit AG, SSF Ingenieure AG und der LCEE GmbH. Als Ergebnis wird die Anwendbarkeit des Bewertungssystems festgestellt und es werden Empfehlungen zur Verbesserung des Bewertungsschemas und der Bewertungskriterien im Schlußbericht zusammengefasst. Das vorliegende Projekt wurde im Rahmen der Arbeitsgruppe Nachhaltige Straßeninfrastruktur im BMVBS im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) im Zeitraum September 2011 bis Juli 2012 bearbeitet. Die Grundlage für das Forschungsvorhaben bildet das bereits angesprochene FE-Vorhaben 15.494/2010/FRB.
126
Das Forschungsprojekt "Konzeptionelle Ansätze zur Nachhaltigkeitsbewertung im Lebenszyklus von Elementen der Straßeninfrastruktur" hat zum Ziel, eine einheitliche Basis für die Entwicklung von Bewertungssystemen der Nachhaltigkeitsqualität von Straßeninfrastruktur zu schaffen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist zunächst ein einheitliches Verständnis für den Begriff Nachhaltigkeit notwendig. Der Forschungsnehmer hat daher den Begriff Nachhaltigkeit als eine gleichgewichtige Beurteilung von ökologischen, ökonomischen und sozialen Aspekten definiert. Dies entspricht der aktuellen wissenschaftlichen Begriffsauffassung, wie sie sich auch im Bericht der Enquete-Kommission des Deutschen Bundestages "Schutz des Menschen und der Umwelt. Ziele und Rahmenbedingungen einer nachhaltigen zukunftsverträglichen Entwicklung" sowie im Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen (bnb) des BMVBS wiederfindet. Zur Beurteilung der Nachhaltigkeitsqualität wurden verschiedene Entscheidungsverfahren untersucht. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die Nutzwertanalyse ein geeignetes Instrument ist. Hierdurch können verschiedene Aspekte getrennt analysiert werden und der jeweilige Nutzen für das gewünschte Ziel transparent und nachvollziehbar dargestellt werden. Alle Ergebnisse sind in ein Konzept eingeflossen, welches die zukünftige Bewertung von Straßeninfrastruktur ermöglichen soll. Dieses Konzept sieht eine Matrix vor, welche sich zum einem am Lebenszyklus von Straßeninfrastrukturbauwerken orientiert und zum anderen die Straßeninfrastruktur in die 4 Elemente "Freie Strecke", "Knotenpunkt", "Brücke" und "Tunnel" unterteilt. Innerhalb dieser Matrix wurden 6 Module definiert, die die Bewertungszeitpunkte im Lebenszyklus beschreiben. Von diesen 6 Modulen beziehen sich 4 Module auf die Bauwerksplanung und -erstellung und 2 Module auf die Bauwerksabnahme sowie den Betrieb des Bauwerkes. Innerhalb jedes dieser Module sollte eine Nachhaltigkeitsbewertung mittels einer Nutzwertanalyse durchgeführt werden.
124
Zur Vereinheitlichung der Vorgehensweise bei der Nachrechnung von Straßenbrücken wurde in Deutschland im Mai 2011 die "Nachrechnungsrichtlinie" eingeführt. Im Rahmen des vorliegenden, von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) initiierten Forschungsvorhabens wurden in den vergangenen Monaten die Ergebnisse zu insgesamt etwa 150 nachgerechneten Stahlbeton- und Spannbetonbrücken aus ganz Deutschland gesammelt und systematisch ausgewertet. Wesentliches Ziel des Projektes ist es, Grundlagen für eine noch effizientere Nachrechnung mit aussagekräftigen Ergebnissen zu schaffen. In diesem Bericht werden zunächst typische "rechnerische Defizite" benannt, welche Zusatzbetrachtungen erforderlich machen, die über die Anwendung der Sonderregelungen der Nachweisstufe 2 hinausgehen. Anschließend werden Empfehlungen zur Nachrechnung allgemein sowie zum Umgang mit typischen, rechnerischen Stufe-2-Defiziten gegeben und es werden Vorschläge zur Aufbereitung von Nachrechnungsergebnissen vorgestellt und diskutiert.
123
Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Verbesserungsbedarf für Ermüdungsnachweise gemäß Nachrechnungsrichtlinie zu identifizieren und darauf aufbauend Anpassungs- und Ergänzungsvorschläge zu formulieren sowie weiteren Forschungsbedarf zu benennen. Da die Gesamtheit aller für den Ermüdungsnachweis an Stahl- und Verbundbrücken in Frage kommenden Nachweisverfahren und Anwendungsfälle sehr umfangreich ist, wurden Untersuchungen zu den verschiedenen Nachweiskonzepten an einer repräsentativen Auswahl vorhandener Straßenbrücken durchgeführt und hieraus entsprechende Verbesserungsvorschläge für die Regelungen der Nachrechnungsrichtlinie abgeleitet. Nachfolgend werden die wesentlichen Ergebnisse stichpunktartig zusammengefasst: 1) Die Verwendung von bauwerksspezifischen Daten (z.B. Daten aus Verkehrszählungen) kann die Nachweisgenauigkeit erheblich verbessern. Jedoch bleiben folgende Fragen bisher unbeantwortet: - Wie kann das zukünftig steigende Verkehrsaufkommen bzw. das gegenüber der Zählung geringere Verkehrsaufkommen vergangener Jahrzehnte berücksichtigt werden? - Wie können die Daten einer Verkehrszählung auch im Zusammenhang mit dem bisherigen Konzept des modifizierten ELM 4 der Nachrechnungsrichtlinie verwendet werden? 2) Um das Nachweiskonzept der Nachrechnungsrichtlinie in Stufe 3 nachhaltig zu verbessern, wird die Einführung eines messdatenbasierten Schadensäquivalenzfaktors lambda meas vorgeschlagen. Mit Hilfe dieses Faktors könnten bauwerksspezifische Daten aus einfachen Dehnungsmessungen am Bauwerk unter Berücksichtigung des prognostizierten Verkehrszuwachses in den Nachweis eingehen und erheblich zur Verbesserung der Nachweisgenauigkeit beitragen. 3) Die Anwendung des Strukturspannungskonzeptes ist nur zu empfehlen, wenn folgende Punkte berücksichtigt werden: - Das Strukturspannungskonzept sollte aufgrund des hohen Modellierungsaufwandes nur zur Anwendung kommen, wenn keine eindeutige Kerbfallzuordnung nach dem gängigen Nennspannungskonzept möglich ist. - Für die Ermittlung der Hot-Spot-Spannungen ist die Art der Elementierung von entscheidender Bedeutung. Somit sollte die Nachrechnungsrichtlinie grundsätzliche Regelungen zur Elementierung und zur Spannungsextrapolation enthalten oder zumindest auf entsprechende Regelwerke verweisen. - Sind die Spannungspunkte bzw. Stützstellen über die Blechdicke (entlang von Blechkanten) oder entlang nicht flächiger Bauteile (wie z.B. Rundstahlhänger) anzuordnen, sollten Volumenmodelle mit feiner Elementierung und einem quadratischen Extrapolationsansatz (mit 3 Parametern) zur Anwendung kommen. - Bei einer Anordnung der Stützstellen über die Blechbreite / oder -länge können die Hot-spot-Spannungen auch anhand eines Flächenmodels sowie auf Grundlage eines groben FE-Netzes bestimmt werden. Zur Unterscheidung zwischen grober und feiner Elementierung. - Bei tragenden und nicht voll durchgeschweißten Nähten ist ergänzend zum Nachweis des Grundmaterials stets der Ermüdungsnachweis für ein Versagen der Schweißnaht selbst zu führen, da dieser Fall nicht mit dem Strukturspannungskonzept abgedeckt wird. 4) Da Stahlbrücken im Straßenbrückenbau häufig große Stützweiten aufweisen, erscheint es lohnenswert, mit Hilfe von Vergleichsrechnungen für verschiedene Systeme und Stützweiten eine einfache Ausschlussregelung auf Grundlage der Brückenklassen 60 und 60/30 zu entwickeln, bei welcher der Ermüdungsnachweis in Haupttragrichtung generell entfallen kann. Für Neubauten existiert eine derartige Regelung bereits im DIN Fachbericht 103 für Hauptträger von Straßenbrücken mit Einflusslinienlängen von L ≥ 45 m und mit Kerbfällen von ΔσC ≥71 N/mmÌ£2. 5) Bezüglich probabilistischer Nachweismethoden enthält die Nachrechnungsrichtlinie bisher weder nähere Angaben zum Ansatz von Lastkollektiven auf Basis von Verteilungen, noch finden sich Angaben zu statistischen Parametern auf der Widerstandsseite wie zum Beispiel der Streuung der Wöhlerlinien oder der Grenzschadensumme. Gerade um eine Vergleichbarkeit und Prüfbarkeit für probabilistische Nachweise zu ermöglichen, ist die Festlegung bestimmter Eingangsgrößen in der Richtlinie unabdingbar.
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Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden für verschiedene Tunnel mit Rechteck- und Gewölbequerschnitt mit dem Regelquerschnitt RG 31t (bzw. RQ 10,5), die orts- und zeitabhängigen Verteilungen der Gastemperatur, der Gasgeschwindigkeit und Gaszusammensetzung, der adiabaten Decken- und Wandtemperaturen sowie der zeitliche Verlauf der Wärmefreisetzungsrate und des Durchwärmungsverhaltens bestimmt werden. Betrachtet wurden Tunnel mit konstanter Längsneigung von 3 % sowie ein Tunnel mit muldenfoermigem Längsprofil (Richtungs- und Gegenverkehr). Bezüglich der Austrittgeschwindigkeit wurden die Szenarien 20,6 kg/s und 300 kg/s unterschieden. Zusätzlich im Fall A ein mit Holzpaletten beladenen LKW und im Fall B zusätzlich noch weitere PKW und LKW berücksichtigt. In einem originalmaßstäblichen Großbrandversuch wurde zur Klärung offener, aus der Modellierung resultierender Fragen ein Unfall in einem Richtungsverkehrstunnel zwischen einem LKW, der mit ca. 3,7 t Europoolpaletten beladen war, und einem PKW nachgebildet. Insgesamt wurden 3 Mittelklasse-PKW im Versuchstunnel positioniert. Die Brandlast betrug ca. 123 GJ. Anhand durchgeführter Plattenbrandversuche wurde festgestellt, dass die Schichten aus spritzbarem Faserbeton des Systems RUB sowie die Fertigteilschutzschichten des Systems HOCHTIEF ein relativ geringes bzw. kein Abplatzverhalten aufweisen und bei Brandbeanspruchung jeweils einen signifikanten thermischen Schutz der Stahlbetonkonstruktion gewährleisten können. Es konnte gezeigt werden, dass Auswirkungen auf die Tragstruktur nicht größer sind als infolge eines Brands, dessen Temperatur-Zeit-Verlauf dem ZTV-ING-Verlauf entspricht. Es sei aber angemerkt, dass aus den Szenarien unter noch ungünstigeren Bedingungen (z.B. im Falle eingeschränkt funktionsfähiger Schlitzrinnen) Auswirkungen entstehen könnten, die nur durch den verlängerten ZTV-ING-Temperatur-Zeit-Verlauf abgedeckt wären.
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Verkehrsbauwerke im Zuge von Bundesfernstraßen werden gemäß Stand der Technik nach DIN 1076 untersucht. Sofern bei der handnahen Prüfung Schäden festgestellt werden, deren Ursache und Umfang unklar sind, erfolgt die Durchführung einer objektbezogenen Schadensanalyse (OSA) nach dem Leitfaden der BASt. Zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau-Verfahren) werden bislang nur in geringem Umfang eingesetzt. Detaillierte Untersuchungen mit Bauwerkscannern werden im Rahmen der OSA bislang gar nicht eingesetzt. Die Aufgabenstellung dieses Forschungsvorhabens ist die Integration von ZfPBau-Verfahren in Form von Handmessungen und automatisierter Datenaufnahme mit Baustellenscannern in den Untersuchungsprozess nach DIN 1076 bzw. der nachfolgenden OSA. Das Gesamtziel bestand darin, die Leistungsfähigkeit von Bauwerkscannern für Prüfaufgaben im Rahmen der OSA zu verbessern und ihre Einsetzbarkeit praxisorientiert zu gestalten. Dies wurde an geeigneten Fragestellungen und Bauwerken gezeigt. Die Vorgehensweise, um den bestmöglichen Nutzen aus dem Einsatz des OSSCAR-Scanners zu erreichen, konzentriert sich auf die automatisierte Datenaufnahme und kombinierte Datenauswertung durch Vergleich von Radar, Ultraschall und Wirbelstrom. Um die automatisierte Datenaufnahme zu verbessern, wurden Geräteparameter wie Messpunktabstand, Messzeit an einem Punkt und Verfahrensgeschwindigkeit der Achsen den Bauteilbedingungen bestmöglich angepasst. Darüber hinaus wurde eine Strategie erarbeitet, die es erlaubt, Rüstzeit und Messzeit des Scanners zu verkürzen. Durch den Vergleich der Ergebnisse der Verfahren Radar, Ultraschall und Wirbelstrom, die auf der Basis von kongruenten Messflächen gewonnen wurden, ist der Mehrwert an Information hinsichtlich der inneren Konstruktion festgestellt worden.
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Zunehmender Verkehr, Schädigungsprozesse sowie neue Bemessungsnormen bedingen in letzter Zeit vermehrt eine Nachrechnung von bestehenden Brückenbauwerken. Die derzeit auf Basis der Nachrechnungsrichtlinie oder der DIN-Fachberichte durchgeführten Nachrechnungen von Bestandsbrücken zeigen häufig rechnerische Defizite. Um diese Defizite auszugleichen, ermöglicht die Nachrechnungsrichtlinie u.a. die weitere verkehrliche Nutzung durch kompensierende Überwachungsmaßnahmen abzusichern. Eine Bewertung einer Monitoringmaßnahme im Sinne einer Kompensation bzw. die explizite Quantifizierung des Sicherheitsgewinns im Sinne der Sicherheitstheorie wird aufgrund fehlender Ansätze derzeit häufig nicht oder nur stark vereinfacht vorgenommen. Im Rahmen des Projektes wurden Ansätze zur Quantifzierung des Sicherheitsgewinns durch kompensierende Monitoringmaßnahmen auf der Basis der Wahrscheinlichkeitstheorie entwickelt. In Abhängigkeit der Maßnahme (Schwellwertüberwachung oder Einwirkungsüberwachung) sowie dessen Versagenswahrscheinlichkeit wurden dabei reduzierte Teilsicherheitsbeiwerte bestimmt. Darüber hinaus wurden für typische Defizite von Betonbestandsbrücken geeignete Monitoringkonzepte einschließlich Sensorik vorgeschlagen und diskutiert. Zur Erprobung der Methodik einer kompensierenden Monitoringmaßnahme wurde eine kompensierende Schwellwertüberwachung an der vierspurigen Hochstraße Gifhorn realisiert. Das gewählte Überwachungskonzept umfasste das einer kontinuierlichen Schwellwertüberwachung in Kombination mit intermittierenden Probebelastungen. Hierbei wurde ein primäres permanentes, statisches Messsystem aus 18 Schwingsaitensensoren temporär durch ein sekundäres, dynamisches Messsystem aus 12 induktiven Wegaufnehmern ergänzt. Nach einer Kalibrierung des FE-Modells mithilfe von Messergebnissen der ersten Probebelastung unter definierter Belastung wurden sowohl absolute als auch relative Schwellwerte für die Messwerte der Schwingsaitenaufnehmer festgelegt und getestet.