Erfolgreiche Erdbebenqualifikation einer Komponente der elektrischen Energieübertragung auf dem Mehrachsenschwingtisch der IABG

Einrichtungen zur Übertragung und Erzeugung von elektrischer Energie werden in allen Regionen der Welt errichtet, auch in solchen, in denen Erdbeben nicht ausgeschlossen werden können oder sogar erwartet werden müssen. Um die Sicherheit der Anlagen zu gewährleisten, ist hier der Nachweis der Standfestigkeit, Integrität und Funktion der Geräte und Komponenten unter erdbebenspezifischen Belastungen erforderlich. Im Wesentlichen sind dies Bodenerschütterungen, die sich auf Gebäude und Komponenten bis hin zu den einzelnen Geräten ausbreiten. Für die Nachweisführung existiert eine Vielzahl von landes- und regionalspezifischen Normen und Richtlinien mit unterschiedlichen Anregungsspektren, die die einwirkenden Belastungen beschreiben. Welche Normen und Prüfschärfen heranzuziehen sind, hängt davon ab, in welcher Region und in welchem Gebäude bzw. Stockwerk die Komponente eingesetzt werden soll. Standardkomponenten, die für den weltweiten Einsatz ohne Einschränkungen qualifiziert werden sollen, müssen dabei oft eine Vielzahl von Prüfspezifikationen erfüllen.

Die IABG berät bei der Auswahl der nachzuweisenden Belastungen und bei der Definition von Prüfspezifikationen, die alle zu berücksichtigenden Anforderungen abdecken. Experimentelle Nachweise auf dieser Basis erbringt die IABG seit mehr als 30 Jahren auf dem hierfür errichteten und ständig weiterentwickelten servohydraulischen Mehrachsen-Schwingtisch (HyMAS). Mit diesem Prüfstand können die seismischen Belastungen an Komponenten oder Gesamtsystemen bis zu einer Masse von 10 t in Echtzeit simuliert und das Verhalten der Prüflinge unter diesen extremen Belastungen messtechnisch überwacht werden, um sie so für den Einsatz zu qualifizieren.

Die experimentellen Nachweise werden bei der IABG im Bedarfsfall durch rechnerische Methoden begleitet und ergänzt. In der Vorbereitungsphase werden mit Hilfe von Modalanalysen und linearen Finite-Elemente (FE) - Berechnungen die Versuchsgerüste ausgelegt und optimiert, mit denen die Prüflinge auf dem Schwingtisch befestigt werden. Versuchsbegleitend lassen sich an den Prüflingen rechnerische Antwortanalysen im Zeit- und Frequenzbereich durchführen, um die Relevanz verschiedener Prüfanforderungen zu bewerten und die experimentellen Ergebnisse bezüglich Schwingungsverhalten und Festigkeit zu ergänzen und zu interpretieren. Durch Model-Update werden die verwendeten Modelle und Methoden verifiziert und optimiert. In der Regel erfolgt im Anschluss daran eine Schockantwortanalyse im Frequenzbereich. Für genauere Aussagen und Vergleiche mit Messdaten sind außerdem lineare und nichtlineare Analysen im Zeitbereich möglich.

Die Kombination aus experimentellen und rechnerischen Analysen erlaubt eine optimierte und kostengünstige Nachweisführung. Nach Abgleich eines FE-Modells mit Versuchsdaten hinsichtlich lokaler Steifigkeiten, Materialdaten und Dämpfung lassen sich die Versuchsergebnisse unter bestimmten Voraussetzung mittels rechnerischer Methoden auf Produkte ähnlicher Größe und Bauausführung übertragen.

In einem aktuellen Projekt mit einem Stufenschalter für Leistungstransformatoren kam die oben beschriebene Methodik zum Einsatz. Nach Abgleich des FE-Modells anhand von quasistatischen Versuchen sowie einer Modalanalyse wurde eine sehr gute Übereinstimmung der Eigenschaften erreicht. Somit ließ sich eine Schockantwortanalyse auf gesicherter Basis durchführen. Durch den kombinierten Ansatz konnten Bereiche, welche im Versuch für eine messtechnische Erfassung nur schwer zugänglich waren, mittels FE-Analyse unterstützt werden. Dies ermöglichte auch für schwer zugängliche Querschnitte eine lokale Spannungsanalyse und Festigkeitsbewertung.

Unsere Testlabore sind nach DIN EN ISO 17025 akkreditiert und erfüllen die hohen Qualitätsanforderungen im Bereich Vibrationsprüfung und Erdbebensimulation. Sie unterliegen darüber hinaus der regelmäßigen Qualitätsüberwachung durch die Deutsche Akkreditierungsstelle (DAkkS). Im Rahmen unserer Zusammenarbeit mit Produktherstellern und Anlagenbetreibern auf dem Gebiet der Schwingungsprüfung haben wir in den vergangenen Jahren über 800 Einzelprüfungen durchgeführt. Dies belegt eindrucksvoll unser Know-how als Test- und Entwicklungshaus.