DE102021004840A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung des Lebenszyklus von Bauwerken aus monolithischen Beton oder Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau - Google Patents

Abstract

1. Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Lebenszyklus von Bauwerken aus monotithischen Beton oder Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau.2.1. Aufgabe ist es, eine geeignete Bauwerksüberwachungseinrichtung zu schaffen, die unabhängig von den Anisotropien der Baukörper, über einen langen Zeitraum, während des gesamten Lebensdauerzyklus, die Messung der Spannungen unterschiedlicher Wirkungsrichtungen innerhalb der Baukörper und Bauwerke ermöglicht und durch den Vergleich und Analyse der gemessenen Werte mit älteren Werten mögliche Schädigungen früh erkennt.Das Monitoring besteht aus der Überwachung der Spannungszustände, der Temperatur und der Feuchte im Baukörper. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann schon bei der Fertigung der Bauwerke oder Betonelemente online und in-situ Messwerte drahtlos erfassen. Im Tunnelbau kann der vollständige Lebenszyklus von der Fertigung der Tübbings, über den Einbau hinter der TBM und während der gesamten Lebensdauer des Bauwerkes lückenlos erfasst werden.Weiterhin sollen zur Überwachung des Lebenszyklus des Bauwerkes zusätzliche wichtige Einflussgrößen, wie Temperatur und Feuchte erfasst werden.Die Stromversorgung und die Datenübertragung soll kabellos erfolgen2.2. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Ultraschallsensoren aus einer PVDF-Folie auf einem Messkörper befestigt sind und in unterschiedlichen Richtungen die Radial-, Tangential- und Axialspannung über die Laufzeit der Ultraschallsignale innerhalb der Messkörper hochauflösend bestimmen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Lebenszyklus von Bauwerken aus monotithischen Beton oder Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau.
• Das Monitoring besteht aus der Überwachung der Spannungszustände, der Temperatur und der Feuchte im Baukörper. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann schon bei der Fertigung der Bauwerke oder Betonelemente online und in-situ Messwerte drahtlos erfassen. Im Tunnelbau kann der vollständige Lebenszyklus von der Fertigung der Tübbings, über den Einbau hinter der TBM und während der gesamten Lebensdauer des Bauwerkes lückenlos erfasst werden.
• Stand der Technik
• Zur Spannungsermittlung an Bauwerken gibt es außer dem Umweg der Ermittlung geometrischer Größen mit optischen Geräten (Dehnungsmessung mit Faseroptischen-Sensoren oder Dehnmessstreifen) für die Erfassung der Bewegung von Bauteilen auch noch die Längenmessverfahren mit Schwingseiten oder faseroptischen Sensoren.
• Verfahren mit Dehnmessstreifen messen nur geometrische Veränderungen auf der Oberfläche von Bauwerken.
• Sollen mechanische Spannungen innerhalb von Bauwerken aus Beton gemessen werden sind diese ungeeignet.
• Verfahren mit faseroptische Sensoren sind aufwendig und mechanisch anfällig auf die Verletzung des Lichtwellenleiters.
• Zum Stand der Technik gehört auch die allgemeine Empfehlung zur Durchführung von Spannungsmessungen mit dem Schlitzentlastungs- und Kompensationsverfahren.
• Prädestinierte Objekte für das Verfahren sind unverwitterte Felsoberflächen, frische Ausbruchsflächen über- oder untertage, Ausbauschalen von Tunneln sowie, ganz generell, jede Art von Bauwerksteilen. Aus den versuchstechnisch ermittelten Randspannungen kann u.U. auf den Ausnutzungsgrad der Bauwerksteile hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit und damit auf die Sicherheit des geotechnischen Objekts geschlossen werden.
• Dabei werden die Entlastungsverschiebungen infolge Sägeschlitz durch den Kissendruck kompensiert. Wenn der ursprüngliche Zustand wieder erreicht ist, ist der Innendruck des Druckkissens p ein Maß für die lokale Normalspannung an senkrecht zum Sägeschlitz am Rand des Bauwerkteils. Die Auswertung der Versuchsergebnisse erfolgt nach Gleichung: $$\mathrm{\sigma }\text{n}=\text{p}*\text{Km}*\text{Ka}$$

  

  mit:
• σn = Normalspannung am Ausbruchsrand des Gebirges oder Bauteils
• p = Öldruck im Kissen bei vollkommener Kompensation
• Km = Formkonstante des verwendeten Druckkissens
• Ka = AJ /AC (Verhältnis zwischen Kissenfläche AJ und Schlitzfläche AC)
• Diese Verfahren besitzt erhebliche Nachteile:
• - Es ist ungeeignet zur Messung primärer (absoluter) Spannungszustände.
• - Es ist beschränkt auf direkt zugängliche Oberflächenmesspunkte.
• - Es ist ungeeignet für gestörtes, zerklüftetes, zerbrochenes, weiches und zur Verwitterung neigendes Gebirge.
• - Kein online Monitoring.
• - Es beschädigt das Bauwerk hinsichtlich der Dichtheit gegenüber Wasserzuflüssen.
• Andere moderne elektronische Verfahren messen zum Beispiel mit Ultraschall.
• Die WO 2010/015248A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gebirgsspannungsermittlung mit der Spannungsumlagerungen in-situ ständig erfasst werden können. In der Patentschrift wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Ultraschallsensoren aus einer PVDF-Folie auf einem Messkörper befestigt sind und in einer Bohrlochsonde die Laufzeit der Ultraschallsignale innerhalb des Messkörpers mit einem TDC-Schaltkreis hochauflösend bestimmt wird. Laut diesem Verfahren werden die Laufzeit und die Temperatur im Messkörper in-situ gemessen und mit Anfangswerten verglichen. Aus der Änderung der gemessenen Laufzeiten, die proportional zu den einwirkenden mechanischen Spannungen ist, werden die Gebirgsspannungen und deren Veränderungen online ermittelt.
• Methoden, die direkt die Ultraschallgeschwindigkeit in Bauwerken (meist Betonkörper) messen, sind sehr von den Eigenschaften des inhomogenen Baustoffes abhängig. So werden Messungen zur Festigkeit und des Abbindeverhaltens von Beton gemacht. Anwendungen zur Spannungsmessung an Beton in Bauwerken gibt es praktisch nicht. Mobile Messungen an Pfeilern oder Fundamenten scheitern, weil durch Inhomogenitäten des Baukörpers keine Vergleichbarkeit der Messung möglich ist.
• In der Patentschrift DE 198 30 196 wird ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes an Probenkörpern beschrieben. Die darin beschriebene Methode zur Ermittlung des Gebirgsspannungszustandes erfordert Probenkörperder Gesteine mit gegenüberliegenden Endflächenzur Anbringung der Ultraschallwandler.
• Die vorgenannte Methode ist zur in-situ Messung von Spannungszuständen und Spannungsumlagerungen in oder an Bauwerken nicht geeignet.
• Weiterhin sind im Stand der Technik die Druckabhängigkeit der Eigenschaften der Wellenausbreitung in unterschiedlichen Medien bekannt. Mit der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Kompressions- und/oder Scherwellen können richtungsabhängige Drücke und Spannungen gemessen werden. Anisotropien, Risse, Porenwasser etc. beeinflussen markant diese Messungen.
• Der messtechnische Einfluss von wechselnden Porositäten oder Feuchtegehalten kann weitüber dem spannungsabhängigen Anteil des Messeffektes liegen.
• Für die breite Anwendung der Messung von Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Ultraschallwellen muss daher der Einfluss wechselnder Betongüten und Zusammensetzungen möglichst ausgeschlossen werden.
• Aufgabenstellung
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine geeignete Bauwerksüberwachungseinrichtung zu schaffen, die unabhängig von den Anisotropien der Baukörper, über einen langen Zeitraum, während des gesamten Lebensdauerzyklus, die Messung der Spannungen unterschiedlicher Wirkungsrichtungen innerhalb der Baukörper und Bauwerke ermöglicht und durch den Vergleich und Analyse der gemessenen Werte mit älteren Werten mögliche Schädigungen früh erkennt.
• Flachliegende Tunnel in weichen Böden, wie Absenktunnel durch Meeresengen, verlangen eine besondere Aufmerksamkeit bei der Planung des Monitorings.
• Die Wirkung von Bodenbewegungen auf die Tunnelbauwerke hat großen Einfluss auf die resultierenden Kräfte und mechanischen Spannungen innerhalb der Tunnelsegmente und an den Stoßstellen.
• Weiterhin sollen zur Überwachung des Lebenszyklus des Bauwerkes zusätzliche wichtige Einflussgrößen, wie Temperatur und Feuchte erfasst werden.
• Die Stromversorgung und die Datenübertragung soll kabellos erfolgen
• Die Lösung der gestellten Aufgabe ist in den gekennzeichneten Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 beschrieben.
• Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder.
• Ein Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung des Lebenszyklus von Betonelementen, vorzugsweise im Tunnelbau ist die Messung der mechanischen Spannung durch die Langzeitbeobachtung und des Vergleiches von Spannungsmessungen innerhalb der Bauwerke mittels Ultraschall, beruhend auf dem akustoelastischen Effekt. Die Laufzeit eines Ultraschallimpulses innerhalb von inhomogen Bauwerken wird in homogenen und isotropen Messkörpern gemessen. Die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen ist abhängig von den elastischen Spannungen innerhalb des Messkörpers.
• Verwendet man als Messmedium ein elastisches nicht komprimierbares Medium, zum Beispiel einen Festkörper bekannter Zusammensetzung und ohne Anisotropien im Schallweg, kann man durch die Ermittlung der Schallgeschwindigkeitsänderung die mechanischen Spannungen im umgebenden Bauwerk ermitteln. Voraussetzung für diese Messung ist der form- und kraftschlüssige Schluss der Messkörper mit dem Bauwerk.
• Die Verbindung der Messkörper kann durchspeziellen Zement, zum Beispiel durch Einbetten in Bauteile, durch kraft- und formschlüssige Verbindungen, wie bei Auflagern von Bauteilen oder Widerlagern von Brücken erfolgen.
• Das Medium zur Aufnahme der Messkörpersoll inkompressibel und homogen sein. Das kann zum Beispiel ein Kunststoff mit geeigneter Festigkeit, ein Metall oder auch ein Kunststein (Beton) sein.
• Bei organischen Kunststoffen besteht das Problem darin, dass viele Hochpolymere neben dem elastischen Verhalten auch ein plastisches Verhalten zeigen. Bedingung für den Einsatz von Kunststoffen ist eingenügend großes E-Modul und ein elastisches Verhalten. Kriechfähige Kunststoffe sind für die Messung der Schallgeschwindigkeit ungeeignet.
• Weiterhin wird eine geringe Ultraschalldämpfung gefordert.
• Zur Erzielung einer hohen Auflösung werden möglichst kurze Sendeimpulse und steile Flanken des Empfangsimpulses benötigt. Das setzt eine gute Ultraschall-Leitfähigkeit der Messstrecken oder Messkörper voraus.
• Beim Einsatz von Metallen werden diese Forderungen weitestgehend erfüllt.
• Die Krafteinleitung über die Außenflächen in die Messkörper und die damit verbundene Stauchung, wird als negative Dehnung messtechnisch erfasst.
• Die Messung der Laufzeit der Ultraschallimpulse, d. h. die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit ist mit einem oder mehreren Ultraschallsensoren möglich. Dabei kann ein Sensor als Sender und Empfänger arbeiten und eine oder mehrere Reflexionendes Ultraschalls an der Wandung der Messstrecke auswerten. Auch zwei oder mehrere Ultraschallsensoren, d. h. getrennte Sender und Empfänger, können vorteilhaft verwendet werden.
• Der akustoelastische Effekt kann sowohl durch die Messung der longitudinalen (Schub-) Welle als auch durch die Messung der transversalen (Scher-) Welle, oder durch Auswertung der Veränderung beider Wellen erfolgen.
• Es gilt die Reversibilität zwischen Ausdehnung und Stauchung.
• Das hookesche Gesetz gilt nur für den Elastischen Bereich. $$\mathrm{\sigma }\left(\text{Spannung}\right)=\text{E}\left(\text{E}-\text{Modul}\right)*\mathrm{\epsilon }\left(\text{Dehnung}\right)$$

  
• Die Ultraschallleiter aus Metall erfüllen das hookesche Gesetz.
• Die Spannung σ ergibt sich aus der temperaturkompensierten Laufzeit L_T1, der Bezugslaufzeit L_T0 und dem akustoelastischen Faktor des Messkörpermaterials K_σ zu $$\mathrm{\sigma }=\left({\text{L}}_{\text{T1}}-{\text{L}}_{\text{T0}}\right)/{\text{K}}_{\mathrm{\sigma }}$$

  
• Dabei gilt für L_T1 die Messtemperatur T₁ des Messkörpers und für L_T0 die Bezugstemperatur.
  T₀ = 0 °C und die Bezugsspannung σ = 0.
• Wobei die temperaturkompensierte Laufzeit L_T0 aus der gemessenen Laufzeit L_T und dem Korrekturfaktor K_T ermittelt wird nach $${\text{L}}_{\text{T0}}={\text{L}}_{\text{T}}*{\text{K}}_{\text{T}}$$

  
• Der thermische Faktor K_T ist für einen großen Temperaturbereich eine nichtlineare Funktion $${\text{K}}_{\text{T}}=\text{f}\left(\text{T}\right)$$

  
• Der thermische Faktor K_T der Laufzeit bestimmt sich mit der linearen Regression für die ausgewählten Sensoren zu $${\text{K}}_{\text{T}}=\mathrm{0,94684}{\text{ ns}}^{\circ }{\text{C}}^{-1}$$

  
• Auf dem Sensorprüfstand wurde der akustoelastische Faktor K_σ, für die ausgewählte Metall-Legierung und Sensordicke, bestimmt zu $${\text{K}}_{\mathrm{\sigma }}=\mathrm{4,4585}{\text{ Mpa ns}}^{-1}$$

  

  bzw. $${\text{K}}_{\mathrm{\sigma }}=\mathrm{4,4585}{\text{ Nmm}}^{-2}{\text{ ns}}^{-1}$$

  
• Die relative Änderung der Wellengeschwindigkeit durch die mechanische Spannung bzw. Stresseinwirkung ist sehr klein. Dabei ist die Geschwindigkeitsänderung der Longitudinalwelle eine lineare Funktion.
• Es besteht in dem untersuchten Bereich bis 350 MPa eine lineare Abhängigkeit.
• Die Änderung der Schallgeschwindigkeit ist neben der Abhängigkeit von der einwirkenden mechanischen Spannung auch von der Temperatur abhängig.
• In der Praxis stellt sich der Temperaturausgleich zwischen Sonde und umgebendem Bauwerk ausreichend schnell ein. Größere Temperaturschwankungen sind im stationärem Einbau in Tunnel oder Fundamente nicht zu erwarten. Bei Anwendungen an Brückenpfeilern oder Dämmen, wo mit einer wechselnden Umgebungstemperatur zu rechnen ist, sind Temperaturmessungen zur Kompensation denkbar und sind leicht im Messkörper implementierbar.
• Durch das elastische Verhalten der Messstrecke zwischen den Ultraschallsensoren wird auch die Länge der Messstrecke verändert.
• Da bekannt ist, dass zum Beispiel die Änderung der Schallgeschwindigkeit durch die Einwirkung einer mechanischen Spannung (Stauchung der Messtrecke) dreimal so groß ist, wie der Einfluss der reinen Längenänderung (die durch diese Spannung oder Krafteinwirkung auf die Messtrecke entsteht) auf die Schallgeschwindigkeit, kann durch die Messung der Schallgeschwindigkeit, eine ausreichend genaue Ermittlung der Spannung der umgebenden Bauwerksteile erfolgen.
• Die oben dargelegten akustoelastischen Koeffizienten sind im Verhältnis zur absoluten Schallgeschwindigkeit sehr klein.
• Die direkte messtechnische Auswertung durch eine übliche Laufzeitmessung (time of flight) nur mit Mikroprozessoren ist zu ungenau, da hier die Auflösung nicht ausreicht.
• Eine direkte Impulsdauermessung über Mikroprozessoren scheidet aus, da die Zykluszeit (Rechentakt) um den Faktor 1000 bis 10000 größer ist als die geforderte nutzbare Auflösung. Messkörpervon wenigen Zentimetern Dicke ergeben bei nur einer Reflexion Laufzeiten des Ultraschallimpulses kleiner 10 µs.
• Sollen Belastungen von nur einigen MPa gemessen werden, muss die Auflösung unter 0,1 ns liegen.
• Zur Erfassung von Lastumlagerungen (oder auch Spannungsumlagerungen) in der Größenordnung von 100 kPa und kleiner können moderne Messanordnungen wie die TDC (Time-to-Digital-Converter) mit Auflösungen kleiner 50 ps verwendet werden. Wird mit einer ausreichend hohen Messrate gemessen, die über 1000 oder sogar 10000 Messungen pro Sekunde liegt, ist eine Auflösung in Picosekunden möglich.
• Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung des Lebenszyklus von Betonelementen, vorzugsweise im Tunnelbau, ist die Messung der Durchfeuchtung der Betonbauteile.
• Eine Möglichkeit der Erfassung des Wassersättigungsgrads von Beton stellt die Messung der relativen Luftfeuchtigkeit eines mit dem Beton im Gleichgewicht stehenden Hohlraums dar. Wandelt man die Messwerte der relativen Feuchte in standardisierte Werte der relativen Feuchte bei einer Temperatur um, so lässt sich daraus mit der spezifischen Adsorptionsisotherme für den verwendeten Beton der Wassersättigungsgrad von den zu überwachenden Betonelementen berechnen.
• Die Messung der relativen Luftfeuchte erfolgt in einer Messkammer, die im Betonelement fest eingegossen ist. Ein zur umgebenden Luft abdichtender Verschlussdeckel verhindert die Messwertverfälschung durch die Feuchte der umgebenden Luft oder durch Wasserzufluss von außen.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben werden. Es zeigen:
• 1 schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Überwachung des Lebenszyklus von Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau
• 2 schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Überwachung der Radial- und Tangentialspannung im Tunnelbau
• In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Überwachung des Lebenszyklus von Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau dargestellt. Die Messkörper (10) sind im Beton mit jeweils dem piezoelektrischen Bauteil (11), der Temperaturmesseinrichtung (12) und dem Bauteil (19), vorzugsweise ein digitaler 1-wire Sensor mit einer 64-bit-ROM-ID. Vorteilhaft ist die Verwendung eines 1-wire Temperatursensors, der die Temperatur mit einer Auflösung von 12 bit erfasst und eine eindeutige ID-Nummer zur Kennung der Vorrichtung bereitstellt.
• Die Umhüllung (13) hat mehrere Aufgaben zu erfüllen:
• - mechanischer und chemischer Schutz des Messkörper (10) mit dem piezoelektrischen Bauteil (11),
• - Übertragung der mechanischen Spannung vom Beton in den Messköper (10),
• - form- und kraftschlüssiger Verbund mit dem Beton.
• Die Umhüllung (13) wird vorteilhaft aus einer Mischung von mineralischen Füllstoffen und Polyester- oder Epoxidharzen hergestellt.
• Die mechanischen Eigenschaften der Polyester- und Epoxidharze werden dabei wesentlich verbessert. Damit werden Festigkeitszunahmen von 50% bis 75% erreicht. Das thermisch bedingte Schrumpfungsverhalten wird ebenfalls verringert. Wesentlich wird auch eine bessere Verzahnung des umhüllten Messkörpers (10) mit dem Beton erreicht.
• Besonders Quarzsand ist als Füllmaterial geeignet. Die Umhüllung kann auch mit mehreren Schichten erfolgen. Zum Beispiel: 1. Schicht aus 1 mm bis 2 mm Körnung 0-0,3 mm; 2. Schicht: Körnung bis 2 mm.
• Die Umhüllung (13) soll chemisch neutral und inkompressibel sein.
• Eine Kabelverbindung (14) verbindet das piezoelektrische Bauteil (11) mit einer Ultraschalleinheit (15), welche aus einem Bauteil zum Erzeugen eines Spannungsimpulses (16) und eines Verstärkers (17) besteht, und
  in einem Bauteil (20) die Laufzeit ermittelt.
• In der gezeigten Ausführungsvariante mit zwei Messkörpern (10) ist dem Verstärker (17) ein Analogschalter (25) vorgeschaltet. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsvariante ist auch ein mehrkanaliger Analogschalter (3 oder mehr Kanäle) einsetzbar. Es gibt Bauteile zur Laufzeitermittelung (20), die über zwei unabhängige Messkanäle verfügen. Bei Verwendung dieser Bauteile kann der Analogschalter (25) entfallen, wenn nur zwei Messköper (10) verwendet werden. Besonders geeignet sind die TDC (Time-to-Digital-Converter) mit Auflösungen im Bereich von Picosekunden. Wird mit einer ausreichend hohen Messrate gemessen, die über 1000 oder sogar 10000 Messungen pro Sekunde beträgt, ist eine stabile Auflösung in Picosekunden möglich. Die Schwankungen des Messwertes werden dann im Wesentlichen durch die Temperaturmessung (12) bestimmt. Die Korrektur der Laufzeit erfolgt über eine lineare Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur.
• Die Temperaturmesseinrichtung (12) ist mit einer Recheneinheit (18) verbunden, wobei die aus der zuvor ermittelten Laufzeit der Ultraschallwelle und der zeitnah ermittelten Temperatur, diese Laufzeit in eine zum späteren Vergleichen der zu unterschiedlichen Zeiten ermittelten Laufzeiten der Ultraschallwellen, von einem oder mehrereren Messeinrichtungen, in geeignete temperaturnormierte Laufzeiten und diese wiederum in mechanische Spannung umrechnet.
• Die Kabelverbindung (14) wird entlang der Bewehrung im Betonelement (Tübbing) mittels Kabelbinder verlegt.
• Ein Bauteil (19) ist Bestandteil eines digitalen 1-wire Sensor mit einer 64-bit-ROM-ID, welches die Messeinrichtung eindeutig kennzeichnet und dadurch eine Identifikation unverwechselbar gestattet. Die Messung der mechanischen Spannung (26) ist in Richtung der Ultraschallwelle (21).
• Ein Bauteil zur drahtlosen Stromversorgung (24) beinhaltet eine hier nicht dargestellte Empfangsspule für die resonante Induktion. Bei der Inspektion der Tübbings kann mit einer an einem Ausleger des Inspektionsfahrzeuges befestigten Sendespule Energie zur erfindungsgemäßen Vorrichtung übertragen werden. Über die Einrichtung zur Datenübertragung (22) werden die Messergebnisse bereitgestellt. Die Auswertung der Messergebnisse kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
• Im einfachsten Fall kann der Datenstream sofort vor Ort automatisiert ausgewertet werden. Da jeder Messstelle eine eindeutige ID zugeordnet ist, werden Veränderungen sofort erkannt und das Bauteil kann bei Bedarf sofort inspiziert und markiert werden.
• Die Bauteile (15) bis (18), (20) und (22) bis (25) sind vorteilhafterweise in einer wasserdicht vergossenen Elektronikeinheit (27) zusammengefasst. Diese wasserdichte Elektronikeinheit (27) füllt die im Tübbing fest einbetonierte Dose zur Aufnahme der Elektronikeinheit (29) teilweise aus. In dem verbliebenen Hohlraum zur Feuchtemessung (28) ist das Bauteil zur relativen Feuchtemessung außen an der wasserdichten Elektronikeinheit (27) angeordnet.
• In der Wand zum Beton des Tübbing befindet sich ein Bauteil zur Wasserdampfdifussion (30). Dieses Bauteil kann als semipermeable Membran ausgebildet sein. Beim Betonieren des Tübbings wird so das Volllaufen des Hohlraumes zur Feuchtemessung (28) verhindert . Im einfachsten Fall wird das Eindringen von Flüssigkeit während der Herstellung des Tübbing durch eine Abdeckung verhindert. Diese Abdeckung muss nach Härten des Betons entfernt werden.
• In 2 ist die schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Überwachung der Radial- und Tangentialspannung im Tunnelbau dargestellt .Die Dose (29) zur Aufnahme der wasserdichten Elektronikeinheit (27) befindet sich in der Tunnelinnenseite des Tübbing (36).
• Ein Deckel (38) verschließt die Dose (29) so dicht, das sich im Hohlraum zur Feuchtemessung (28) das Sättigungsgleichgewicht zwischen relativer Luftfeuchte und Materialfeuchte des Betons einstellen kann, ohne das die relative Luftfeuchte des Tunnelinnenraumes (37) die Messung verfälscht. Die Dose (29) wird vorteilhaft so in den Tübbing (36) eingebaut, das das Bauteil zur Wasserdampfdifussion (30) nach unten zeigt. Der Messaufnehmer (32) für die Radialspannung nahe an der Außenwand des Tübbings (36) zum Gebirge (38) plaziert. Die Messaufnehmer (34) für die Tangentialspannung (33) können je nach Anforderung angeordnet werden.
• Nicht dargestellt ist die Anordnung von Messaufnehmer für die Axialspannung. Die Messung der Axialspannung kann für Absenktunnel von Bedeutung sein, wenn mit Bodenbewegungen zu rechnen ist.
• Die Überwachung des,Lebenszyklus von Betonelementen kann sinngemäß auch mit stationärer Stromversorgung und Datenübertragung mit Kabel erfolgen.
• Die Verwendung der Messaufnehmer und die Dose (29) kann auch in Bauwerken und Tunnel mit monolithischer Bauweise erfolgen.
• Bezugszeichenliste

10

Messkörper

11

Piezoelektrisches Bauteil

12

Temperaturmesseinrichtung

13

Umhüllung

14

Kabelverbindung

15

Ultraschalleinheit

16

Bauteil zur Erzeugung eines Spannungsimpulses

17

Verstärker

18

Recheneinheit

19

Bauteil zur Identifikation

20

Bauteil zur Laufzeitermittelung

21

Ultraschallwelle

22

Einrichtung zur Datenübermittelung

23

Bauteil zur relativen Feuchtemessung

24

Bauteil zur drahtlosen Stromversorgung

25

Analogschalter

26

Mechanische Spannung

27

Wasserdichte Elektronikeinheit

28

Hohlraum zur Feuchtemessung

29

Dose zur Aufnahme der Elektronikeinheit

30

Bauteil zur Wasserdampfdifussion

31

Radialspannung

32

Messaufnehmer für Radialspannung

33

Tangentialspannung

34

Messaufnehmer für Tangentialspannung

35

Gebirge

36

Tunnelwand bzw. Tübbing

37

Tunnelinnenraum

38

Deckel

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• WO 2010015248 A2 [0012]
• DE 19830196 [0014]

Claims (5)

1. Verfahren zur Überwachung des Lebenszyklus von Bauwerken aus monolithischen Beton oder Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau, welches umfasst: a) wenigstens ein Bauteil, bestehend aus einen homogenen, isotropen und elastischen Messkörper (10), der der in allen Richtungen kraft- und formschlüssig im Beton eingebettet wird, und b) wenigstens ein piezoelektrisches Bauteil (11), eine Ultraschallwelle (21) in einen homogenen, isotropen und elastischen Messkörper in Richtung der zu messenden mechanischen Spannung aussendet und empfängt, und c) eine Temperaturmesseinrichtung (12), die Temperatur des homogenen, isotropen und elastischen Messkörpers zeitnah zur Aussendung und Empfang der Ultraschallwelle ermittelt, und d) wenigstens ein Bauteil (13) den Messkörper mit dem piezoelektrischen Bauteil und die Temperaturmesseinrichtung zum mechanischen und chemischen Schutz umhüllt, wobei dieses umhüllende Bauteil (13) gegenüber den Bauteilen (10), (11) und (12) und dem Beton chemisch neutral und inkompressibel ist, und e) über eine Kabelverbindung (14), das piezoelektrische Bauteil (11) mit einer Ultraschalleinheit (15), bestehend aus einem Bauteil zum Erzeugen eines Spannungsimpulses (16) und eines Verstärkers (17) verbunden wird, und in einem Bauteil (20) die Laufzeit ermittelt, gegebenfalls ein Analogschalter (25) vor dem Verstärker (17) weitere piezoelektrische Bauteile (11) einzeln zuschaltet, f) die Temperaturmesseinrichtung (12) mit einer Recheneinheit (18) verbunden wird, die Recheneinheit (18) aus der zuvor ermittelten Laufzeit der Ultraschallwelle zeitnah die herrschende Temperatur, diese Laufzeit in eine zum späteren Vergleichen der zu unterschiedlichen Zeiten ermittelten Laufzeiten der Ultraschallwellen, eines oder mehrerer Messkörper, in geeignete temperaturnormierte Laufzeiten und diese wiederum in mechanische Spannung umrechnet, und g) ein Bauteil (19), welches die Messeinrichtung eindeutig kennzeichnet und dadurch eine Identifikation unverwechselbar gestattet, und h) die Übermittlung der Daten mit einer Einrichtung (22) an einem zur Auswertung geeigneten Ort, wobei die Datenübermittlung drahtlos oder drahtgebunden erfolgt, i) ein Bauteil zur relativen Feuchtemessung (23), welches sich außerhalb der wasserdichten Elektronikeinheit (27) in einem, durch einen Deckel (38) gegenüber dem Tunnelinnenraum (37) abgedichteten Hohlraum zur Feuchtemessung (28), der über ein Bauteil zur Wasserdampfdifussion (30) mit dem Beton der Tunnelwand (36) verbunden ist, die Gleichgewichtsfeuchte ermittelt, die Recheneinheit (19) aus der Gleichgewichtsfeuchte und der Temperatur eine relative Feuchte bildet, j) die Recheneinheit (19) daraus mit der spezifischen Adsorptionsisotherme für den verwendeten Beton der Wassersättigungsgrad von den zu überwachenden Betonelementen berechnet, k) aus Messungen unterschiedlich orientierten Messaufnehmer mindestens eine der Spannungen, wie Tangentialspannung, Radialspannung, Axialspannung oder Hauptspannung bildet, und I) in einer Zeitreihe den Verlauf im Lebenszyklus bewertet.
2. Vorrichtung zur Überwachung des Lebenszyklus von Bauwerken aus monolithischen Beton oder Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau, welche umfasst: - wenigstens ein Bauteil, bestehend aus einen homogenen, isotropen und elastischen Messkörper (10) vorzugsweise aus Metall, der der in allen Richtungen kraft- und formschlüssig im Beton eingebettet ist, und -wenigstens ein piezoelektrisches Bauteil (11) vorzugsweise eine PVDF Folie, welches eine longitudinale Ultraschallwelle (21) in einen homogenen, isotropen und elastischen Messkörper (10) in Richtung der zu messenden mechanischen Spannung aussendet und empfängt, und - eine Temperaturmesseinrichtung (12) mit wenigstens 12 bit Auflösung, und -wenigstens ein, den Messkörper mit dem piezoelektrischen Bauteil und die Temperaturmesseinrichtung umhüllendes Bauteil (13), vorzugsweise aus einem Gemisch aus Epoxidharz mit oder ohne mineralischen Füllmaterial oder aus einem Gemisch von Polyesterharz mit oder ohne einem mineralischem Füllmaterial, welches zum mechanischen und chemischen Schutz dient, wobei dieses gegenüber den umhüllten Bauteilen (10), (11) und (12) und dem Beton chemisch neutral und inkompressibel ist, und - eine Kabelverbindung (14), welche das piezoelektrische Bauteil (11) mit einer Ultraschalleinheit (15), bestehend aus einem Bauteil zum Erzeugen eines Spannungsimpulses (16) und eines Verstärkers (17), oder eines dem Verstärker (17) zusätzlich vorgeschalteten Analogschalters (25), die jeweils mit einem Bauteil zur Laufzeitermittlung (20), vorzugsweise ein TDC Schaltkreis, verbunden sind und die Temperaturmesseinrichtung (12) mit einer Recheneinheit (18) verbindet, und - ein Bauteil zur Feuchtemessung (23), und - ein abgeschlossener Hohlraum (28) mit einem Bauteil zur Wasserdampfdifussion (30) zur Bildung der Gleichgewichtsfeuchte, und - ein Bauteil (19), vorzugsweise ein digitaler 1-wire Sensor mit einer 64-bit-ROM-ID, welches die Messeinrichtung eindeutig kennzeichnet und dadurch eine Identifikation unverwechselbar gestattet, und -ein Bauteil zur drahtlosen Stromversorgung und, - eine Einrichtung (22) zur Übermittlung der Daten an einem zur Auswertung geeigneten Ort, wobei die Datenübermittlung drahtlos oder drahtgebunden erfolgen kann.
3. Vorrichtung zur Überwachung des Lebenszyklus von Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (22) zur Datenübermittlung Teil eines RFID-Systems ist.
4. Vorrichtung zur Überwachung des Lebenszyklus von Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung drahtlos, zum Beispiel über elektromagnetische Wellen, mit Energie versorgt wird.
5. Verfahren zur Überwachung des Lebenszyklus von Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau für Absenktunnel in durch Bodenbewegung gefährdeten Gebieten nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Spannungen, wie Axialspannung, Radialspannung oder Tangentialspannung gemessen und deren zeitlicher Verlauf ausgewertet wird.

Images