DE102021004852A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung und Bestimmung der mechanischen Spannung in Bauwerken und Bauwerksteilen aus Beton - Google Patents

Abstract

1. Vorrichtung zur Überwachung und Bestimmung der mechanischen Spannung in Bauwerken und Bauwerksteilen aus Beton.2.1 Das Messverfahren hat die Aufgabe mechanische Spannungen und Spannungsumlagerungen in Bauwerken und Bauteilen aus Beton in-situ und online zu überwachen und zu bestimmen.2.2. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Ultraschallsensoren aus einer PVDF-Folie auf einem Messkörper befestigt sind und im Beton die Laufzeit der Ultraschallsignale innerhalb des Messkörpers mit einem TDC-Schaltkreis hochauflösend bestimmen.Erfindungsgemäß werden die Laufzeit und die Temperatur im Messkörper in-situ gemessen und mit Anfangswerten verglichen. Die Änderung der gemessenen Laufzeiten sind proportional zu den einwirkenden mechanischen Spannungen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und Bestimmung der mechanischen Spannung in Bauwerken und Bauwerksteilen, wie zum Beispiel Fundamente, Pfeiler, Tunnel, Lawinengalerien, Hallen, Staudämme oder Auflager von Brücken.
• Die Überwachung von Spannungsänderungen bestehender Bauwerke kann die Einflüsse durch Alterung, Temperatur, Belastungsänderungen der Tragwerke oder Veränderung im Baugrund erfassen.
• 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.
• Andere moderne elektronische Verfahren messen zum Beispiel mit Ultraschall.
• So hat jeder Festkörper eine spezifische Schallgeschwindigkeit, die abhängig ist von der Dichte und Elastizität des Festkörpers. Mit dem bekannten Sonic-Log wird die Laufzeit des von einem Sender am unteren Ende einer Sonde erzeugten Schallimpulses durch das das senkrechte Bohrloch umgebende Gestein zu einem oder mehreren Empfängern am oberen Ende der Sonde gemessen. Auch Festkörper aus Beton können mit Ultraschall durchschallt werden.
• Zur Ankopplung der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger wird dabei ein Koppelmedium verwendet.
• 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. Erfindungsgemäß 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 wechseln- den 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 die Messung der Spannung innerhalb der Baukörper und Bauwerke ermöglicht und durch den Vergleich und Analyse der gemessenen Werte mit älteren Werten mögliche Schä- digungen früh erkennt.
• 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.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der mechanischen Spannung zum Zweck der Früherkennung von Bauwerksschäden durch die Langzeitbeobachtung und des Vergleiches von Spannungsmessungen innerhalb der Bauwerke mittels Ultraschall, beruht 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 Kunststoffen besteht das Problem darin, dass viele Hochpolymere neben dem elastischen Verhalten auch ein plastisches Verhalten zeigen. Bedingung für den Einsatz von Kunststoffen ist ein genügend 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 sowohldurch 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. $$\mathrm{\sigma }\left(\text{Spannung}\right)=\text{E}\left(\text{E}-\text{Modul}\right)\times \mathrm{\epsilon }\left(\text{Dehnung}\right)$$

  
• 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 $${\text{L}}_{\text{T}0}={\text{L}}_{\text{T}}*{\text{K}}_{\text{T}}$$

  

  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 nach (5) mit der linearen Regression für die ausgewählten Sensoren zu $${\text{K}}_{\text{T}}=\mathrm{0,94684}\text{ ns}°{\text{C}}^{-1}$$

  

  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-Digi- tal-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.
• Ausführungsbeispiele
• 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 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur permanenten Messung der mechanischen Spannung in Beton
• In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Messung der mechanischen Spannung in Bauwerken aus Beton dargestellt. Der Messkörper (10) mit 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.
• 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 liegt, 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.
• 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.
• 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

Mechanische Spannung

• 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 [0010]
• DE 19830196 [0012]

Claims (4)

1. Verfahren zur Überwachung und Bestimmung der mechanischen Spannung in Bauwerken und Bauwerksteilen aus Beton, 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) das 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), welche die Temperatur des homogenen, isotropen und elastischen Messkörpers zeitnah zur Aussendung und Empfang der Ultraschallwelle ermittelt, und d) das 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) das 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, f) die Temperaturmesseinrichtung (12) mit einer Recheneinheit (18) verbunden wird, wobei die Recheneinheit (18) aus der zuvor ermittelten Laufzeit der Ultraschallwelle zeitnah die herrschende Temperatur, diese Laufzeit in eine zum spläteren 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.
2. Vorrichtung zur Überwachung und Bestimmung der mechanischen Spannung in Bauwerken und Bauwerksteilen aus Beton, 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), 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 (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 - eine Einrichtung (22) zur Übermittlung der Daten an einem zur Auswertung geeigneten Ort, wobei die Datenübermittlung drahtlos oder drahtgebunden erfolgen kann.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (22) zur Datenübermittlung Teil eines RFID-Systems ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung drahtlos, zum Beispiel über elektromagnetische Wellen, mit Energie versorgt wird.

Images