DE20100489U1

DE20100489U1 - Gerät zur Bestimmung der Kennwerte von Boden und bodenähnlichen Materialien

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Publication number: DE20100489U1
Application number: DE20100489U
Authority: DE
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Priority date: 2001-01-05
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2011-01-06

Description

Geräte zur Bestimmung der Kennwerte von Boden und bodenähnlichen Materialien

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung von Kennwerten von Böden, das umfasst: eine Lastplatte, die ausgebildet ist, auf einem Boden aufzuliegen, eine Belastungsvorrichtung, die ausgebildet ist, die Lastplatte während sie auf dem Boden aufliegt mit einer Kraft F1 zu belasten, die so bemessen ist, dass sie eine Setzung s2 der Lastplatte in den Boden bewirkt, und eine Erfassungsvorrichtung, die ausgebildet ist, die Setzung s2 der Lastplatte zu erfassen.

Bislang wird ein leichtes Fallgewichtsgerät zur Bestimmung des sogenannten dynamischen Verformungsmoduls Evd von Böden oder Tragschichten ohne Bindemittel in situ eingesetzt. Es ist in der Technischen Prüfvorschrift für Boden und Fels im Straßenbau TP BF-StB Teil B 8.3 (Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen, Arbeitsgruppe Erd- und Grundbau, Titel "Dynamischer Plattendruckversuch mit Hilfe des Leichten Fallgewichtsgerätes", Ausgabe 1997) beschrieben. Hiernach besteht das Prüfgerät aus einer Stoßbelastungsvorrichtung mit

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Lastplatte (0 300 mm) und einer Setzungsmeßvorrichtung. Die Prüfung erfolgt in der Weise, dass die Lastplatte auf das Prüfplanum gelegt und die Belastungsvorrichtung auf die Lastplatte aufgesetzt wird. Der Bediener des Prüfgerätes lässt das Fallgewicht der Belastungsvorrichtung aus einer festgelegten Fallhöhe auf die Prüfgerätefeder fallen, wodurch unter der Stoßbelastung eine von der Tragfähigkeit des Bodens abhängige Setzung der Lastplatte hervorgerufen wird. Die Größe der Setzung wird auf mechanischem oder elektronischem Wege mit Hilfe eines mechanischen Schwingungsmessgerätes odereineselektronischen Setzungsmessgerätes bestimmt. Aus der Setzung wird der dynamische Verformungsmodul "Evd" des Bodens berechnet, der eine Kenngröße für die Tragfähigkeit des Bodens oder der Tragschicht ohne Bindemittel darstellt.

Die Messergebnisse können bei einigen z. Z. auf dem Markt vorhandenen Geräten vor Ort mit einem separaten Minidrucker ausgedruckt oder im Gerät gespeichert werden. Es ist möglich, die gespeicherten Messwerte später zur weiteren Auswertung an eine externe Auswertungseinheit zu übertragen.

Nachteilig ist, dass bisher nur die Endergebnisse (Datum, max. Setzung, dynamischer Verformungsmodul E_vd) gespeichert werden. Das Messprotokoll mit der Setzungskurve kann bisher nur unmittelbar nach der Messung auf dem Minidrucker ausgedruckt werden. Die Setzungskurve kann auch nicht auf der Anzeige dargestellt werden. Auch ist es bisher nicht möglich, im Gerät gespeicherte Messwerte nachträglich auf dem Minidrucker auszugeben. Außerdem muß das Gerät zum Übertragen der Daten auf einen PC mit ins Büro genommen werden. Die Anzahl der speicherbaren Messungen ist durch die Größe des Speichers im Setzungsmessgerät beschränkt. Wenn der Speicher im Setzungsmessgerät voll ist, müssen die Daten zum PC übertragen oder gelöscht werden, ansonsten ist keine weitere Speicherung von Daten möglich.

Ungünstig ist weiterhin, dass der Minidrucker ein separates Gerät ist, das über ein Kabel mit dem Setzungsmessgerät verbunden wird. Dieser Geräteaufbau ist auf der

Baustelle schlecht zu handhaben. Außerdem besitzt der Drucker eigene Akkus, die separat aufzuladen sind. Die Ladezeit für völlig entladene Akkus beträgt bei bisherigen Geräten 14h.

Nachteilig an den bisherigen Setzungsmessgeräten ist ferner, dass nur die Setzung der Lastplatte ausgewertet wird. Zudem geht die Größe der Kraft bei der Berechnung des dynamischen Verformungsmoduls bisher lediglich als konstanter Faktor ein. Diese Kraft wird für eine bestimmte Fallhöhe des Fallgewichts bei der Kalibrierung der Belastungsvorrichtung durch ein Prüfinstitut ermittelt, indem zwischen der Lastplatte und einer starren Unterlage eine Kraftmessdose zur Messung der Kraft angebracht wird. Die Kraft ist also lediglich für die bestimmte Fallhöhe und das entsprechende Fallgewicht bekannt, sodass bei der Durchführung einer Messung die Fallhöhe und das Fallgewicht beibehalten werden muss. Der dynamische Verformungsmodul liefert keine Aussagen über weitere Eigenschaften des mitschwingenden Bodens.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Gerät zur Bestimmung von Kennwerten von Böden der eingangs genannten Art bereitzustellen, das die vorstehend genannten Nachteile beseitigt.

Die Aufgabe wird durch ein Gerät zur Bestimmung von Kennwerten von Böden der eingangs genannten Art gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Erfassungsvorrichtung eine Kraftmesseinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, während der Setzung s2 der Lastplatte in den Boden die Kraft F1 zu erfassen.

Damit wird bei jeder Messung die von der Belastungsvorrichtung auf die Lastplatte ausgeübte Kraft erneut bestimmt. Es kann somit auf eine Eichung der Vorrichtung zur Festlegung der Kraft verzichtet werden. Ferner können unterschiedliche Fallgewichte aus unterschiedlichen Fallhöhen zur Belastung der Lastplatte eingesetzt werden.

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Die Kraftmesseinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, einen zeitlichen Verlauf der Kraft F1(t) während der Setzung s2 der Lastplatte zu erfassen. Damit kann nicht nur die maximale oder durchschnittliche Größe der Kraft ermittelt werden sondern auch der Anstieg und Abfall der von der Belastungsvorrichtung ausgeübten Kraft. Die Setzung der Lastplatte kann also für unterschiedliche Kraftverläufe ausgewertet werden, was die Aussagekraft der Messung erhöht.

Bevorzugt umfasst die Erfassungsvorrichtung eine Setzungsmesseinrichtung, die ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf der Setzung s2(t) der Lastplatte zu erfassen. Damit ist es wiederum möglich den Verlauf der Setzung der Lastplatte zu erfassen, was weiteren Aufschluss über die Eigenschaften des Bodens liefert.

Vorzugsweise umfasst die Erfassungsvorrichtung eine Beschleunigungsmesseinrichtung, die ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf einer Beschleunigung a2(t) der Lastplatte während der Setzung zu erfassen. Es kann somit die Setzung der Lastplatte mit deren Beschleunigung in Beziehung gesetzt werden. Dies liefert wiederum wertvolle Informationen über die Bodenbeschaffenheit.

Die Erfassungsvorrichtung kann eine Auswertungseinheit aufweisen, die mit der Setzungsmesseinrichtung, der Kraftmesseinrichtung und/oder der Beschleunigungsmesseinrichtung verbunden ist und ausgebildet ist, aus Messergebnissen der Setzungsmesseinrichtung, der Kraftmesseinrichtung und/oder der Beschleunigungsmesseinrichtung die Kennwerte des Bodens zu bestimmen. Die Bodenkennwerte können somit unmittelbar vor Ort nach der Messung ermittelt werden. Dem Anwender wird die Berechnung und Interpretation der Messergebnisse somit weitgehend abgenommen.

Die Auswertungseinheit kann dazu ausgebildet sein, aus dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigung a2(t) der Lastplatte einen zeitlichen Verlauf einer Geschwindigkeit v2(t) der Lastplatte und/oder den zeitlichen Verlauf der Setzung s2(t) der Lastplatte zu bestimmen. Zu Beginn der Messung ist die Setzung der Lastplatte s2(0) = 0 und

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deren Geschwindigkeit v2(0) = 0 null. Da a2(t) = dv2/dt = d²s2/dt² kann aus dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigung und den vorstehenden Randwerten v2(0) und s2(0) die Geschwindigkeit und Setzung zu jedem Zeitpunkt integriert werden, denn es gilt v2(t) =

t
fa2(t')dt'

und s2(t) =

t
fv2(t')dt^/

Der Setzungsverlauf und Geschwindigkeitsverlauf der Lastplatte kann somit ermittelt werden, ohne dies Größen direkt messen zu müssen.

Ferner ist die Auswertungseinheit ausgebildet, aus dem zeitlichen Verlauf der Kraft F2(t) sowie der Beschleunigung a2(t), der Geschwindigkeit v2(t) und der Setzung s2(t) der Lastplatte zumindest einen der Kennwerte Masse m2 der Lastplatte und des mitschwingenden Bodens, Dämpfung b₂ des Bodens und Federkonstante C₂ des Bodens anhand einer Bewegungsgleichung FKt) = m2a2(t) + b2v2(t) + c2s2(t) zu bestimmen. F1 (t) bezeichnet die auf die Lastplatte aufgeprägte Kraft. Die Lastplatte und der Boden werden in guter Näherung durch ein gedämpft schwingendes System S2 beschrieben. Die Masse m2 kennzeichnet die beschleunigte Masse des schwingenden Systems S2, also die Summe aus der Masse der Lastplatte und des beschleunigten Bodens. Der Term b2 kennzeichnet die Dämpfung des Bodens, also das Abklingverhalten des schwingenden Systems S2 und die Energieverluste, die in Form von Wärme auftreten. Zuletzt charakterisiert die Größe c2 die von dem Boden und der Lastplatte ausgeübte Rückstellkraft, also der Kraft,

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die der Setzung des Bodens entgegenwirkt. c2 entspricht der Federkonstanten einer ausgelenkten Feder. Somit beschreibt das System S2 eine durch die Kraft F1 (t) angeregte, gedämpfte Schwingung. Wenn die Größen F1 (t), a2(t), v2(t) und s2(t) zu jedem Zeitpunkt t bekannt sind, so können die Größen m2, v2(t) und s2(t) ermittelt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, die Bewegungsgleichung für drei Zeitpunkte ti, t2 und t3 auszuwerten und ein Gleichungssystem F1(t1) = m2a2(t1) + b2v2(t1) + c2s2(t1), Fl (t2) = m2a2(t2) + b2v2(t2) + c2s2(t2), F1(t3) = m2a2(t3) + b2v2(t3) + c2s2(t3) nach m2, b2 und c2 aufzulösen, um die Masse m2, die Dämpfung b2 und die Federkonstante c2 zu bestimmen. Das Gleichungssystem stellt drei lineare Gleichungen mit drei Unbekannten dar. Dies kann beispielsweise dadurch gelöst werden, dass die Gleichungen folgendermaßen zusammenfassengefasst werden: F1 =M*v, mit F1 =( F1(t1), F2(t2), F3(t3) ), v = (m2, b2, c2) und M =

fa2(tl) v2(t2) S2{tl)\

a2{t2) V2(t2) S2(t2) _ya2(t3) V2(t3) S2(t3))

Durch Invertieren der quadratischen Matrix M erhält man &ngr; = M"¹ *F1. Damit ist das Gleichungssystem nach m₂, b2 und c2 aufgelöst. Selbstverständlich können die Parameter auch auf andere Weise berechnet werden.

Die Auswertungseinheit ist vorzugsweise ausgebildet, eine Kraft F2(t) = F1 (t) m2a2(t) = b2v2(t) + c2s2(t) zu bestimmen. Aus der Kraft F2(t) kann der Kennwert Pressung p2(t) des Bodens ermittelt werden. Dazu wird die Kraft F2(t) durch die auf dem Boden aufliegenden Fläche A der Lastplatte geteilt. Die Auswertungseinheit kann ebenfalls dazu ausgebildet sein, aus der Kraft F2(t) und der Fläche A den Kennwert maximale Pressung p2max des Bodens zu bestimmen.

Ferner kann die Auswertungseinheit ausgebildet zumindest einen der Kennwerte dynamischer Elastizitätsmodul, dynamische Viskosität und dynamischer Dämpfungsgrad des Bodens aus der Fläche A, der Masse m2, der Dämpfung b2 und/oder

der Federkonstanten c2 zu bestimmen. Der Kennwert maximale Setzung s2max des Bodens wird aus dem zeitlichen Verlauf der Setzung s2(t), eine maximale Kraft F2max aus dem zeitlichen Verlauf der Kraft F2(t) und der Kennwert dynamischer Verformungsmodul Evd des Bodens aus der maximalen Setzung s2max, der maximalen Kraft F2max sowie der Fläche A zu bestimmen.

Das Gerät zur Bestimmung der Bodenkennwerte umfasst vorzugsweise eine Anzeigevorrichtung, die mit der Erfassungsvorrichtung verbunden und ausgebildet ist, die Messergebnisse der Kraftmesseinrichtung, der Setzungsmesseinrichtung und/- oder der Beschleunigungsmesseinrichtung und/oder Auswertungsergebnisse der Auswertungseinheit von der Erfassungsvorrichtung zu empfangen und anzuzeigen.

Ferner umfasst das Gerät vorzugsweise eine Speichervorrichtung, die mit der Erfassungsvorrichtung verbunden und ausgebildet ist, die Messergebnisse der Kraftmesseinrichtung, der Setzungsmesseinrichtung und/oder der Beschleunigungsmesseinrichtung und/oder die Auswertungsergebnisse der Auswertungseinheit von der Erfassungsvorrichtung zu empfangen und zu speichern. Das Gerät kann zudem eine Druckvorrichtung aufweisen, die mit der Erfassungsvorrichtung verbunden und ausgebildet ist, die Messergebnisse der Kraftmesseinrichtung, der Setzungsmesseinrichtung und/oder der Beschleunigungsmesseinrichtung und/oder die Auswertungsergebnisse der Auswertungseinheit von der Erfassungsvorrichtung zu empfangen und zu drucken.

Die Auswertungseinheit besitzt bevorzugt die Befähigung, Datensätze der zeitlichen Verläufe der Kraft F1(t), der Beschleunigung a2(t), der Geschwindigkeit v2(t) und/oder der Setzung s2(t) zu komprimieren. Die Kompression der Datensätze der zeitlichen Verläufe findet vorzugsweise durch eine Geradenapproximation der zeitlichen Verläufe. Dabei wird die Zeitachse in eine Reihe von aufeinanderfolgenden Intervallen aufgeteilt, und die Messswerte am Anfang und am Ende eines jeden dieser Intervall werden durch eine Gerade miteinander verbunden. Die Zeitintervalle werden dabei so gewählt, dass die maximale Abweichen der Messkurve im Bereich

eines Intervalls von der Geraden für dieses Intervall einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet. Die Näherung ist um so besser, je feiner die Zeitachse in Zeitintervalle aufgeteilt wird. Als Datensatz sind dann lediglich die Anfangs- und Endpunkte eines jeden Intervalls und die Messwerte der Kurve an diesen Anfangsund Endpunkten jeweils abzuspeichern. Der Kurvenverlauf kann aus diesem Datensatz rekonstruiert werden, indem die Messwerte am Anfang und Ende eines jeden Intervalls mit einer Geraden verbunden werden.

Die Speichervorrichtung umfasst vorzugsweise ein entnehmbares Speichermedium, das ausgebildet ist, von der Speichervorrichtung beschrieben zu werden. Dieses Speichermedium kann also ausgetauscht werden, wenn es von der Speichervorrichtung in Gänze beschrieben wurde. Somit ist es möglich mehr Daten mit dem Gerät aufzunehmen. Das Speichermedium ist ausgebildet, im entnommenen Zustand von einer externen Lesevorrichtung gelesen zu werden. Dazu wird es in die entsprechende Schnittstelle der Lesevorrichtung eingegeben. Die aufgenommenen Messdaten können somit an eine Lesevorrichtung übertragen werden. Zur Auswertung der aufgenommenen Kurven können diese über eine externe Lesevorrichtung in eine Datenverarbeitungsvorrichtung eingelesen werden, die sich nicht notwendigerweise am Ort der Messung befinden muss. Die Erfassungsvorrichtung kann eine Datenübertragungs-Ausgang aufweisen, der ausgebildet ist, Daten an eine mit dem Ausgang verbindbare Datenverarbeitungsanlage zu übertragen.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend anhand der beigefügten Zeichungen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Kompression eines Kurvenverlaufs durch Geradenapproximation, und

Fig. 2 ein Zweimassenschwingsystem gebildet aus Prüfgerät (System 1)

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und Boden mit Lastplatte (System 2).

Das Gerät zur Bestimmung der Kennwerte von Boden gemäß dem Ausführungsbeispiel umfasst: einer wasserdichten Gehäuse (IP64) mit durchsichtigem Deckel und Tragriemen, aufladbaren Akkus mit Schnelladevorrichtung, eingebautem Drucker, eingebauter Vorrichtung zum Lesen und Beschreiben von Chipkarten nach ISO
7816, grafischer Anzeige mit Tastatur sowie einem Ablagefach für das Zubehör. Das Gerät ermittelt die dynamischen Kennwerte auf Basis eines Zweimassenschwingermodells (siehe Fig. 2), insbesondere die Größen m2, b2, c2, den Verlauf der Kraft F2 und daraus den dynamischen Elastizitätsmodul, die dynamische Viskosität, den dynamischen Dämpfungsgrad und die im Boden wirkende Pressung p2. Das Gerät speichert die aktuellen Messergebnisse automatisch oder manuell auf einer ins Gerät eingesteckten Chipkarte, wobei sowohl Endergebnisse als auch Zeitverläufe der Messgrößen und Ergebnisse abgespeichert werden können. Das Gerät speichert die Zeitverläufe sowohl unkomprimiert als auch komprimiert nach der Methode der Geradenapproximation abgespeichert werden können (siehe Fig. 1). Die grafische Anzeige des Gerätes stellt die Ergebnisse und die Zeitverläufe der Messgrößen und Ergebnisse dar, wobei dies sofort nach der Prüfung aber auch nachträglich von auf der Chipkarte gespeicherten Daten erfolgen kann. Der Benutzer des Gerätes die Sprache der Bedienerführung und des Ausdrucks jederzeit ändern. Durch den durchsichtigen Deckel des Gerätes können die Ergebnisse auch bei geschlossenem Deckel abgelesen werden, wobei die glatte Rückseite des Deckels als Unterlage zur Beschriftung der ausgedruckten Protokolle verwendet werden kann. In dem Gerät ist folgendes abgespeichert:

die eindeutige Gerätenummer,

wann durch wen und mit welchen Kenngrößen das Gerät zuletzt

kalibriert wurde.

Diese Angaben können vom Benutzer nicht überschrieben werden.

Die auf der Chipkarte gespeicherten Daten könne sowohl mit einem Chipkartenleser auf einen PC übernommen und weiterverarbeitet werden, als auch über die serielle Schnittstelle des Gerätes auf den PC übertragen werden. Das Gerät kann mit wechselbaren Lastplatten oder Belastungsstempeln verschiedener Durchmesser und Fallgewichten unterschiedlicher Masse ausgestattet werden.

Das Ausführungsbeispiel ist ferner mit folgenden Verbesserungen ausgestattet:

graphische Anzeige mit Tastatur,

vom Benutzer einstellbare Sprache für Menüführung und Ausdruck die jeweils verwendete Lastplatte kann vom Benutzer im Gerät eingestellt werden als auch vom Gerät automatisch erkannt werden im Gerät und/oder auf der Chipkarte abgelegte Elemente zur Realisierung eines QS-Systems (ISO 9000 und ähnliche Normen), z.B. Zeitpunkt und Parameter der letzten Kalibrierung, Kalibrierinstitut, Gerätenummer, Zeitpunkt der Prüfung

eingebauter Chipkartenleser für EEPROM-Chipkarten nach ISO 7816, eingebauter Drucker,

aufladbare schnellladef ähige Akkus und Schnellladeautomatik (Ladezeit kürzer als 2h)
separates Ablagefach für Zubehör,

wasserdichtes Gehäuse (IP64) mit durchsichtigem Deckel und Tragriemen. Diese Verbesserungen können sowohl alle, als auch einzeln im beschriebenen Gerät realisiert sein.

Die Prüfung wird auf herkömmliche Weise durchgeführt. Auf der grafischen Anzeige werden dem Benutzer zusätzlich die Zeitverläufe der Messgrößen, sowie der ermittelten dynamischen Kennwerte angezeigt.

Wird in den Chipkartenleser eine Chipkarte eingesteckt, werden die aktuellen Messergebnisse automatisch oder manuell auf der Chipkarte gespeichert. Auf der

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Chipkarte werden sowohl die Endergebnisse als auch der Verlauf der Setzung der Lastplatte und der Kraft während jedes Stoßes gespeichert. Die Daten können mit einem separaten Chipkartenleser zur Auswertungseinheit übertragen werden. Das Gerät muss nicht mehr ins Büro mitgenommen und mit der Auswertungseinheit verbunden werden. Falls ein separater Chipkartenleser nicht vorhanden ist, können die Daten auch mit dem Gerät über die serielle Schnittstelle zur Auswertungseinheit übertragen werden.

Auf der Auswertungseinheit stehen nach der Übertragung die Messergebnisse als auch die Setzungs- und Kraftverläufe zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Zur Speicherung der Messungen können mehrere Chipkarten verwendet werden, sodass die Anzahl der speicherbaren Messungen nur durch die Anzahl der Chipkarten begrenzt wird. Auf jeder Chipkarte ist eine eindeutige Bezeichnung der Chipkarte und des verwendeten Gerätes abgelegt, wodurch die Chipkarte und das für die Messung verwendete Gerät zweifelsfrei identifiziert werden können. Weiterhin ist abgelegt, wann, mit welchen Kenngrößen, und durch wen das Gerät zuletzt kalibriert wurde, sowie der Zeitpunkt der jeweiligen Prüfung. Diese Daten können vom Anwender für den Aufbau eines QS-Systems verwendet werden, wie z.B. in den Normen ISO 9000 und ähnlichen beschrieben.

Das Messprotokoll einer bestimmten Messung kann jederzeit entweder direkt nach dem Versuch oder nachträglich von der Chipkarte auf dem Minidrucker des Gerätes ausgedruckt werden. Der Anwender kann die einzelnen auf der Chipkarte gespeicherten Datensätze durchsehen und per Knopfdruck die Endergebnisse zusammen mit der Setzungskurve und/oder Kraftkurve auf dem Minidrucker ausgeben. Die Datensätze auf der Chipkarte können einzeln oder komplett gelöscht werden.
Der durchsichtige Deckel des Gerätes kann z.B. bei Regen auch während einer Messung und während eines Druckes geschlossen werden. Durch den durchsichtigen Deckel ist es möglich, die Ergebnisse auch bei geschlossenem Deckel abzulesen. Außerdem kann im geschlossenen Zustand die glatte Rückseite des Deckels als Unterlage für die Beschriftung der Protokolle verwendet werden.

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Das Ablagefach dient zur Aufbewahrung von z.B. Ladegerät, Messkabel und Ersatzpapierrollen. Das elektronische Messgerät kann am Tragriemen umgehängt werden, sodass beide Hände für den Transport der Lastplatte und der Belastungsvorrichtung frei sind.

Die zur Zeit verfügbaren EEPROM-Chipkarten nach ISO 7816 haben nur eine geringe Speicherkapazität. Auf einer Chipkarte mit der Größe von 8 kBytes können bei unkomprimierten Zeitverläufen nur ca. 8 Messdatensätze abgespeichert werden. Durch Kompression - Geradenapproximation des Kurvenverlaufs - sind ungefähr 60 Datensätze speicherbar. Die tatsächliche Anzahl der Datensätze ist abhängig von der Struktur der Zeitverläufe. Die Daten können wahlweise nicht komprimiert oder komprimiert abgespeichert werden.

Die Geradenapproximation (Fig. 1) ist wie folgt realisiert. Der Setzungs- oder Kraftverlauf wird in mehrere Teilstrecken aufgeteilt, die so gelegt werden, dass die maximale Abweichung vom vorgegebenen Verlauf einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Beginnend vom Zeitpunkt 0 des Verlaufs wird der Endpunkt der ersten Teilstrecke gesucht. Der Endpunkt wird solange auf dem gemessenen Verlauf (Punkt 1,2,3 in Abb. 1) verschoben, bis der maximale Abstand zwischen der Strecke und dem gemessenen Verlauf einen vorgegebenen Wert erreicht. Damit ist die erste Strecke festgelegt (zwischen Pkt. 0 und 4 in Abb. 1). Dann wird der Anfangspunkt der zweiten Strecke auf die Koordinaten des Endpunktes der ersten Strecke gesetzt und der Endpunkt der zweiten Strecke nach der gleichen Vorgehensweise gesucht. Dieses Vorgehen wird bis zum Ende des Kurvenverlaufs fortgesetzt. Auf diese Weise wird der gesamte Kurvenverlauf durch Strecken angenähert. Auf der Chipkarte werden nur die Anfangs- und Endpunkte der ermittelten Strecken abgespeichert. Die maximal zulässige Abweichung wird so gewählt, dass die Abweichung vom originalen Verlauf innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt.

Aus den Zeitverläufen der beiden Sensoren (Kraft und Beschleunigung) die während

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eines Prüfstoßes vom Messgerät erfasst werden, können die Kenngrößen
(m2,c2,b2,F2) eines Zweimassenschwingsystems, sowie daraus entsprechende Bodenkenngrößen bestimmt werden, wobei diese Kenngrößen und die obengenannten Zeitverläufe vom Messgerät ausgegeben, auf Chipkarte gespeichert und auf einem Drucker ausgedruckt werden können. Dem Messprinzip liegt ein Zweimassenschwinger (Abb. 2) zu Grunde. Der Zweimassenschwinger besteht aus dem Erregersystem System 1 (Masse m1 - Fallmasse des Prüfgerätes, c1 - Prüfgerätefeder) und dem angeregten System 2 (Masse m2 - Masse der Lastplatte und des mitschwingenden Bodenhalbraumes, der Dämpfungsgliedes b2 (resultierend aus der Viskosität des Bodens) und der Federkonstante c2 ( Elastizitätsmodul des Bodens)).

Es werden folgende Zeitverläufe aufgezeichnet und ausgewertet:

die Beschleunigung der Lastplatte und des Bodens m2 (und daraus ermittelt der Geschwindigkeits-und Einsenkungsverlauf) (a2,v2,s2) der Kraftverlauf der eingetragenen Kraft beim Stoß (F1)

Der Kraftverlauf F1 ist Eingangsgröße des Systems 2, der Beschleunigungsverlauf a2 die messbare Ausgangsgröße. Unter Zuhilfenahme dieser Größen kann ein Gleichungssystem aufgestellt werden, das die Ermittlung der dynamischen Kennwerte des Bodens (m2, b2, c2) erlaubt. Im einfachsten Fall wird dieses Gleichungssystem für drei signifikante Zeitpunkte aufgestellt und gelöst. Das Gerät kann auch unter Zuhilfenahme der Methode der kleinsten Fehlerquadrate diese Größen basierend auf den Messwerten für den gesamten Zeitverlauf des Stoßes ermitteln. Aus den Lösungen des Gleichungssystems werden unter Berücksichtigung des Lastplattendurchmessers die bodentypischen Eigenschaften dynamischer Elastizitätsmodul, dynamische Viskosität, dynamischer Dämpfungsgrad ermittelt.

Zusätzlich wird der Kraftverlauf F2 aus a2*m2 und F1 rekonstruiert. Unter Berück-

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sichtigung des Lastplattendurchmessers kann damit auf die tatsächlich auf den Boden wirkende Pressung p2 geschlossen den, deren Maximalwert ermittelt wird. Die genannten Kenngrößen können alle angezeigt, ausgedruckt, abgespeichert und auf die Auswertungseinheit übertragen werden.

Bisher eingesetzte Fallgewichtsgeräte verwenden ein 10 kg Fallgewicht und eine Lastplatte mit 300 mm Durchmesser. Wegen der dadurch festgelegten Pressung sind diese Fallgewichtsgeräte nicht für die Prüfung aller Böden und Befestigungen geeignet. Bei dem hier beschriebenen Gerät besteht deshalb die Möglichkeit Fallgewichte mit anderen Massen und Lastplatten mit kleineren Durchmessern oder einen CBR-Stempel anstelle der Lastplatte einzusetzen. Ein Beispiel ist ein Gerät mit einem Fallgewicht von 1 kg und einem modifizierten CBR-Stempel mit 500 mm² Prüfstempelfläche { 0 25,2 mm ). Wie beim herkömmlichen CBR-Versuch wird der zu prüfende Boden in einem Prüfzylinder (0 150 mm) verdichtet und geprüft. Dieses Gerät ist besonders geeignet für die Laborbestimmung des Verformungsmoduls Ev.

Claims

1. Gerät zur Bestimmung von Kennwerten von Böden, mit

- einer Lastplatte, die ausgebildet ist, auf einem Boden aufzuliegen,

- einer Belastungsvorrichtung, die ausgebildet ist, die Lastplatte, während sie auf dem Boden aufliegt, mit einer Kraft F1 zu belasten, die so bemessen ist, dass sie eine Setzung s2 der Lastplatte in den Boden bewirkt, und

- einer Erfassungsvorrichtung, die ausgebildet ist, die Setzung s2 der Lastplatte zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung eine Kraftmesseinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, während der Setzung s2 der Lastplatte in den Boden die Kraft F1 zu erfassen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf der Kraft F1(t) während der Setzung s2 der Lastplatte zu erfassen.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung eine Setzungsmesseinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf der Setzung s2(t) der Lastplatte zu erfassen.

4. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung eine Beschleunigungsmesseinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, einen zeitlichen Verlauf einer Beschleunigung a2(t) der Lastplatte während der Setzung zu erfassen.

5. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung eine Auswertungseinheit umfasst, die mit der Setzungsmesseinrichtung, der Kraftmesseinrichtung und/oder der Beschleunigungsmesseinrichtung verbunden ist und ausgebildet ist, aus Messergebnissen der Setzungsmesseinrichtung, der Kraftmesseinrichtung und/oder der Beschleunigungsmesseinrichtung die Kennwerte des Bodens zu bestimmen.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, aus dem zeitlichen Verlauf der Beschleunigung a2(t) der Lastplatte einen zeitlichen Verlauf einer Geschwindigkeit v2(t) der Lastplatte und/oder den zeitlichen Verlauf der Setzung s2(t) der Lastplatte zu bestimmen.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, aus dem zeitlichen Verlauf der Kraft F1(t) sowie der Beschleunigung a2(t), der Geschwindigkeit v2(t) und der Setzung s2(t) der Lastplatte zumindest einen der Kennwerte Masse m² der Lastplatte und des mitschwingenden Bodens, Dämpfung b2 des Bodens und Federkonstante c2 des Bodens anhand einer Bewegungsgleichung F1(t) = m2a2(t) + b2v2(t) + c2s2(t) zu bestimmen.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, eine Kraft F2(t) = F1(t) - m2a2(t) zu bestimmen.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, aus der Kraft F2(t) und einer auf dem Boden aufliegenden Fläche A der Lastplatte den Kennwert Pressung p2(t) des Bodens zu bestimmen.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, aus der Kraft F2(t) und der Fläche A den Kennwert maximale Pressung p2max des Bodens zu bestimmen.

11. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, die Bewegungsgleichung für drei Zeitpunkte t1, t2 und t3 auszuwerten und ein Gleichungssystem F1 (t1) = m2a2(t1) + b2v2(t1) + c2s2(t1), F1 (t2) = m2a2(t2) + b2v2(t2) + c2s2(t2), F1 (t3) = m2a2(t3) + b2v2(t3) + c2s2(t3) nach m2, b2 und c2 aufzulösen, um die Masse m2, die Dämpfung b2 und die Federkonstante c2 zu bestimmen.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, zumindest einen der Kennwerte dynamischer Elastizitätsmodul, dynamische Viskosität und dynamischer Dämpfungsgrad des Bodens aus der Fläche A, der Masse m², der Dämpfung b2 und/oder der Federkonstanten c2 zu bestimmen.

13. Gerät nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, den Kennwert maximale Setzung s2max des Bodens aus dem zeitlichen Verlauf der Setzung s2(t), eine maximale Kraft F2max aus dem zeitlichen Verlauf der Kraft F2(t) und den Kennwert dynamischer Verformungsmodul Evd des Bodens aus der maximalen Setzung s2max, der maximalen Kraft F2max sowie der Fläche A zu bestimmen.

14. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anzeigevorrichtung, die mit der Erfassungsvorrichtung verbunden und ausgebildet ist, die Messergebnisse der Kraftmesseinrichtung, der Setzungsmesseinrichtung und/oder der Beschleunigungsmesseinrichtung und/oder Auswertungsergebnisse der Auswertungseinheit von der Erfassungsvorrichtung zu empfangen und anzuzeigen.

15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung zur graphischen Darstellung der Messergebnisse und/oder des zeitlichen Verlaufes der Messergebnisse und von Messgrößen ausgebildet ist.

16. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Speichervorrichtung, die mit der Erfassungsvorrichtung verbunden und ausgebildet ist, die Messergebnisse der Kraftmesseinrichtung, der Setzungsmesseinrichtung und/oder der Beschleunigungsmesseinrichtung und/oder die Auswerungsergebnisse der Auswertungseinheit von der Erfassungsvorrichtung zu empfangen und zu speichern.

17. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Druckvorrichtung, die mit der Erfassungsvorrichtung verbunden und ausgebildet ist, die Messergebnisse der Kraftmesseinrichtung, der Setzungsmesseinrichtung und/oder der Beschleunigungsmesseinrichtung und/oder die Auswertungsergebnisse der Auswertungseinheit von der Erfassungsvorrichtung zu empfangen und zu drucken.

18. Gerät nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 17, gekennzeichnet durch eine durchsichtige, aufklappbare oder abnehmbare Abdeckung der Anzeigevorrichtung, die derart ausgebildet ist, dass angezeigte Informationen bei geschlossener Abdeckung lesbar sind und dass sie als Unterlage zur Beschriftung von Ausdrucken geeignet ist.

19. Gerät nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 17, gekennzeichnet durch eine Auswahleinheit, die ausgebildet ist, eine Sprache auszuwählen, in der Beschreibungen der Messergebnisse und/oder eine Bedienerführung angezeigt oder ausgedruckt werden.

20. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, Datensätze der zeitlichen Verläufe der Kraft F1 (t), der Beschleunigung a2(t), der Geschwindigkeit v2(t) und/oder der Setzung s2(t) zu komprimieren.

21. Gerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, die Datensätze der zeitlichen Verläufe durch Aproximieren der zeitlichen Verläufe mittels einer Geradenapproximation zu komprimieren.

22. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung ausgebildet ist, ein entnehmbares Speichermedium zu beschreiben.

23. Gerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium ausgebildet ist, im entnommenen Zustand von einer externen Lesevorrichtung gelesen zu werden.

24. Gerät nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung ausgebildet ist, das Speichermedium mit einer eindeutigen Gerätekennung und einer Kalibrierungskennung zu beschreiben, aus der hervorgeht, wann das Gerät durch wen mit welchen Kenngrößen zuletzt kalibriert wurde.

25. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung einen Datenübertragungs-Ausgang aufweist, der ausgebildet ist, Daten an eine mit dem Datenübertragungs-Ausgang verbindbare Datenverarbeitungsanlage zu übertragen.

26. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastplatte auswechselbar ist.

27. Gerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungsvorrichtung wenigstens ein austauschbares Fallgewicht aufweist.

28. Gerät nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Lesevorrichtung für ein entnehmbares Speichermedium, welche mit der Druckvorrichtung verbunden ist, so dass auf dem Speichermedium gespeicherte Informationen mittels der Druckvorrichtung ausdruckbar sind.

29. Gerät nach Anspruch 22 und 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Lesevorrichtung Teil der Speichervorrichtung ist.