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Die Erfindung betrifft eine Prüfeinrichtung zur Ermittlung bruchmechanischer Kennwerte an würfel- oder zylinderförmigen Probekörpern, bestehend aus einer Kraftübertragungsvorrichtung mit integrierten Wälzlagern und einem mit dieser Vomchtung zusammenwirkenden Keil bzw. Kellstumpf zur reibungsfreien Einleitung der Btegezugkraft, in einer zum Rissverlauf bzw zur Rissebene senkrechten Richtung (x-Richtung), in den Probekörper.
Übliche Prüfungen zur Ermittlung von bruchmechanischen Kennwerten an Werkstoffen werden meist an balkenförmigen Probekörpern im Drelpunkt- bzw. Vlerpunktblegeversuch (RILEM draft recommandation 50FMC, Determination of the fracture energy of mortar and concrete by means of three-point bending test on notched beams ; Matenals and Structures, 18 (1985) pp 287-290 und E. K. Tschegg, New Equipments for Fracture Tests on Concrete ; Materialprüfung (Materials Testing) 33 (1991) 11-12, pp 338-342) durchgeführt. Diese Prüfmethode hat jedoch viele Nachteile, wie sie In der AT-PS-390 328 angeführt sind. Die m der ATPS 390 328 und AT-PS 396 997 beschriebenen Einrichtungen für würfel- und zylinderförmige Probekörper weisen viele dieser Nachteile nicht mehr auf.
Weiters zeigen diese neueren Einrichtungen aufgrund des besonders kurzlinigen und direkten Kräfteflusses von der Prüfmaschine In den Probekörper ein besonders steifes Prüfverhalten, das auch bel spröden Werkstoffen eine stabile Rissausbreitung bis zur völligen Trennung des Werkstoffes ermöglicht.
Das Patent US-A-4 679 411 von C. F. Johnson betrifft zwar eine triaxiale Druckbeanspruchung von Probekörpern entlang dreier orthogonaler Achsen, wobei diese Beanspruchung hydrostatisch aufgebracht wird, jedoch mit einer Messung von bruchmechanischen Kennwerten in keinem Zusammenhang steht.
Sowohl die Blegebalkenprüfmethode, als auch die in AT-PS 390 328 und AT-PS 396 997 beschnebenen Prüfeinrichtungen erlauben nur Bruchprüfungen bel uniaxialer Beanspruchung. Bruchmechanische Kennwerte, wie z. B. die aus der gemessenen Last-Verschiebungskurve ermittelte spezifische Bruchenergie Gf, die sich als Fläche unterhalb dieser Kurve dividiert durch die in die Ligamentebene projizierte
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und multiaxiale, also kombinierte Beanspruchungen.
Da nun der Ingenieur das Bruchverhalten des Werkstoffes bel tatsächlich auftretenden Beanspruchungen kennen muss, um eine sichere und werkstoffsparende Auslegung von Komponenten zu ermöglichen, sowie das Verhalten eines angerissenen Bauteiles voraussagen zu können, sind unbedingt biaxiale Bruchprüfungen an Strukturwerkstoffen unumgänglich. Es wurden daher auch biaxiale Prüfeinrichtungen entwickelt, wie sie in Weerheijm J., Reinhardt H. W. und Postma S., Experiments on Concrete under Lateral Compression and Tensile Impact Loading, In Fracture Processes In Concrete, Rock and Ceramics, ed. J G. van Mier et al, RILEM, Published by E & F Spon, London, 1991, pp 839-848, beschrieben sind.
Die bisher bekannten biaxialen bzw. triax ! aien Prüfemnchtungen sind sehr kompliziert in der Handhabung, teuer in der Anschaffung, und bedingen zum Teil auch noch grosse und zum Teil aufwendig herstellbare Probekörper. Es besteht daher ein gegebener Mangel an biaxialen Prüfeinrichtungen Im Matenalprüfwesen.
Die Adaptierung der Btegebalkenmethode auf biaxiale Prüfbedingungen war bisher nicht realisierbar, da bereits das Eigengewicht des Biegebalkens selbst beim uniaxialen Versuch Probleme bel der Prüfung schafft und diese durch eine biaxiale Zusatzeinrichtung noch weiter vergrössern und verschärfen würde.
Solche Hemmnisse liegen hingegen bei der Keilspaltprüfmethode an würfelförmigen bzw. zylinderförmigen Probekörpern (AT-PS 390 328 und AT-PS 396 997) nicht vor, trotzdem sind aus folgenden Gründen auch mit diesem Verfahren noch keine biaxialen Bruchversuche durchgeführt worden : * Der Druckspannnungszustand muss im Probekörper homogen und definiert vorgebbar sein. Die
Einbringung der Druckkraft, wirkend in einer Richtung parallel zur Rissebene und senkrecht zur
Rissfront (z-Richtung), In den Probekörper ist daher möglichst gleich verteilt über den ganzen
Querschnitt des Probekörpers vorzunehmen. Eine punktförmige oder strelfenförmige Elnbnngung würde eine unzulässige Verzerrung der Spannungsverteilung Im Inneren des Probekörpers hervorru- fen.
* Die Keilbelastungseinnchtung nach AT-PS 390 328 und AT-PS 396 997 zur Erzeugung einer
Biegezugbeanspruchung im Probekörper In x-Richtung nimmt zuviel Fläche an der Kraftemleltungs- ebene des Probekörpers ein und kann daher nicht für biaxial Bruchversuche unverändert verwendet werden.
* Das Keilspaltverfahren nach AT-PS 390 328 und AT-PS 396 997 fordert eine linienförmige Auflage des Probekörpers während der Bruchprüfung, um ein ungehindertes Trennen des Probekörpers In zwei Hälften zu gewährleisten. Diese Bedingung kann durch die bisher bekannten, üblichen Kraftein- bnngungsvomchtungen zur Realisierung eines biaxiales Spannungszustandes nicht erfüllt werden
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Die zur Realisierung des Druckspannungszustandes nötigen Einrichtungen dürfen den Bruchvorgang durch die Keilspalteinrichtung in keiner Welse beeinflussen.
Es muss daher die Druckkraftübertra- gungsvorrichtung völlig getrennt in beiden durch den Bruch der Probekörper entstehenden Hälften des Probekörpers angebracht werden und während des Prüfvorganges wirken. Mit üblichen biaxiales
Prüfeinrichtungen ist dies nicht möglich.
Ziel der Erfindung ist nun, mit einer möglichst einfachen und handlichen Prüfenrichtung blaxiale Bruchprüfungen an würfel-oder zylinderförmigen Probekörpern bel stabiler Rissausbreitung durchzuführen.
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wirdweichen Wälzkörper bzw. Achsen mit Wälzlagern integriert sind und auf die sowohl an zwei voneinander unabhängig wirkende Belastungsrahmen befestigte Druckeinheiten als auch ein Keil bzw. Keilstumpf einwirken.
Ein blaxialer Spannungszustand Im Probekörper wird dadurch erreicht, Indem die Druckeinheiten einen homogenen Druckspannungszustand in z-Richtung. und die Keilspaltelnnchtung über die plattenförml- gen Kraftübertragungsvorrichtungen einen homogenen Biegezugspannungszustand In x-Richtung während der Bruchprüfung im Probekörper erzeugen.
Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich : * Die würfelförmigen bzw. zylinderförmigen Probekörper sind handlich, einfach In der Form und daher billig in der Herstellung.
* Die biaxial Bruchprüfung kann in üblichen Zug-Druck-Prüfmaschinen (ohne besondere technische
Anforderungen) durchgeführt werden.
* Die biaxiale Bruchprüfeinrichtung ist schnell und einfach In der Prüfmaschine montiert. Dies erfordert keine besonderen Fachkenntnisse und kann daher auch von ungeschultem bzw. angelerntem Personal vorgenommen werden.
* Die Montage eines Prüfkörpers in die erfindungsgemässe Prüfeinrichtung ist einfach und schnell durchzuführen.
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biaxiale Spannungsverteilung* Der Querdehnungsausgleich zwischen Probenmaterial und den plattenförmigen Kraftübertragungsvor- nchtungen kann durch Gleitfolien aus Teflon und/oder Karton sowie durch Federpakete zufrredenstel- lend erreicht werden.
Diese Art der biaxialen Bruchprüfung eignet sich für viele Werkstoffe wie z. B. zementgebundene
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undgrobkeramische Werkstoffe, Feuerfestwerkstoffe, metallische sowie nichtmetallische Verbundwerkstoffe und Faserverbundwerkstoffe u. a.
Ebenso eignet sich die erfindungsgemässe Prüfeinrichtung zur bruchmechanischen Charakterisierung von Werkstoffverbunden der oben genannten Werkstoffe, sowie zur Untersuchung des Bruchverhaltens von Haftvermittlern bzw. Klebern zur Verbindung von Werkstoffen.
Der Einsatz der erfindungsgemässen Prüfeinrichtung in der Befestigungstechnik ist für Ausziehversuche von Verankerungen (anchor-pull-out-tests) ebenfalls gegeben.
Bel entsprechender Vorkühlung bzw. Erwärmung des Probekörpers können Prüfungen mit der erfindungsgemässen Einrichtung durchgeführt werden, die von der Raumtemperatur abweichen. Zusätzliche Kühl- bzw. Heizkammern sind meist nicht notwendig, da die Prüfzeit (inkl. der Probekörpermontage) nur wenige Minuten dauert und dabei der Probekörper im Inneren, also Im Bereich des Bruchgeschehens (der Prozesszone), die Temperatur während der Prüfzeit nicht nachteilig ändert. Um ein bestimmte Prüftemperatur längere Zelt aufrecht zu erhalten wird die ganze biaxial Prüfeinrichtung in eine Kühl- bzw. Wärmekammer gegeben.
Die Erzeugung eines definierten Druckes auf den Probekörper, durch die In den belden Belastungsrahmen befestigten Druckeinheiten, erfolgt entweder auf hydraulischem, auf pneumatischem oder auf mechanischem Wege. Bei der hydraulischen und bei der pneumatischen Druckaufbringung wird in einfacher Welse der Flüssigkeitsdruck bzw. der Gasdruck zur Bestimmung des Gesamtdruckes auf den Probekörper herangezogen. Bei der mechanischen Druckaufbnngung durch Schrauben oder Keilbelastungseinrichtungen werden die Druckkräfte über Dehnmessstreifen, die an den Längsverbindungen der Belastungsrahmen angebracht sind, bestimmt.
Diese Druckeinheiten können z. B. aus nur einem Druckzylinder oder mehreren Druckzylindern bestehen. Für eine gleichmässigere Einbringung der Belastung auf den Probekörper sind zwei oder mehrere Druckzylinder von grossem Vorteil. Je nach Probekörperform und Grösse ist die Zahl und Anordnung von Druckeinheiten so zu wählen, dass die Druckbeanspruchung möglichst gleich verteilt in den Probekörper eingebracht wird. Bei mechanischen Druckerzeugern sind ebenso mehrere Druckelnrrchtungen (z. B. mehrere Schrauben) vorzusehen
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Grundsätzlich sind hydraulische Druckeinheiten bevorzugt einzusetzen und zwar aus folgenden Gründen : * Es können gefahrlos und schnell hohe Drücke erreicht werden.
# Sie benötigen einen geringen Platz in der Prüfvorrichtung.
# Während der Prüfung steht der Probekörper unter konstantem Druck. Kommt es während des
Bruchvorganges zu Relaxationserscheinungen im Probekörper, so würde der daraus resultierende
Druckabfall sofort wieder ausgeglichen (es wird vorausgesetzt, dass die Druckzylinder mit konstantem Öldruck beaufschlagt werden). Dies ist bei mechanischen Systemen nicht gegeben und sollte daher In diesen Fällen bedacht werden.
Um eine homogene Druckspannungsverteilung im Probekörper zu erreichen, ist es vorteilhaft, sowohl steife Platten als Kraftübertragungsvorrichtungen am Probenkopf als auch steife Kraftübertragungsstücke am Probenfuss vorzusehen, d. h. steife Platten mit möglichst grossem Biegewiderstand befinden sich unterhalb des Probekörpers.
Die Kraftaufbringung zur Realisierung des Druckspannungszustandes m Probekörper kann sowohl vom Probenkopf (von oben), oder auch vom Probenfuss her (von unten) erfolgen. Eine günstigere Anordnung ist jedoch aus Platzgründen von oben.
Zur Reduzierung der Reibung bei der Kraftübertragung vom Keil auf die plattenförmigen Kraftübertragungsvornchtungen sind Wälzkörper in Form von Rollen, Kugeln u. a. vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist der Einbau von Wälzlagern (Rollen- oder Kugel-, oder Nadellager u. a), da damit eine solche Reduzierung der Reibung erreicht wird, dass der dadurch entstehende Messfehler vernachlässigt werden kann. Werden einfache Wälzkörper (z. B. einfache oder Doppelzylinderrollen) verwendet, so müssen die zum Keil näher liegenden Seitenflächen der plattenförmigen Kraftübertragungsvorrichtungen die selbe Neigung wie die des Keiles haben. Dies ist beim Einsatz von Wälzlagern nicht der Fall.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert Figur 1 zeigt einen würfel-und Figur 2 einen zylinderförmigen Probekörper. Ein halbfertiger Aufbau der Prüfeinnchtung ist in Figur 3 zur besseren Erläuterung der Funktionsweise abgebildet In Figur 4 sind die zwei Belastungsrahmen mit je drei hydraulischen Druckzylindern gezeigt. In Figur 5 st der Probekörper in der Prüfeinrichtung montiert und diese wiederum fertig zum Einbau in die Prüfmaschine dargestellt. In den Figuren 3,4 und 5 sind jeweils kartesische Koordinatensysteme eingezeichnet.
In Figur 1 ist der würfelförmige gekerbte Probekörper mit -16- bezeichnet und die Starterkerbe mit -18.
In Figur 2 besitzt der zylinderförmige Probekörper eine Starterkerbe -18- und zusätzlich noch zwei Seitenkerben -19- und -19'- an den Enden der Starterkerbe -18-. Diese Seitenkerben-19-und-19'-dienen zur Rissstabilisierung in vertikaler Richtung, sowie zur Korrektur des Spannungskonzentrationsverlaufes entlang der Starterkerbe-18-. Ebenso können bei Bedarf solche Seitenkerben -19- und -19'- an würfelförmigen Probekörpern -16- eingeschnitten werden.
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-16- IStund -17'- aufgelegt, in deren sich bildendem Spalt -20- die linienförmige Auflage mit Abstützung -9- den Probekörper -16- berührt.
Im Spalt -20- sind auf den beiden schrägen Flächen der linienförmigen Auflage mit Abstützung -9- Teflonfolien aufgeklebt, um die, während des Auseinderklappens der beiden Belastungsrahmen, auftretende Reibung an den Kontaktflächen der Kraftübertragungsstücken-17-und-17'-mit der linienförmige Auflage -9- zu minimieren. Zur Versteifung der unteren Kraftübertragungsstücken-17-und - sind noch zwei Stege -22- und -22'- je Platte angeschweisst.
Auf den Probekörper -16- liegen die oberen Kraftübertragungsvorrichtungen -13- und -13'-, in denen die
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gleicher Höhe befindet sich die Rissöffnungsverschiebungsmesseinheit, bestehend aus einem zweiteiligen steifen Rahmen -11- und -11'-, zwei mechanischen Justierschrauben -12- und -12'- zur Einstellung des
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-14- und -14'-,die als hydraulische Zylinder ausgeführt sind. Der Probekörper -16- wird mit den oberen Kraftübertragungsvorrichtungen -13- und -13'-, den unteren Kraftübertragungstücken-17-und-17'-und mit Keil -10- sowie mit dem aufgesetzten Rahmen -11- und -11'- für die Wegmessung nun in zwei voneinander unabhängige Belastungsrahmen -3, 5, 6, 7, 8- und -3', 5', 6', 7', 8'- eingesetzt.
Die oberen -3- und -3'- und die unteren steifen Querträger -8- und -8'- sind durch Zugstangen -5- und -5'- miteinander verbunden Die Muttern -6und -6'- dienen zur Einstellung des erforderlichen Abstandes von den unteren -8- und -8'- zu den oberen Querträgern -3- und -3'- Die Reiter -7- und -7'- auf den unteren Querträgern -8- und -8'- dienen zur
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den Keil -10- berührt, überträgt die Maschinenkraft auf den Keil -10-. Wird daher das Belastungsschwert -2nach unten gedrückt, so wird der Keil -10- in den Spalt der beiden oberen Kraftübertragungsvorrichtungen
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unabhängig voneinander angeklemmten Hälften des Rahmens -11- und -11'-, die zur Halterung für die Wegaufnehmer-14-und-14'-dienen.
Querdehnungsausgleichsmassnahmen in Form von Gleitfolien oder Stahlbürsten werden zwischen dem Probekörper -16- und den oberen Kraftübertragungsvorrichtungen -13- und -13'- sowie den unteren Kraftübertragungsstücken-17-und-17'-eingelegt. Die Massnahme ist in den Figuren 3 - 5 - 5 nicht eingezeichnet.
Bei niederen Drücken auf die Kraftübertragungsvorrichtungen -13- und -13'- könnte die Reibung zwischen diesen und den Probenoberflächen (oben) zur Kraftübertragung zu gering sein und damit eine Spaltung des Probekörper verhindern bzw. zu Fehlmessungen führen. Um das zu vermeiden, können auf der dem Keil -10- zugewandten Seite der oberen Kraftübertragungsvornchtungen -13- und -13'- etwa zwei
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keiner Welse den Querdehnungsausgleich. Wie bereits experimentelle Untersuchungen gezeigt haben, reicht diese Massnahme aus, um ein Abrutschen der Kraftübertragungsvorrichtungen -13- und -13'- zu verhindern.