Verfahren zum Messen der in einem Bauwerk oder dessen Baugrund oder in sonstigen künstlichen oder natürlichen Materialmassen auftretenden Materialspannungen und Formänderungen Beim erfindungsgemässen Verfahren zum Messen der in einem Bauwerk oder dessen Baugrund oder in sonstigen künstlichen oder natürlichen Material massen auftretenden Materialspannungen und Form änderungen wird an der Messstelle, in der Richtung der zu messenden Spannung oder Formänderung, eine bestimmte Menge der Materialmasse durch einen tragenden, hohlen Messkörper ersetzt.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Mess- körper mindestens in seinem tragenden Teil aus einem Material besteht, dessen Elastizitätsmodul (z. B. E,. = 2 100 000 kg/cm2) grösser ist als der jenige der Materialmasse (z. B.
E,, - 210 000 kg pro cm\-'), dass die Grösse des Tragquerschnittes des Messkörpers sich zum Tragquerschnitt des ersetzten Materialmassenteils verhält wie der Elastizitäts- modul der Materialmasse zu demjenigen des tra genden Materials des Messkörpers, so dass das Messkörpermaterial und die dasselbe umgebende Materialmasse in der Richtung der die Spannung erzeugenden Kraft genau gleiche elastische Ver hältnisse aufweisen, und dass der vom Verhältnis der Grösse beider Tragquerschnitte abhängige Hohl raum im Messkörper mit einer Flüssigkeit, wie z. B.
Wasser, Glyzerin, Terpentinöl oder einem flüssigen Metall, wie z. B. Quecksilber, gefüllt wird und die Füllung mit einem Standrohr in Verbindung steht, in dem sich die den Materialspannungen bzw. Form änderungen entsprechenden Veränderungen des Inhaltes des Messkörperhohlraumes durch den Wechsel der Flüssigkeitsstände selbsttätig anzeigen. Dabei entspricht einem bestimmten Flüssigkeits stande eine ganz bestimmte auftretende Material spannung.
Bei wieder abnehmender Spannung nehmen die innerhalb des elastischen Bereiches deformierten Teile des Messkörpers und der Materialmasse natur gemäss selbsttätig wieder ihre ursprüngliche Form ein, so dass dann auch die Flüssigkeitsstände im Standrohr auf ihre Ausgangslage zurückgehen.
Das Standrohr kann mit einer Skala ausgerüstet sein, deren Teilstriche bestimmten Materialspannun gen auf Grund von Eichung oder Berechnung ent sprechen, wie sie durch die Flüssigkeitsstände im Standrohr angezeigt werden.
Beim gleichzeitigen Messen von Längs- und Querspannungen kann der Messkörper einen lotrech ten, zentralen Raum zum Messen der längsgerich teten Spannungen und einen konzentrisch um diesen, herum angeordneten Raum mit einer als Druckring wirkenden Ringwand zur Aufnahme der Querspan nungen aufweisen. Dabei kann bei jedem der beiden Räume ein getrenntes Standrohr vorgesehen sein.
Zum Messen von Zugkräften ist der Messkörper zweckmässig in der Materialmasse an gleichmässig verteilt angeordneten Ankern befestigt.
Bei der Einrichtung zur Durchführung des Ver fahrens zum Messen von Materialspannungen und Formänderungen, die auch durch Temperatur schwankungen beeinflusst werden, ist innerhalb des Messkörperhohlraumes ein dichtes und starres Ge fäss angeordnet, das mit einer Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, Glyzerin, Terpentinöl, oder einem flüssiger! Metall, wie z. B. Quecksilber, gefüllt ist. An dieses Gefäss ist ein Standrohr angeschlossen, in dem sich die den Temperaturschwankungen entsprechenden Veränderungen der Füllflüssigkeit durch den Wechsel der Flüssigkeitsstände selbsttätig anzeigen und ein Mass für den Einfluss der Temperatur auf das Er- gebnis der Spannungsmessung im Messkörper ab geben.
Die Flüssigkeit zum Füllen des in den Mess- körper eingesetzten Gefässes ist zweckmässig die gleiche wie zum Füllen des Messkörpers.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Erfin dungsgegenstandes besteht darin, dass die Wärme dehnungszahlen des Messkörpers und der Material masse möglichst einander gleich sind.
Bei der Einrichtung zum Messen von Material spannungen und Formänderungen, die auch durch Temperaturschwankungen in Mitleidenschaft gezo gen werden, kann das innerhalb des Messkörper- raumes vorgesehene zusätzliche Gefäss einen um ein Vielfaches (m-fach) kleineren Wert besitzen, als der Inhalt des Messkörperhohlraumes beträgt, wobei bei gleichen lichten Abmessungen der Standrohre des Messkörpers und des zusätzlichen Gefässes, von der,,
am Standrohr des Messkörpers abgelesenen Span nungsgrösse der m-fache Betrag der Ablesung am Standrohr des zusätzlichen Gefässes in Abzug ge bracht wird.
Die Abb. 1-8 der Zeichnung zeigen zur Durch führung des Verfahrens geeignete Vorrichtungen in Massenbeton eingebettet. Die Abb. 1, 3, 4, 5, 7 und 8 zeigen schematisch Vertikalschnitte und die Abb. 2 und 6 Horizontalschnitte durch Teile von Bau werken und einbetonierten Messkörpern.
In den Abbildungen sind die Materialmassen mit 1, die vertikal gerichteten, durch kleine Pfeile dar gestellten Materialspannungen mit 2, 24 und die horizontal gerichteten mit 3 bezeichnet.
Der Messkörper für Druckspannungen gemäss Abb. 1 besteht aus einem oben und unten geschlos senen dichten Eisenrohr 4. An dem obern Rohr abschluss 5 ist ein oben offenes Wasserstandsrohr 6 und am untern Teil des Messkörpers ein Rohr 7 zum Füllen des Hohlraumes 8 angeschlossen. Beim Füllen dieses Hohlraumes wird der im Rohr 7 ein gebaute Hahn 9 geöffnet, so dass dann die Füll flüssigkeit zufliesst. Dabei entweicht die Luft aus dem Raum 8 durch das oben offene Standrohr 6, wobei natürlich für den ungehinderten Abfluss der Luft zu sorgen ist. Sobald die Flüssigkeit, z. B. Wasser, im Standrohr bis zum untersten Teilstrich der Skala 10 angestiegen ist, wird der Hahn 9 wieder geschlossen.
Selbstverständlich wird das Standrohr 6 bis zu einer möglichst gut zugänglichen und für die Spannungsbeobachtung günstig liegen den Stelle des Bauwerkes hochgeführt.
Der Messkörper ist in die Materialmasse 1, die ein Bauwerk bildet, an einer Stelle, wo z. B. verti kale Druckspannungen bzw. Deformationen gemes sen werden sollen, vollständig eingebettet.
Es ist angenommen, dass die zu messenden Ma terialdruckspannungen 2 bei den an den Ober- und Unterkanten des Messkörpers gedachten beiden hori zontalen Ebenen a-a gleichmässig verteilt auftreten.
Die Konstruktion des Messkörpers gemäss Abb. 1 sei im nachstehenden an einem Zahlenbeispiel er- läutert. Wird der mit 11 bezeichnete äussere Durch messer des Messkörpers z. B. 14 cm gross gewählt und beträgt die eingetretene gleichmässig verteilte mit 2 bezeichnete Spannung bzw. Nutzbelastung des Bauwerkes p = 100 kg/cm2, so besitzt die auf den Messkörper wirkende Druckübertragungsfläche eine Grösse von F,, = 14\= -7/4 = rd. 154 cm2 und die Druckkraft selbst wird P = 154 - 100 = 15 400 Kilogramm gross.
Besitzt der Elastizitätsmodul des aus Eisen bestehenden Messkörpers eine Grösse von E, = 2 100 000 kg/cm'= und derjenige des aus Beton bestehenden Bauwerkes eine solche von E,, = 210 000 kg/em-, so ist das Verhältnis dieser Elastizitätsmoduli <I>n =</I> E,, <I>: EI, =</I> 10.
Wird der rohrförmige Tragquerschnitt 4 des Messkörpers, wie ihn auch Abb. 2 im Horizontalschnitt zeigt, F" <I>= F,, : n =</I> 154 : 10 = 15,4 cm-' gross gewählt, so ergibt sich die Wandstärke w" des Messkörpers aus der Beziehung: 154 - (14 - 2 . W,,)2 <I>z/4 =</I> 15,4
EMI0002.0055
wobei die Ausrechnung den Wert w,. = 0,35 cm liefert. Diese Wandstärke ist in Abb. 1 mit 12 be zeichnet.
Hierbei ist dann die Druckspannung im rohr förmigen Teil 4 des Messkörpers ss, = n - ss,, = 10 . 100 = 1000 kg/cm:' oder auf andere Weise ermittelt 6e = 15 400 / 15,4 = 1000 kgicm-. Es ergeben sich dabei folgende gleiche Werte für die Zusammendrückung pro 1 cm Höhe des den Messkörper umgebenden Bauwerkmaterials 8,, = ss,, - 1 / 210 000 = 100 - 1 / 210 000 = 0,
000 4762 cm und des Messkörpermaterials im Rohrteil 4 E" = 6E_ # 1 / 2 100 000 = 1000 - 1 / 2 100 000 =_ 0,000 4762 cm.
Sowohl das Bauwerkmaterial 1 als auch der Mess# körperteil 4 erfahren eine genau gleich grosse elasti sche Zusammendrückung.
Da die Wandstärke des Messkörpers, wie oben, ermittelt, 0,35 cm beträgt, so besitzt die Flüssig keitssäule im Rohr 4 eine Querschnittfläche von F . = 13,32 ac/4 = rd. 139 cm2, und die in das Standrohr übertretende Flüssigkeitsmenge pro 1 cm Höhe der Flüssigkeitssäule des Messkörpers wird bei p = 100 kg/cm\-' w = 139 # 0,000 4762 = 0,0662 cm3 Bei rd.
20 cm Höhe der Flüssigkeitssäule (Rohr 4) des Messkörpers beträgt die in das Standrohr übertretende Flüssigkeitsmenge W = 20 - 0,0662 = 1,324 cm3. Bei Wahl eines lichten Standrohrdurchmessers von z. B. 0,3 cm verteilen sich die vorstehend ermit telten 1,324 cm.' auf eine Standrohrhöhe von 1,324 / 0,0707 = rd. 20 cm.
Wird im vorliegenden Falle eine Standrohrskala mit Millimeterteilung verwendet, so dass einer durch Eichung festgestellten 100 kg/cm" grossen Spannung ein Flüssigkeitsaufstieg von 20 cm im Standrohr ent spricht, so stellt jede Steigung der Flüssigkeit um I mm einen Spannungsanstieg von rd. 0,5 kg/cm2 und eine bestimmte Formänderung dar.
Die. genannte Eichung wird zweckmässig in der Weise durchgeführt, dass. der beschriebene Mess- körper z. B. in einem möglichst grossen Betonblock einbetoniert wird und der Block in der Richtung des eingelegten Messkörpers dem Druck einer hydrau lischen Presse, z. B. nach Art der bekannten Würfel pressen, ausgesetzt wird.
Wird nun mittels der Presse ein Druck von 100 kg/cm\= in den beiden horizontalen Ebenen a-a (vgl. Abb. 1) erzeugt, so wirkt auf die Abschluss-. platten 5 eine Druckkraft, wie oben ermittelt, von 15 400 kg, und in der Wandung des Rohres 4 tritt eine Druckspannung o" = 1000 kg/cm= auf. Infolge dessen wird der Messkörper in der Richtung seiner Längsachse zusammengedrückt, so dass, wie oben erläutert, in das Standrohr 6 eine Flüssigkeitssäule von rd. 20 cm Höhe eintritt. Der Skala von rd.
20 cm Höhe entspricht dann eine Gesamtspannung von<B>100</B> kg/em'= und der Steigung der Flüssigkeit um rd. je 1 mm Höhe entspricht eine Materialspan nung von 0,5 kg/cm2. Durch eine solche Eichung mit genau bekannten Pressendrücken lassen sich Fehlerquellen irgendwelcher Art bei der Festlegung der Skaleneinteilung ausschalten.
Das Zahlenbeispiel zeigt, dass bei geeigneter Wahl der Grösse des Messkörpers und des Stand rohres mit sehr einfachen Mitteln eine genügende und leicht stark zu steigernde Genauigkeit bei der Spannungsermittlung bzw. Formänderung sich er zielen lässt. Hierin liegt ein ganz ausserordentlicher Vorteil des beschriebenen Verfahrens.
Damit der im Bauwerk eingebaute Messkörper bei der Messung von vertikal gerichteten Längsspan nungen (vgl. Abb. 1) nicht durch Querspannungen beeinflusst wird, kann beim Einbetonieren des Mess- körpers in den Bauwerksbeton an der zylindrischen Umfangsfläche des Messkörpers ein Zwischenraum freigelassen werden, damit dort keine störende seit liche Druckübertragung stattfindet. Die Wirkung eines solchen Zwischenraumes kann evtl. auch durch Auflage einer nachgiebigen Pappschicht 13, wie sie in Abb. 3 beispielsweise dargestellt ist, erzielt werden.
Zur Messung horizontal verlaufender Spannun gen, z. B. Querspannungen 3, wird der Messkörper mit entsprechend angeordnetem Standrohr in eine horizontale Lage gebracht. Abb. 5 stellt dabei den Vertikalschnitt und Abb. 6 den Horizontalschnitt durch die betreffenden Mittelachsen eines solchen Messkörpers dar. Um hier den Einfluss der z. B. ver tikal gerichteten Spannungen auszuschalten, kann an der Aussenseite' des Messkörpers eine nachgiebige Pappschicht 13 oder dergleichen aufgelegt werden (vgl. Abb. 5 und 6).
Bei den vorstehend erläuterten Vorrichtungen ist die Möglichkeit unberücksichtigt geblieben, dass durch Temperaturschwankungen, die z. B. infolge wechselnder Aussentemperaturen hervorgerufen wer den, die Spannungsverhältnisse in dem Bauwerk stark in Mitleidenschaft gezogen werden können. Da & Verfahren der Spannungsmessung muss deshalb in bestimmten Fällen auch erkennen lassen, inwieweit die gemessenen Spannungen einerseits durch direkte Bauwerksbelastungen, wie z. B. durch Druckkräfte, beeinflusst werden, und anderseits etwa auch durch Kräfte, die auf Temperaturschwankungen zurück zuführen sind. Im nachstehenden sei gezeigt, wie die Ermittlung der Spannungsanteile infolge von Druck kräften, die unter dem Einfluss von Temperatur schwankungen stehen, mit Hilfe einer erweiterten Messkörperkonstruktion erfolgen kann.
Eine solche, ein Ausführungsbeispiel der Vor richtung gemäss dem Patentanspruch 1I bildende Vorrichtung ist in Abb. 4 dargestellt. Es unterschei det sich von der Vorrichtung der Abb. 1 nur da durch, dass in den Messkörperraum 8 noch ein dichtes und starres Gefäss 20 eingesetzt ist, das zweckmässig mit einer Flüssigkeit gleicher Zusam mensetzung angefüllt ist, wie sie schon zur Füllung des Raumes 8 verwandt worden ist. Die Füllung den Gefässes 20 steht mit dem Standrohr 21 in Verbin dung, in welchem sich die Temperaturausdehnung des Inhaltes des Gefässes 20 ausgleicht.
Durch den Wechsel der Flüssigkeitsstände im Standrohr 21 tritt Standrohr 6 durch Temperaturschwankungen beein- in Erscheinung, inwieweit die Flüssigkeitsstände im flusst werden.
Wenn die Grösse des Gefässes 20 um das m-fache mal kleiner ist, als der Inhalt des Messkörperhohl- raumes 8 beträgt, und die lichten Weiten der Stand, rohre 6 und 21 miteinander genau übereinstimmen, so ist von der am Standrohr 6 des Messkörpers ab gelesenen Spannungsgrösse der m-fache Betrag der Ablesung am Standrohr 21 als Berichtigung in Ab zug zu bringen.
Werden beispielsweise am Stand rohr 6 (Skala 10) im ganzen 80 Teilstriche abgele sen und beträgt am Standrohr 21 (Skala 22) die Ab lesung sechs Teilstriche und ist m. - 4 zu setzen, so sind 6 # 4 = 24 Teilstriche von der Zahl 80 in Abzug zu bringen. Das Messergebnis der Spannungs messung ist dann 80 - 24 = 56 Teiistriche. Ent spricht jedem der 56 Teilstrichabstände auf Grund einer Eichung mit Hilfe einer hydraulischen Presse eine Materialspannung von 0,5 kg/em2, so beträgt die gemessene Materialspannung im ganzen 56 # 0,5 = 28 kg/cm2.
Befindet sich das Gefäss 20 innerhalb des Mess- körperhohlraumes 8, so besteht grosse Sicherheit dafür, dass die Flüssigkeiten beider Gefässe genau gleiche Temperatur aufweisen und sich die Tempe ratureinflüsse in den beiden Skalen 10 und 22 gleich auswirken.
Steigt im Standrohr 6 der Flüssigkeitsspiegel, während er im Gegensatz zum vorstehenden Beispiel im Standrohr 21 noch unbeweglich ist, so geht aus einer solchen Sachlage hervor, dass bei der Span nungszunahme im vorliegenden Falle die Tempera tur keine Rolle spielt.
Das Gefäss 20 kann auch ausserhalb des Mess- körpers angeordnet werden und gleich ausgebildet sein in Verbindung mit dem Standrohr 21 und der Skala 22. Dabei muss natürlich Gewähr dafür be stehen, dass im Gefäss 20 stets die gleiche Tempe ratur wie im Messkörperraum 8 herrscht.
Bei der Wahl des Materials für den Messkörper kann es bei bestimmten Anwendungen wichtig sein, dass die Wärmedehnungszahl dieses Materials möglichst die gleiche ist wie diejenige des Bauwerk materials, wie es beispielsweise bei Stahl und Beton annähernd der Fall ist. Bei Temperaturschwankun gen treten dann kaum störende Spannungen zwi schen Bauwerk und dem in diesem eingebetteten Messkörper auf.
Zur gleichzeitigen Messung von z. B. Längs- und Querspannungen mit ein und demselben Messkörper kann eine Einrichtung nach Abb. 7 Anwendung fin den. Dieser Messkörper weist einen mittleren senk rechten Zylinderraum 14 und um diesen herum einen ringförmigen, konzentrischen Ringraum 15 auf. Der Raum 14 dient dabei der Messung der vertikal verlaufenden Längsspannung, wobei ein Standrohr 16 mit Skala 17 in Betracht kommt. Die Ringwand 18 ist in analoger Weise dimensioniert, wie es vorangehend für die Wand 4 der Abb. 1 und 2 erläutert ist.
Zur Aufnahme der horizontal gerich teten Kräfte 3 dient die als Druckring wirkende Ringwand 19, die zur Aufnahme der Druckkräfte nach gleichen Gesichtspunkten dimensioniert ist wie die Wände 18 bzw. 4.
Bei dem Beispiel nach Abb. 7 kommen die ver tikalen Druckkräfte im Bereich der Teile 30 nicht zur Wirkung, da diese Teile aus einer nachgiebigen Pappe oder dergleichen bestehen, die praktisch keinen Druck zu übernehmen oder zu übertragen vermag (vgl. auch die zum gleichen Zweck vorge sehene Pappe 13 der Abb. 3, 5 und 6).
In den Abb. 1, 5, 6 und 7 sind die durch kleine Pfeile dargestellten Kräfte als Druckkräfte darge stellt. Im Falle Zugkräfte vom Messkörper aufzu nehmen und zu messen sind, erhalten diese Pfeile 24 eine entgegengesetzte Richtung entsprechend Abb. B. Es ist dann dafür zu sorgen, dass die Zug kräfte von den obern und untern Abschlussplatten 5 aus dem Bauwerk übernommen und auf den rohr- förmigen Teil 4 des Messkörpers übertragen werden.
Bei der Wirkung solcher Zugkräfte verlängert sich der Messkörper 4, und es fliesst aus dem Standrohr 6 Flüssigkeit in den Messkörperraum B. Die Bewegun gen der Flüssigkeit in den Standröhren sind bei Zug kräften entgegengesetzt denjenigen bei der Wirkung von Druckkräften. Bei Zugkräften ist in den Stand röhren ein gewisser Vorrat an Füllflüssigkeit vor zusehen.
Die Aufnahme von Zugkräften 24 durch die Ab schlussplatten 5 wird, wie aus Abb. 8 ersichtlich, da durch ermöglicht, dass an den Platten 5 gleichmässig verteilte Anker 23 befestigt sind, die in das Bau werk eingreifen und mit diesem in geeigneter Weise verbunden sind.