Verfahren zum Messen von Spannungen, Temperaturen, Porenwasserdruck,
Dehnungen, Verschiebungen oder Fugenöffnungen in Kunstbaustoffen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Bei der rechnerischen Ermittlung der statischen Beanspruchungen von Bauwerken aus Beton und Stahlbeton müssen mitunter so viele Annahmen gemacht werden, dass die Resultate nicht mehr genügend zuverlässig erscheinen. Diese rechnerische Unsicherheit kompensiert man durch die Einführung eines mehr oder weniger hohen Sicherheitsfaktors.
Hierdurch wird zwar eine ausreichende Stand- und Bruchsicherheit des Bauwerkes erreicht, die aber infolge der hieraus sich ergebenden Uberdimensionie- rung des Bauwerkes recht kostspielig werden kann.
Mitunter ist die Einführung von neuartigen Konstruktionen dadurch in Frage gestellt. So ist z. B. bei vorgespannten Bauwerken noch nicht erwiesen, in welchem Ausmass die eingebrachte Vorspannung infolge von Schwinden und Kriechen des Betons im Laufe der Jahre abgebaut wird, deren Beendigung im allgemeinen auf eine Dauer von sechs Jahren angesetzt wird.
Man kann zwar neuerdings die meist kurzzeitig eingebrachte Grösse der Vorspannung durch Dehnungsmessung in gewissem Umfang messen, für eine einwandfreie Messung über Jahre hinaus sind diese Geräte jedoch aus weiter unten dargelegten Gründen nicht brauchbar.
Bei vorgespannten Druckwasserstollen liegen ähnliche Probleme vor. Bei diesen Bauwerken kommt noch hinzu, dass die Spannungsverteilung wegen der ständigen Gebirgsbewegungen rechnerisch überhaupt nicht mehr erfassbar sind. Man hat versucht, mit elektrischen Messgeräten die Spannungsverteilung und -umwandlung zu messen, aber abgesehen von einer bisher nicht erreichten Konstanz der Messgeräte über längere Zeit haben diese bei höheren Wasserdrücken versagt und sind in kurzer Zeit ausgefallen.
Bei den bekannten Messsaitengebern wurde festgestellt, dass die Spannung der Messsaiten in kurzer Frist wegen Materialermüdung nachliess. Da die Messsaite in einem Hohlraum des Gebers untergebracht wird, musste dieser absolut gegen Wasserund Feuchtigkeitseintritt abgedichtet werden. Trotzdem stellte es sich heraus, dass im Laufe der Zeit Feuchtigkeit in den Schwingraum eindrang bzw. kondensierte, wodurch entweder die Saiten rosteten oder infolge Feuchtigkeitsbrücken Kurzschlüsse auftraten.
Bei Widerstandsgebern hat sich herausgestellt, dass die feinen Widerstandsdrähte bzw. ihre Verbindungsstellen Unterbrechungen dadurch erlitten, dass Feuchtigkeit in den ebenfalls hohlen Geberraum, in das Kabel selbst und in die Kabelverbindungen eindrang und den Isolationswiderstand nachteilig ver änderte.
Bei änderung der Isolierung von 1. 106 Ohm im Geber oder auch im Messkabel, das bei solchen Messstellen zwischen Geber und Beobachtungsstelle etwa 100 Meter lang ist, entsteht bereits eine Messwertanzeigeänderung ungefähr in der Grösse des gesamten Messbereiches des Gebers. Diese Widerstandsgeber, die besonders empfindlich gegen Feuchtigkeit sind, fielen ebenfalls nach kurzer Zeit aus.
Die einzige bisher brauchbare Methode für Langzeitmessung ist die mit mechanischen Setzdehnungsmessern oder Messuhren bei grosser Basislänge. Sie ist jedoch nur beschränkt an gut zugänglichen Stellen anwendbar. Diese Messungen sind Dehnungsmessungen und sind vor allem bei statisch unbestimmten Systemen kaum zur Ermittlung der Spannung verwertbar.
Diese Erfahrungen haben in jüngerer Zeit zu der Entwicklung eines Betonspannungsmessgerätes ge führt, bei dem man aber bei den bekannten elektrischen Übertragungsmitteln geblieben ist. Mit diesen Übertragungsmitteln kann man jedoch nur kurzzeitig, aber nicht über mehrere Jahre zuverlässig messen.
Ausserdem zeigen diese Geber immer noch einen gewissen Einfluss der spannungslosen Dehnung auf die Spannungsanzeige, weil die Konstruktionshöhe zu gross ist. Der maximal auftretende Fehler beträgt etwa 1O0/o der Dehnung, was aber bereits der Grö ssenordnung der zu messenden Spannungen im Beton entspricht.
Bei den letztgenannten Geräten wurden als Geber zwei starre Scheiben verwendet, die an ihren Rändern miteinander verschweisst sind und hier oder gleich neben dem Rand so ausgebildet sind, dass eine Bewegung der Scheiben gegeneinander erleichtert ist. Zwischen den Scheiben befindet sich eine Flüssigkeit, die den auf die Scheibe ausgeübten Druck auf eine entweder in die Scheibe eingelassene oder in kurzer Entfernung befindliche Membrane überträgt. Die Durchbiegung dieser Membrane wird dann schliesslich mit Widerstands drähten elektrisch gemessen. Die Nachteile dieser elektrischen tXbertra- gungsmethoden sind bereits erläutert worden.
Dabei ist bei diesen Geräten die Messung nicht auf eine unmittelbare Spannungsmessung, sondern noch auf eine Dehnungsmessung zurückgeführt. Es ist also für jeden Messbereich eine gesonderte Dimensionierung der Messmembrane erforderlich, das heisst der jeweilige Messbereich des Gebers muss bereits bei der Konstruktion mit Rücksicht auf die Genauigkeit möglichst genau geschätzt werden.
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Spannungen, Temperaturen, Porenwasserdruck, Dehnungen, Verschiebungen oder Fugen öffnungen in Kunstbaustoffen und das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die im Baustoffkörper herrschenden Spannungen, Temperaturen, Porenwasserdrücke, Dehnungen, Verschiebungen oder Fugen öffnungen unmittelbar und über beliebig lange Zeitabschnitte durch mindestens ein System mit mindestens einem im Baustoff eingebauten Geber auf rein hydraulischem oder pneumatischem Wege gemessen werden.
Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche gekennzeichnet ist durch mindestens einen in den Baustoffkörper eingebauten mechanischen Geber, in welchen mindestens eine mit mindestens einer Druckanzeigevorrichtung versehene Zuführungsrohrleitung mündet und eine Abflussrohrleitung ausgeht, derart, dass ein am Geber angeordnetes, unter dem Einfluss der zu messenden Kräfte stehendes Abflussventil mittels eines durch die Zuführungsrohrleitung eingepressten Hilfsstoffes betätigt wird, sobald der Druck des Hilfsstoffes den zu messenden Gegendruck erreicht hat, wobei das Resultat direkt an der Druckanzeigevorrichtung abgelesen werden kann.
Diese Methode hat gegenüber den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zunächst den unbestreitbaren Vorteil, dass die Messung der im Beton herrschenden Spannung nicht über mechanische und oder elektrische Umwandlungs- und Übertragungsteile, sondern unmittelbar auf pneumatischem oder hydraulischem Wege, nämlich beispielsweise durch einen hydraulischen oder pneumatischen Druckausgleich selbsttätig erfolgt. Es ist unbestritten, dass insbesondere hydraulische Druckausgleichsysteme baulich einfach, wenig störanfällig und über lange Zeiträume funktionsfähig bleiben. Insbesondere sind sie gegen anzeigefälschende Einflüsse von Feuchtigkeit und Wasserdruck unempfindlich.
Anhand der Zeichnung werden nachfolgend Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens und Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens erläutert.
Es werden entweder 1. Spannungen, 2. Porenwasserdruck, 3. Temperaturen, 4. Verschiebungen oder Fugenöffnungen oder 5. Dehnungen gemessen.
1. Spannungsmessung
Die Vorrichtung zum unmittelbaren Messen von Spannungen im Beton oder Baugrund bildet man beispielsweise so aus, dass der im Bauteil eingebaute Geber aus zwei abstandslos aufeinanderliegenden, längs des Umfanges druckdicht miteinander verbundenen, dünnen Membranscheiben besteht, von denen die eine etwa in ihrer Mitte eine Abflussöffnung mit als Ventilsitz ausgebildetem Rand und die andere mit einer geschliffenen Sitzfläche versehen ist.
Die von der Pumpe kommende Zuführungsleitung für den Hilfsstoff, in welcher auch die Anzeigevorrichtung angeordnet ist, kann an beliebiger Stelle in die Membrandose einmünden. Zweckmässigerweise erhält die untere Membranscheibe ausser der natürlichen Rauhigkeit eines künstlich aufgerauhte Oberfläche.
Das für die Messung von Spannungen im Beton oder Baugrund vorgeschlagene Verfahren und die dazugehörige Vorrichtung weisen folgende Vorteile auf:
1. Vermeidung von mechanischen Ubersetzungs- mechanismen,
2. Vermeidung einer Messwertumformung (direkte Spannungsablesung),
3. keine elektrischen Bauteile,
4. Vermeidung von Hohlräumen im Geber,
5. keine Rückführung der Messung auf Dehnungsmessung,
6. einheitliche Geberkonstruktion für alle Messbereiche; Messbereich durch auswechselbares und stets kontrollierbares Druckanzeigegerät,
7. einfache, störungsunanfällige Geberkonstruktion,
8. Korrosionsbeständigkeit des Gebers,
9. geringe Kosten,
10. keine Beeinflussung durch spannungslose Dehnung und E-Moduländerungen,
11. Vermeidung eines abgeschlossenen Gebersystems,
12. zuverlässige Langzeitmessung, und
13. Registriermöglichkeit.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Messen der Spannung.
Im Betonkörper ist ein Geber 2 beim Betonieren eingebaut.
Der Spannungsgeber besteht aus einer oberen dünnwandigen Scheibe 3 aus Federmaterial, unter der ohne Abstand eine weitere Scheibe 4 angeordnet ist. Längs des Umfanges 5 der Scheiben 4 und 3 sind diese durch geeignete Mittel, z. B. durch Umfalzen, Verschweissen oder Verleimen z. B. mittels Kunstharz, flüssigkeitsdicht miteinander verbunden.
Die Innenfläche der unteren Scheibe 4 kann, abgesehen von der natürlichen Rauhigkeit beider Scheiben, noch künstlich etwas aufgerauht sein. Infolge der auf die membranartigen Scheiben 3 und 4 von oben und unten einwirkenden Druckkräfte, welche in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet sind, liegen die beiden Scheiben 3 und 4 dicht aneinander an.
Zweckmässigerweise mündet in der Mitte der Scheibe 4 eine Leitung 6 ein, deren oberes Ende eine genau geschliffene Randfläche aufweist, die gegen eine ebenfalls genau geschliffene, an der oberen Scheibe 3 angeordnete Sitzfläche anliegt. Diese Vorrichtung ist im folgenden gemäss ihrer Wirkungsweise als Ventil V bezeichnet.
Ferner mündet eine weitere Rohrleitung 7 an einer an sich beliebigen Stelle in die Membrandose 3, 4 ein, die zu einer Pumpe 8 beliebiger Bauart führt. In diese Leitung 7 ist ein Absperrorgan oder ein Rückschlagventil 9 und vor diesem eine hydraulische oder pneumatische Druckanzeigevorrichtung 10 eingeschaltet. Die Druckerzeugungs- und die Anzeigevorrichtung befinden sich ausserhalb des Bauwerkes an einer geschützten, aber leicht zugänglichen Beobachtungsstelle. Mit dem Bezugszeichen 11 ist ein Flüssigkeitsbehälter bezeichnet, in welchen die Rückleitung 6 und die Zuleitung 12 für die Pumpe 8 einmünden. In der Zuleitung 12 ist ein übliches Rückschlagventil 13 eingebaut. Die ausserhalb des zu messenden Bauteiles befindlichen Teile 8-13 der Messanlage können beliebig abgebaut, überprüft und später wieder angeschlossen werden.
Als Hilfsstoff kann man beispielsweise Öl verwenden. Bei grösseren Höhenunterschieden zwischen Geber 2 und Apparatur 8-13 kann es zweckmässig sein, einen gasförmigen Hilfsstoff zu verwenden, um das Eigengewicht des Hilfsstoffes möglichst gering zu halten.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist wie folgt:
Wie schon erwähnt, lastet auf der Membrandose 3, 4 ein der Spannung im Beton entsprechender Druck, und da die Dosenscheiben dicht aufeinanderliegen, wird der Druck aus der Spannung des Betons unmittelbar durch die Dose hindurchgeleitet, ohne dass der hydraulische Hilfsstoff unter Druck stehen muss. Die Dosenscheiben 3, 4, insbesondere die obere Scheibe 3, können so dünn gehalten werden, dass sie zugunsten der Biegeelastizität vernachlässigbare Steifigkeitswerte aufweisen. Infolgedessen kann die Gesamtstärke der Dose so dünn gegenüber dem Durchmesser gehalten werden, dass der Einfluss der nichtelastischen Dehnungen, wie Schwinden, Quellen und Kriechen des Betons, praktisch zu Null wird.
Presst man mittels der Pumpe 8 den Hilfsstoff in den Raum zwischen den Scheiben 3 und 4 ein, so baut sich zwischen diesen ein Druck auf, der so weit ansteigt, bis der durch die Betonspannung bewirkte Druck überwunden ist und sich zufolge der Elastizität des Betons die Scheiben 3, 4 voneinander abheben, und zwar maximal in der Dosenmitte. Dabei öffnet sich das Ventil V und es kann der nach Erreichen der Spannung noch weiter eingepresste Hilfsstoff über die Leitung 6 drucklos abfliessen.
Der Maximalwert des sich in der Dose aufbauenden Druckes des Hilfsstoffes ist also auf die Grösse der Betondruckspannung begrenzt.
Diese Einpressung von Hilfsstoff kann in beliebigen Zeitabständen wiederholt werden, wodurch man über längere Zeitabstände ein genaues Bild der Spannungszustände gewinnen kann.
Bleibt das Absperrorgan 9 nach einer Ablesung über längere Zeit geschlossen, so ist am Ende dieser Zeit das zwischenzeitlich eingetretene Minimum der Druckspannung an der Anzeigevorrichtung 10 abzulesen, da sich bei Verringerung der Betonspannung das Ventil V wieder, unter Umständen mehrmals, öffnet und den Überdruck aus Dose 3, 4 über die Rückleitung 6 abbaut.
Führt man den Hilfsstoff in stetig gleichbleibender Menge der Dose 3, 4 zu, z. B. durch eine Zahnradpumpe, so wird durch das Ventil V zu jeder Zeit automatisch der Druck des Hilfsstoffes auf die Betonspannung einreguliert und die Betonspannung kann als Staudruck durch einen Druckschreiber laufend registriert werden.
2. Porenwasserdruckmessung
Eine die Betonspannung wesentlich beeinflussende Komponente ist der Porenwasserdruck. Es hat sich herausgestellt, dass das vorgeschlagene Verfahren und die dazu gehörige Vorrichtung für die direkte Messung des Porenwasserdruckes im wesentlichen unverändert verwendet werden kann, jedoch mit der Massnahme, dass man über der Membrandose eine oder mehrere Filterschichten so aufbaut, dass der Porenwasserdruck ungehindert auf die Membrandose einwirken kann.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Messen von Porenwasserdruck.
Oberhalb der Membrandose 3, 4 sind ein oder mehrere Filterschichten 15 vorgesehen, damit nur der reine hydraulische Druck auf die Membrandose 3, 4 übertragen werden kann. Im übrigen ist der Aufbau der Messvorrichtung derselbe wie bei der Vorrichtung gemäss Fig. 1. Im Gegensatz zu der Vorrichtung gemäss Fig. 1, bei der die Betonspannung auf das Gerät einwirkt und gemessen wird, wirkt der reine Wasserdruck auf das Gerät ein, der durch die Anzeigevorrichtung gemessen wird.
3. Temperaturmessung
Ein weiterer den Spannungsverlauf im Beton beeinflussender Faktor ist die im Beton jeweils herrschende Temperatur. Auch die Messung der Betontemperatur kann grundsätzlich mit derselben Messmethode erfolgen, nämlich auf rein hydraulischem Wege. Dem Zwecke dieser Messung entsprechend weist der im Beton eingebaute Geber beispielsweise eine temperaturabhängige, einen Druck auf ein Ventil ausübende Vorrichtung auf, die ein Ventil des hydraulischen Systems selbsttätig steuert. Dabei besteht die temperaturabhängige Vorrichtung beispielsweise aus einem Bimetall- oder Gaswellrohr, das mit dem einen Ende an einem Gestell aufgehängt ist und dessen anderes, freies Ende einen Ventilring aufweist, wobei der Boden dieses Gestelles den Ventilsitz für den Ventilring bildet.
Der Ventilring selbst besteht zweckmässigerweise aus einem schmalen, beliebig hohen Zylinderstück, so dass zwischen dem unteren Abschlussboden des Bimetall- oder Gaswellrohres und dem Boden des Gestelles ein Druckraum entsteht, in welchem die von der Pumpe kommende Zuleitung einmündet.
Die Vorrichtung zum Messen der Temperatur mit der grundsätzlich gleichen Methode des hydraulischen Druckausgleiches im Geber ist ebenfalls baulich einfach und über lange Zeit störungsunanfällig. Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist dementsprechend einwandfrei. Die Vorteile sind, von den speziellen Eigenschaften abgesehen, dieselben wie beim Spannungsmesser.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur.
Diese Vorrichtung besteht aus einem in einem rahmenartigen Gestell 20 angeordneten Bimetalloder Wellrohr 21, dessen eines Ende am Rahmen 20 befestigt und dessen anderes Ende frei beweglich ist.
Das Ventil V besteht aus einem schmalen, beliebig hohen Ring 23, der am Boden 25 des Wellrohres 21 befestigt ist. Dadurch entsteht zwischen dem Boden 26 des Rahmens 20 und dem Boden 25 mit Ring 23 ein hydraulischer Druckventilraum 27. Das Ganze ist in einem Schutzgehäuse 24 untergebracht, das im Beton eingebaut ist. In den Druckraum 27 mündet die von der Pumpe 8 kommende Leitung 7 ein.
Ausserdem mündet die Rückleitung 6 in den Rahmen 20 und in das Gehäuse 24 ein. Die übrigen Teile der Vorrichtung stimmen mit denen der Vorrichtung gemäss Fig. 1 überein und führen auch dieselben Bezugszeichen.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende:
Die im Beton herrschende Temperatur wirkt auf das Bimetall- oder Wellrohr 21 und ruft eine gemäss dem eingezeichneten Pfeil gerichtete Druckkraft hervor. Hierdurch wird der an dem Wellrohr befindliche Ventilring 23 gegen den Boden 26 des Rahmens 20 gepresst und der Ventilraum 27 zusammen mit der von der Pumpe kommenden Zuleitung 7 werden verschlossen. Wird nun der Hilfsstoff in die Zuleitung 7 gepresst, so baut sich in dem durch den Ventilring 23 gebildeten Druckraum 27 ein so hoher Druck auf, wie er durch das Wellrohr 21 infolge der Temperatur erzeugt wurde. Der Ventilring 23 wird angehoben, sobald weiterer Hilfsstoff eingepresst wird. In diesem Augenblick kann aber der überschüssige Hilfsstoff über die Abführungsleitung 6 bis zum Druckausgleich entweichen, wonach das Ventil V sich wieder selbsttätig schliesst.
Der somit temperaturabhängige Druck im Ventilraum 27 und in der Zuführung 7 kann an der Anzeigevorrichtung 10 abgelesen werden.
4. Wegntessung
Ein weiterer wesentlicher Faktor, der den Ablauf der Spannung im Beton beeinflusst, ist die Verschiebung von Bauteilen gegeneinander, z. B. in Arbeitsfugen. Auch diese Messung kann grundsätzlich mit derselben Messmethode des Druckausgleiches in einem rein hydraulischen System durchgeführt werden. Die Gebervorrichtung besteht aus einer beispielsweise in einem zwischen einer Arbeitsfuge eingebauten, leicht dehnbaren Gehäuse frei aufgehängten Schraubenfeder oder dergleichen, die ein Doppelventil des hydraulischen Systems derart steuert, dass der sich im System aufbauende Druck dem jeweiligen Federzug entspricht.
Am unteren Ende der mit dem oberen Ende am Gehäuse spannungslos aufgehängten Schraubenfeder ist eine Ventilscheibe mit beiderseits angeordneten Abdichtungsringen befestigt, die mit oberen und unteren Ventilsitzflächen im Federgehäuse zusammenarbeiten. Bei dieser Bauart sind zwei Pumpen mit zwei Zuführungsleitungen vorgesehen, von denen die eine Leitung in das Federgehäuse und die andere Leitung in den Druckraum zwischen dem Gehäuseboden und der Ventilscheibe mit dem unteren Ventilring einmündet.
Soll die Schraubenfeder nur nach einer Richtung arbeiten, z. B. nach unten, so spannt man sie vor, wodurch nur noch eine Ventilsitzfläche, eine Zuleitung, ein Manometer und eine Pumpe erforderlich werden.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine Wegmessvorrichtung und
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch das Ventil gemäss Fig. 4 in vergrössertem Massstab.
Mit dem Bezugszeichen 31 ist eine Arbeitsfuge in einem Baukörper bezeichnet. In dieser Arbeitsfuge 31 und den beiderseitigen Beton wird ein beispielsweise zylindrisches, auf geeignete Weise in der Längsrichtung stark dehnbar gemachtes Gehäuse 32 eingebaut. In diesem Gehäuse 32 ist eine Schraubenfeder 33 gelagert. Die Schraubenfeder 33 wird spannungslos in das Gehäuse 32 eingesetzt und mit der dem Ventil entgegengesetzten festen Abschlussscheibe 43 verbunden, während am anderen Ende der Feder 33 eine Ventilscheibe 36 mit beiderseitig aufgesetzten schmalen Abdichtungsringen 45 angeschlossen ist. Diese Ventilscheibe 36 mit den beiderseitigen Abdichtungsringen 45 arbeitet gegen die Ventilsitzflächen 34, 35 an dem Gehäuse 32.
Die Zuführungsleitung 38, die an die Pumpe 40 angeschlossen ist, mündet oberhalb der oberen Ventilsitzfläche 35 in das Gehäuse 32 ein, während die Zuführungsleitung 37, die an die Pumpe 40' angeschlossen ist, wie bei den bisher beschriebenen Geräten in die untere Ventilsitzfläche 34 einmündet.
Ausserdem mündet, wie üblich, eine Abführungsleitung 6 in den Raum zwischen Ventilring 45 und Gehäuse 32 in den nicht dargestellten Flüssigkeitsbehälter.
Die Wirkungsweise ist wie folgt: Beim Erweitern der Fuge 31 legt die Schraubenfeder 33 einen Messweg x (positive Dehnung) und beim Verengen einen Messweg y zurück (negative Dehnung). Beim Erweitern der Fuge 31 legt sich die Ventilscheibe 36 mit dem oberen Ventilring 45 gegen die obere Ventilscheibe 35 und spannt anschliessend die Feder 33 auf Zug an. Wird nun durch die Pumpen 40 und 40' in die Leitungen 37 und 38 Hilfsstoff eingepresst, so kann der von der Leitung 37 kommende Hilfsstoff durch die Ventilöffnung zwischen der unteren Ventilsitzfläche 34 und dem unteren Ventilring 45 über die Leitung 6 drucklos abfliessen. Der über die Leitung 38 eingepresste Hilfsstoff dagegen gelangt in den Geberraum 32 und baut dort einen so hohen Ventildruck auf, wie der Verlängerung der Feder 33 durch den Weg x entspricht.
Die darüber hinaus eingepresste Menge Hilfsstoff hebt den Ventilteller 36 von der oberen Ventilsitzfläche 35 ab und der Hilfsstoff entweicht über die Leitung 6. Der so vom Federweg abhängige Druck kann am Manometer 10 abgelesen werden.
Beim Verengen der Fuge 31 legt sich zuerst die Ventilscheibe 36 mit dem unteren Ventilring 45 gegen die untere Ventilsitzfläche 34, wobei die Feder 33 um den Weg y zusammengedrückt wird.
Wird nun durch die Pumpen 40 und 40' Hilfsstoff in die Leitung 37 und 38 eingepresst, so kann der von der Leitung 38 kommende Hilfsstoff durch die Öffnung in den oberen Ventilsitzflächen 35 über die Leitung 6 drucklos entweichen. Der von der Leitung 37 kommende Hilfsstoff baut unter der Ventilscheibe 36 einen so hohen Druck auf, wie er der Verkürzung der Feder 33 und ihrer Federkonstanten durch den Weg y entspricht. Die darüber hinaus eingepresste Menge Hilfsstoff hebt die Ventil scheibe 36 von der unteren Ventilsitzfläche 34 ab und der Hilfsstoff entweicht über die Leitung 6 drucklos. Der so wegabhängige, begrenzte Druck kann am Monometer 10' abgelesen werden.
Man kann die nach zwei Seiten arbeitende Wegmessvorrichtung durch eine einseitige ersetzen, wenn man bei Einbau des Gerätes einen Teil des Messweges vorgibt, z. B. durch Vorspannen der Feder 33 mit Spanndraht um den Geber, der nach dem Einbau aufgetrennt wird oder beim Arbeiten der Fuge abreisst. Dadurch kann man z. B. den Ventilsitz 35 mit Zuleitung 38, Manometer 10 und Pumpe 40 einsparen.
5. Dehnungsmessung
Von Bedeutung für die Betonspannung ist ferner die Betondehnung. Zum Messen derselben verwendet man ein Messröhrchen, dessen Einmündung in einer im Beton verankerten Scheibe befestigt ist, während sein oberes, freies Ende als Ventil ausgebildet ist und gegen die obere, ebenfalls im Beton eingebaute Scheibe mit geringem Spiel anliegt.
Zweckmässigerweise kann das obere, als Ventil ausgebildete Ende des Messröhrchens tellerförmig erweitert werden. Das Messröhrchen ist von einem dehnbaren Mantel umgeben, der oben und unten an den im Beton eingebauten Scheiben befestigt ist.
Die von der Pumpe kommende Zuleitung ist an das untere Ende des Messröhrchens angeschlossen, während die Ablaufleitung in den durch den Mantel gebildeten Ringraum einmündet.
Auch diese Messvorrichtung arbeitet grundsätzlich nach dem Prinzip des Druckausgleiches auf hydraulischem Wege und weist dieselben Vorteile auf wie die beschriebenen Messvorrichtungen. Man ordnet sie zweckmässigerweise in der Nähe des Spannungsgebers an, um unter möglichst gleichen Bedingungen stehende Messungen zu erreichen. Die Messvorrichtung kann daher bei Anordnung von entsprechenden Abzweigungen und Absperrschiebern an die bereits vorhandene Pumpanlage angeschlossen werden.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Messen der Dehnung, und
Fig. 7 zeigt eine zweite ähnliche Vorrichtung.
Die Vorrichtung besteht aus einem dünnwandig geraden oder schraubenförmig gewundenen Messröhrchen 41. Am oberen Ende ist dieses offen und als Ventil 42 ausgebildet. Das Messröhrchen 41 ist an der Einführungsstelle in das Gerät an der dort befindlichen Endscheibe 50 befestigt, die im Beton verankert ist. Am oberen freien Ende liegt das Messröhrchen 41 mit seiner Öffnung gegen die andere Endscheibe 51, die ebenfalls im Beton verankert ist. Als Variante kann das Messröhrchen 41 zur Erweiterung des Messbereiches bzw. zur Verringerung des erforderlichen Druckes tellerförmig (Bezugszeichen 52) eweitert werden. Das Messröhrchen 41 ist von einem zwischen den Scheiben 50, 51 konzentrisch angeordneten Schutzmantel 53 umgeben, der leicht dehnbar sein muss. In diesen Schutzmantel 53 mündet die Öffnung der Abflussleitung 6.
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist wie folgt:
Bei negativer Dehnung des Betons bzw. Druck werden die Endscheiben 50, 51 gegeneinander geführt und damit das Messröhrchen 41 mit derselben negativen Dehnung wie der Beton zusammengedrückt.
Hierdurch wird die obere Ventilöffnung des Messröhrchens 41 unter Druck geschlossen. Wird nun über die Leitung 7 Hilfsstoff in das Messröhrchen 41 eingepresst, so baut sich in demselben ein Druck auf, der eine Tangentialspannung bewirkt und diese wiederum eine negative Dehnung in Achsrichtung hervorruft. Sobald die der tangentialen Zugspannung des Messröhrchens zugeordnete Axialdehnung grösser werden will als die Dehnung des Betons, wird die Druckspannung im Messröhrchen durch Öffnen des Ventilsitzes begrenzt.
Die Ausbildung des Ventilsitzes 52 als Erweiterung des Messröhrchens 41 erzielt die der Betondehnung entsprechende Axialdehnung des Messröhrchens 41 bereits bei einem niedrigeren Druck, als der Tangentialdehnung entspricht, nämlich durch die axiale Druckkraft, die durch die Vergrösserung des Ventilsitzes erzielt wird. In beiden Fällen entspricht jedem Dehnungsmass des Betons ein bestimmter Druck in der Zuführungsleitung 7. Die durch das Ventil 42 bzw. 52 freigesetzte Menge des Hilfsstoffes wird über die Leitung 6 abgeführt.
Procedure for measuring stresses, temperatures, pore water pressure,
Expansions, shifts or joint openings in synthetic building materials and device for carrying out the process
When calculating the static loads on structures made of concrete and reinforced concrete, so many assumptions have to be made that the results no longer appear sufficiently reliable. This computational uncertainty is compensated by the introduction of a more or less high safety factor.
In this way, sufficient stability and fracture security of the structure is achieved, but this can be quite expensive as a result of the resulting oversizing of the structure.
Sometimes this calls into question the introduction of new types of construction. So is z. In the case of prestressed structures, for example, it has not yet been proven to what extent the prestressing introduced is reduced over the course of the years due to the shrinkage and creep of the concrete, the completion of which is generally assumed to take six years.
It is true that recently it has been possible to measure the magnitude of the prestress, which is usually briefly introduced, to a certain extent by measuring the elongation, but these devices cannot be used for perfect measurement over the years for reasons explained below.
Similar problems exist with prestressed pressurized water tunnels. In the case of these structures, there is also the fact that the stress distribution can no longer be computed at all due to the constant rock movements. Attempts have been made to measure the voltage distribution and conversion with electrical measuring devices, but apart from a previously unachieved constancy of the measuring devices over a long period of time, they failed at higher water pressures and failed in a short time.
With the known measuring string transmitters it was found that the tension of the measuring strings decreased within a short period of time due to material fatigue. Since the measuring string is housed in a cavity in the encoder, it had to be absolutely sealed against the ingress of water and moisture. Nevertheless, it turned out that in the course of time moisture penetrated or condensed into the vibration chamber, whereby either the strings rusted or short circuits occurred as a result of moisture bridges.
In the case of resistance transmitters, it has been found that the fine resistance wires or their connection points suffered interruptions due to the fact that moisture penetrated into the likewise hollow transmitter space, into the cable itself and into the cable connections and adversely changed the insulation resistance.
If the insulation changes from 1. 106 ohms in the encoder or in the measuring cable, which is around 100 meters long at such measuring points between the encoder and the observation point, there is already a change in the measured value display roughly the size of the entire measuring range of the encoder. These resistance transmitters, which are particularly sensitive to moisture, also failed after a short time.
The only method for long-term measurement that has been usable so far is that using mechanical strain gauges or dial gauges with a large base length. However, it can only be used to a limited extent in easily accessible places. These measurements are strain measurements and can hardly be used to determine the stress, especially in statically indeterminate systems.
This experience has recently led to the development of a concrete tension measuring device, which has remained with the known electrical transmission means. With these means of transmission, however, one can only measure reliably for a short time, but not over several years.
In addition, these encoders still show a certain influence of the tension-free strain on the tension display, because the construction height is too high. The maximum error that occurs is around 10% of the elongation, which, however, already corresponds to the order of magnitude of the stresses to be measured in the concrete.
In the case of the last-mentioned devices, two rigid disks were used as transmitters, which are welded to one another at their edges and are designed here or next to the edge in such a way that movement of the disks relative to one another is facilitated. Between the discs there is a liquid that transfers the pressure exerted on the disc to a membrane either embedded in the disc or located a short distance away. The deflection of this membrane is then measured electrically using resistance wires. The disadvantages of these electrical transmission methods have already been explained.
With these devices, the measurement is not based on an immediate tension measurement, but rather on a strain measurement. A separate dimensioning of the measuring membrane is required for each measuring range, that is, the respective measuring range of the encoder must be estimated as precisely as possible during the construction with regard to the accuracy.
The present invention relates to a method for measuring tensions, temperatures, pore water pressure, elongations, displacements or joint openings in synthetic building materials and the method is characterized in that the tensions, temperatures, pore water pressures, expansions, displacements or joint openings prevailing in the building material body directly and via any long periods of time can be measured purely hydraulically or pneumatically by at least one system with at least one encoder built into the building material.
The invention further relates to a device for carrying out the method according to the invention, which is characterized by at least one mechanical transmitter built into the building material body, into which at least one feed pipe provided with at least one pressure indicator opens out and a drain pipe runs out, in such a way that a located on the transmitter, under The discharge valve standing under the influence of the forces to be measured is actuated by means of an auxiliary substance pressed in through the supply pipe as soon as the pressure of the auxiliary substance has reached the counterpressure to be measured, whereby the result can be read directly on the pressure display device.
This method has the indisputable advantage over the known methods and devices that the measurement of the voltage prevailing in the concrete is not carried out via mechanical and / or electrical conversion and transmission parts, but directly via pneumatic or hydraulic means, namely, for example, by means of hydraulic or pneumatic pressure compensation he follows. It is undisputed that hydraulic pressure compensation systems in particular remain structurally simple, less prone to failure and remain functional over long periods of time. In particular, they are insensitive to the effects of moisture and water pressure that can be misrepresented in the display.
Using the drawing, exemplary embodiments of the method according to the invention and exemplary embodiments of the device according to the invention for carrying out the method are explained below.
Either 1. stresses, 2. pore water pressure, 3. temperatures, 4. displacements or joint openings or 5. elongations are measured.
1. Voltage measurement
The device for the direct measurement of stresses in concrete or subsoil is designed, for example, in such a way that the transducer built into the component consists of two thin membrane disks lying on top of one another without spacing and pressure-tightly connected along the circumference, one of which has a drainage opening approximately in its center formed as a valve seat edge and the other is provided with a ground seat.
The supply line for the auxiliary material coming from the pump, in which the display device is also arranged, can open into the diaphragm can at any point. In addition to the natural roughness, the lower membrane disk expediently has an artificially roughened surface.
The method proposed for measuring stresses in concrete or subsoil and the associated device have the following advantages:
1. Avoidance of mechanical translation mechanisms,
2. Avoidance of measured value conversion (direct voltage reading),
3. no electrical components,
4. Avoidance of cavities in the encoder,
5. No traceability of the measurement to strain measurement,
6. Uniform encoder design for all measuring ranges; Measuring range through exchangeable and always controllable pressure indicator,
7. simple, failure-prone encoder construction,
8. Corrosion resistance of the encoder,
9. low cost,
10. No influence from tension-free expansion and changes in the modulus of elasticity,
11. Avoidance of a closed encoder system,
12. reliable long-term measurement, and
13. Registration option.
Fig. 1 shows a section through a device for measuring the voltage.
A transmitter 2 is built into the concrete body when concreting.
The tension generator consists of an upper thin-walled disk 3 made of spring material, under which a further disk 4 is arranged without a gap. Along the circumference 5 of the disks 4 and 3, these are by suitable means, e.g. B. by folding, welding or gluing z. B. by means of synthetic resin, connected to each other in a liquid-tight manner.
The inner surface of the lower disk 4 can, apart from the natural roughness of both disks, be artificially roughened somewhat. As a result of the pressure forces acting on the membrane-like disks 3 and 4 from above and below, which are indicated in the drawing by arrows, the two disks 3 and 4 lie tightly against one another.
Expediently, a line 6 opens in the middle of the disk 4, the upper end of which has a precisely ground edge surface which rests against a seat surface which is also precisely ground and arranged on the upper disk 3. This device is referred to below as valve V according to its mode of operation.
Furthermore, another pipeline 7 opens into the diaphragm box 3, 4 at any point, which leads to a pump 8 of any type. In this line 7, a shut-off device or a non-return valve 9 and a hydraulic or pneumatic pressure indicator device 10 are connected in front of this. The pressure generating device and the display device are located outside the building at a protected but easily accessible observation point. Reference numeral 11 denotes a liquid container into which the return line 6 and the feed line 12 for the pump 8 open. A conventional check valve 13 is installed in the supply line 12. The parts 8-13 of the measuring system located outside the component to be measured can be dismantled, checked and later reconnected as required.
Oil, for example, can be used as an auxiliary substance. In the case of greater height differences between the transmitter 2 and the apparatus 8-13, it may be useful to use a gaseous auxiliary substance in order to keep the dead weight of the auxiliary substance as low as possible.
The device works as follows:
As already mentioned, a pressure corresponding to the tension in the concrete is applied to the diaphragm box 3, 4, and since the box washers lie close together, the pressure from the tension in the concrete is passed directly through the box without the hydraulic auxiliary having to be under pressure. The can washers 3, 4, in particular the upper washer 3, can be kept so thin that they have negligible stiffness values in favor of the flexural elasticity. As a result, the overall thickness of the can can be kept so thin compared to the diameter that the influence of non-elastic expansions, such as shrinkage, swelling and creep of the concrete, is practically zero.
If the auxiliary substance is pressed into the space between the panes 3 and 4 by means of the pump 8, a pressure builds up between them that increases until the pressure caused by the concrete tension is overcome and, due to the elasticity of the concrete, the Lift disks 3, 4 from one another, at most in the middle of the can. The valve V opens and the auxiliary substance, which has been pressed in further after the voltage has been reached, can flow off via line 6 without pressure.
The maximum value of the pressure of the auxiliary material building up in the can is therefore limited to the size of the concrete compressive stress.
This injection of auxiliary material can be repeated at any time, so that an accurate picture of the stress conditions can be obtained over longer time intervals.
If the shut-off element 9 remains closed for a long time after a reading, then at the end of this time the minimum compressive stress that has occurred in the meantime can be read on the display device 10, since when the concrete stress is reduced, the valve V opens again, possibly several times, and the overpressure disappears Can 3, 4 dismantles via the return line 6.
If the excipient is fed to the can 3, 4 in a constant amount, z. B. by a gear pump, the pressure of the additive on the concrete tension is automatically regulated at any time by the valve V and the concrete tension can be continuously registered as dynamic pressure by a pressure recorder.
2. Pore water pressure measurement
The pore water pressure is a component that has a major influence on the concrete stress. It has been found that the proposed method and the associated device for the direct measurement of the pore water pressure can be used essentially unchanged, but with the measure that one or more filter layers are built up over the membrane box so that the pore water pressure is unimpeded Membrane can act.
Fig. 2 shows a section through a device for measuring pore water pressure.
One or more filter layers 15 are provided above the diaphragm can 3, 4 so that only the pure hydraulic pressure can be transmitted to the diaphragm can 3, 4. Otherwise, the structure of the measuring device is the same as in the device according to FIG. 1. In contrast to the device according to FIG. 1, in which the concrete tension acts on the device and is measured, the pure water pressure acts on the device the display device is measured.
3. Temperature measurement
Another factor influencing the stress curve in the concrete is the temperature prevailing in the concrete. The measurement of the concrete temperature can in principle also be carried out with the same measuring method, namely in a purely hydraulic way. According to the purpose of this measurement, the transmitter built into the concrete has, for example, a temperature-dependent device that exerts pressure on a valve and that automatically controls a valve of the hydraulic system. The temperature-dependent device consists, for example, of a bimetallic or corrugated gas pipe, one end of which is suspended from a frame and the other, free end of which has a valve ring, the base of this frame forming the valve seat for the valve ring.
The valve ring itself expediently consists of a narrow, arbitrarily high cylinder piece, so that a pressure space is created between the lower end base of the bimetal or corrugated gas pipe and the base of the frame, in which the feed line coming from the pump opens.
The device for measuring the temperature with basically the same method of hydraulic pressure equalization in the transmitter is also structurally simple and not susceptible to failure over a long period of time. The operation of the device is accordingly perfect. Apart from the special properties, the advantages are the same as with the voltmeter.
Fig. 3 shows a section through a device for measuring the temperature.
This device consists of a bimetal or corrugated tube 21 arranged in a frame-like frame 20, one end of which is attached to the frame 20 and the other end of which is freely movable.
The valve V consists of a narrow ring 23 of any height which is attached to the bottom 25 of the corrugated pipe 21. This creates a hydraulic pressure valve chamber 27 between the bottom 26 of the frame 20 and the bottom 25 with ring 23. The whole is housed in a protective housing 24 which is built into the concrete. The line 7 coming from the pump 8 opens into the pressure chamber 27.
In addition, the return line 6 opens into the frame 20 and into the housing 24. The remaining parts of the device correspond to those of the device according to FIG. 1 and also have the same reference numerals.
The device works as follows:
The temperature prevailing in the concrete acts on the bimetallic or corrugated pipe 21 and causes a pressure force directed according to the arrow shown. As a result, the valve ring 23 located on the corrugated pipe is pressed against the bottom 26 of the frame 20 and the valve chamber 27 together with the supply line 7 coming from the pump are closed. If the auxiliary substance is now pressed into the supply line 7, a pressure as high as that generated by the corrugated pipe 21 as a result of the temperature builds up in the pressure space 27 formed by the valve ring 23. The valve ring 23 is raised as soon as further auxiliary material is pressed in. At this moment, however, the excess auxiliary substance can escape via the discharge line 6 until the pressure is equalized, after which the valve V closes again automatically.
The thus temperature-dependent pressure in the valve chamber 27 and in the feed 7 can be read on the display device 10.
4. Distance measurement
Another important factor influencing the tension in concrete is the displacement of components against one another, e.g. B. in construction joints. In principle, this measurement can also be carried out using the same pressure compensation measurement method in a purely hydraulic system. The transmitter device consists of a helical spring or the like freely suspended, for example, in a slightly expandable housing installed between a construction joint, which controls a double valve of the hydraulic system in such a way that the pressure building up in the system corresponds to the respective spring tension.
At the lower end of the helical spring, which is suspended tension-free from the housing at the upper end, a valve disc with sealing rings arranged on both sides is attached, which cooperate with the upper and lower valve seat surfaces in the spring housing. In this design, two pumps with two supply lines are provided, one of which opens into the spring housing and the other line opens into the pressure space between the housing base and the valve disc with the lower valve ring.
Should the coil spring only work in one direction, e.g. B. downwards, it is biased, which means that only a valve seat surface, a supply line, a pressure gauge and a pump are required.
Fig. 4 shows a section through a displacement measuring device and
FIG. 5 shows a section through the valve according to FIG. 4 on an enlarged scale.
The reference numeral 31 denotes a construction joint in a building. In this construction joint 31 and the concrete on both sides, a, for example, cylindrical housing 32 which is made highly expandable in a suitable manner in the longitudinal direction is installed. A helical spring 33 is mounted in this housing 32. The helical spring 33 is inserted without tension into the housing 32 and connected to the fixed closing disk 43 opposite the valve, while a valve disk 36 with narrow sealing rings 45 placed on both sides is connected to the other end of the spring 33. This valve disk 36 with the sealing rings 45 on both sides works against the valve seat surfaces 34, 35 on the housing 32.
The feed line 38, which is connected to the pump 40, opens into the housing 32 above the upper valve seat surface 35, while the feed line 37, which is connected to the pump 40 ', opens into the lower valve seat surface 34, as in the devices previously described .
In addition, as usual, a discharge line 6 opens into the space between valve ring 45 and housing 32 in the liquid container, not shown.
The mode of operation is as follows: when widening the joint 31, the helical spring 33 covers a measuring path x (positive expansion) and when narrowing a measuring path y (negative expansion). When the joint 31 is widened, the valve disc 36 with the upper valve ring 45 rests against the upper valve disc 35 and then tensions the spring 33 in tension. If auxiliary material is now pressed into lines 37 and 38 by pumps 40 and 40 ', the auxiliary material coming from line 37 can flow off without pressure through the valve opening between lower valve seat surface 34 and lower valve ring 45 via line 6. On the other hand, the auxiliary substance pressed in via the line 38 reaches the master chamber 32 and there builds up a valve pressure that is as high as the extension of the spring 33 through the path x.
The additional amount of auxiliary substance pressed in lifts the valve disk 36 from the upper valve seat surface 35 and the auxiliary substance escapes via the line 6. The pressure thus dependent on the spring travel can be read on the pressure gauge 10.
When the joint 31 narrows, the valve disk 36 with the lower valve ring 45 first rests against the lower valve seat surface 34, the spring 33 being compressed by the path y.
If the auxiliary substance is now pressed into the line 37 and 38 by the pumps 40 and 40 ', the auxiliary substance coming from the line 38 can escape without pressure through the opening in the upper valve seat surfaces 35 via the line 6. The auxiliary substance coming from the line 37 builds up such a high pressure under the valve disk 36 as it corresponds to the shortening of the spring 33 and its spring constant through the path y. The additional injected amount of auxiliary material lifts the valve disk 36 from the lower valve seat surface 34 and the auxiliary material escapes via line 6 without pressure. The travel-dependent, limited pressure can be read on the monometer 10 '.
You can replace the distance measuring device working on two sides with a one-sided one if you specify part of the measuring path when installing the device, e.g. B. by biasing the spring 33 with tension wire around the encoder, which is separated after installation or tears off when working the joint. This allows z. B. save the valve seat 35 with supply line 38, pressure gauge 10 and pump 40.
5. Strain measurement
Concrete elongation is also important for concrete stress. To measure the same, a measuring tube is used, the mouth of which is attached to a disc anchored in concrete, while its upper, free end is designed as a valve and rests against the upper disc, which is also built into the concrete, with little play.
The upper end of the measuring tube, designed as a valve, can expediently be widened in the shape of a plate. The measuring tube is surrounded by an elastic jacket that is attached to the discs built into the concrete at the top and bottom.
The feed line coming from the pump is connected to the lower end of the measuring tube, while the drain line opens into the annular space formed by the jacket.
This measuring device also works in principle on the principle of pressure equalization by hydraulic means and has the same advantages as the measuring devices described. It is best to arrange them near the voltage transmitter in order to achieve measurements that are as constant as possible. The measuring device can therefore be connected to the existing pumping system with the arrangement of appropriate branches and gate valves.
6 shows a section through a device for measuring the elongation, and
Fig. 7 shows a second similar device.
The device consists of a thin-walled straight or helically wound measuring tube 41. At the upper end, this is open and designed as a valve 42. The measuring tube 41 is fastened at the point of introduction into the device on the end disk 50 located there, which is anchored in the concrete. At the upper free end, the measuring tube 41 lies with its opening against the other end disk 51, which is also anchored in the concrete. As a variant, the measuring tube 41 can be widened in the shape of a plate (reference number 52) to expand the measuring range or to reduce the required pressure. The measuring tube 41 is surrounded by a protective jacket 53 which is arranged concentrically between the disks 50, 51 and which must be slightly expandable. The opening of the discharge line 6 opens into this protective jacket 53.
The device works as follows:
In the event of negative expansion of the concrete or pressure, the end disks 50, 51 are guided against one another and the measuring tube 41 is thus compressed with the same negative expansion as the concrete.
As a result, the upper valve opening of the measuring tube 41 is closed under pressure. If auxiliary substance is now pressed into the measuring tube 41 via the line 7, a pressure builds up in the same, which causes a tangential tension and this in turn causes a negative expansion in the axial direction. As soon as the axial expansion associated with the tangential tensile stress of the measuring tube wants to be greater than the expansion of the concrete, the compressive stress in the measuring tube is limited by opening the valve seat.
The design of the valve seat 52 as an extension of the measuring tube 41 achieves the axial expansion of the measuring tube 41 corresponding to the concrete expansion at a pressure lower than the tangential expansion, namely through the axial compressive force, which is achieved by the enlargement of the valve seat. In both cases, each expansion dimension of the concrete corresponds to a certain pressure in the supply line 7. The amount of auxiliary material released by the valve 42 or 52 is discharged via the line 6.