DD255791A1

DD255791A1 - Verfahren zur ermittlung dynamischer materialkennwerte

Info

Publication number: DD255791A1
Application number: DD29580686A
Authority: DD
Inventors: Helmut Kuch; Peter Friedrich; Peter Traut; Gerhart Loebel
Original assignee: Architektur Bauwesen Hochschul
Priority date: 1986-10-31
Filing date: 1986-10-31
Publication date: 1988-04-13

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Ermittlung dynamischer Materialkennwerte dar, mit dem repräsentative Materialkennwerte von visko-elastischen Materialien unter variablen Prüfbedingungen bestimmt werden können. Dabei werden diese Kennwerte, die das elastische und dämpfende Verhalten charakterisieren, direkt und unter Berücksichtigung der rheologischen Eigenschaften ermittelt.{Dynamische Materialkennwerte, rheologische Eigenschaften, Vibrationsverdichtung, Frischbeton, harmonische Schwingungen, Vibrationsfertiger}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Anwendung kann überal dort angewendet werden, wo visko-elastisch-plastische Materialien, Schüttgüter und schüttgutähnliche Stoffe auf ihre elastischen und dämpfenden Materialeigenschaften untersucht werden sollen, um z. B. Verdichtungsprozesse optimal zu gestalten oder z. B. Betonsteinfertiger maschinentechnisch auslegen zu können.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei den bekannten technischen Lösungen gibt es verschiedene Verfahren zur Bestimmung von Materialkennwerten, die zumeist an spezielle Prüf Objekte und Prüfvorrichtungen gebunden sind. Die Kennwerte, die das elastische und dämpfende Verhalten der Materialien beschreiben sollen, werden jeweils für spezielle Anwendungsgebiete bestimmt.

In der Patentschrift 2320796 wird ein Verfahren zur Ermittlung dynamischer Materialkennwerte beschrieben, bei dem die Reaktion eines Prüfobjektes auf einen Stoßimpuls gemessen und registriert wird und in Abhängigkeit von dem gewählten rheologischen Modell für das Material Federkonstante und Dämpfungskonstante als dynamische Materialkennwerte berechnet werden.

Prüfobjekte sind Straßenbefestigungen, Erdstoffe, bituminöse Gemische und aus diesen hergestellte Konstruktionsschichten.

Der Stoßimpuls auf die Oberfläche des Prüfobjektes wird durch eine Fallmasse erzeugt.

Nachteile dieses Verfahrens bestehen in folgendem:

— die Messung erfolgt bedingt durch den Stoßimpuls nur in einem sehr kurzen Zeitraum und unter einer invariablen Prüfbedingung und ist dadurch nur bedingt repräsentativ;

— die Materialkennwerte können nicht unter Einwirkung periodischer Kräfte, wie z. B. bei der Vibrationsverdichtung, bestimmt werden;

— die Bestimmung der Materialkennwerte an geometrisch kleinen Prüfobjekten, wie Betonsteinen, ist auf Grund der Bauart des Fallgerätes nicht möglich;

— die zeitliche Veränderung der Materialkennwerte während Ver- und Bearbeitungsvorgängen ist nicht erfaßbar.

In einer Reihe von Verfahren wird der dynamische Elastizitätsmodul als elastische Materialkenngröße ermittelt. Dabei wird das visko-elastisch-plastische Material, insbesondere Frischbeton, welches sich in einer Form befindet, als Kontinuum aufgefaßt und die Ausbreitgeschwindigkeit von Schallwellen im Material bestimmt. Unter Kenntnis der Dichte des Materials kann der dynamische Elastizitätsmodul berechnet werden

Nachteile dieses Verfahrens sind:

— Für die Messung ist es erforderlich, Schallaufnehmer in das Material einzubringen, was bei Prüfungen mit Auflast nicht möglich ist.

— Ein Kennwert für die Dämpfung läßt sich mit diesem Verfahren nicht bestimmen.

— Das Theologische Verfahren der Prüfobjekte bleibt unberücksichtigt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Ermittlung repräsentativer Materialkennwerte von visko-elastisch-plastischen Materialien, mit denen die elastischen und dämpfenden Eigenschaften der zu prüfenden Materialien unter verschiedenen Bedingungen hinreichend charakterisiert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu entwickeln, das es gestattet,

— für visko-elastisch-plastische Materialien Kennwerte zu ermitteln, die sowohl elastische als auch dämpfende Materialeigenschaften kennzeichnen,

— diese Kennwerte direkt zu ermitteln und ihre zeitliche Veränderung, z. B. während Verdichtungsvorgängen, zu erfassen,

— die Theologischen Eigenschaften des Materials zu berücksichtigen,

— Sensoren außerhalb des zu untersuchenden Materials anzubringen,

— die Materialkennwerte unter variablen Prüfbedingungen zu bestimmen,

— das Prüfobjekt in beliebiger Weise periodisch zu erregen, um die Kennwerte für unterschiedliche Anwendungsfälle, wie z.B. maschinentechnische Auslegung von Vibrationsmaschinen, zu bestimmen.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß visko-elastisch-plastische Materialien, wie z. B. Frischbeton, als Prüfobjekte in geometrisch beliebigen Formen auf Vibriervorrichtungen periodisch erregt werden. Die Erregung kann durch die Verwendung entsprechender Generatoren z. B. als harmonische Schwingung, Impulsfolgen, Sägezahnfunktion geschehen, wobei die Stärke der Erregung und deren Frequenz variierbar sind. Die Prüfung der Materialien kann mit oder ohne Auflast erfolgen. Der Schwingungszustand des Prüfobjektes und der schwingenden Teile der Vibriervorrichtung wird durch Sensoren erfaßt, die an entsprechenden Stellen außerhalb des zu untersuchenden Materials angebracht sind und unter Verwendung geeignete Meß- und Rechentechnik, wie z. B. integrierender Verstärker, Filter, Oszillographen, Mikrorechner aufgezeichnet und registriert, um zeitliche Veränderung der Schwingungsgrößen z. B. bei der Vibrationsverdichtung zu erfassen.

Für die Prüfobjekte werden geeignete Theologische Modelle, welche die gesuchten Kennwerte beinhalten, aufgestellt und mathematisch beschrieben. Unter Berücksichtigung des Schwingungszustandes der Vibriervorrichtung, des Theologischen Materialmodells und der Erregerfunktion werden die unbekannten dynamischen Materialkennwerte, wie z. B. Federkonstante, Dämpfungskonstante, Elastizitätsmodul, errechnet

Mit dem Verfahren ist es möglich:

1. die unbekannten Materialkennwerte, wie z. B. Elastizitätsmodul, Federkonstante, Dämpfungskonstante, unter verschiedenen Bedingungen wie z. B. variierbare Erregerfrequenz und -stärke, mit unterschiedlicher Auflast, mit unterschiedlichen geometrischen Abmessungen der Prüfkörper, vorzugsweise prismatische Körper, zu bestimmen;

2. die unbekannten Materialkennwerte in ihrer zeitlichen Veränderung z. B. während eines Verdichtungsvorganges zu erfassen;

3. die Theologischen Eigenschaften zu berücksichtigen;

4. alle Sensoren außerhalb des zu untersuchenden Materials anzubringen;

5. die ermittelten Materialkennwerte für die maschinentechnische Auslegung von Verdichtungsmaschinen oder für die Steuerung des Verdichtungsvorganges von Frischbeton heranzuziehen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll am Beispiel der Bestimmung von Federkonstante und Dämpfungskonstante eines Frischbetonelementes erläutert werden.

Der Frischbeton 1 wird in eine Form 2 gefüllt, die an einem elektrodynamischen Schwingungserreger 3 befestigt ist. Eine Auflast 4 wird durch eine Feder 5 auf die Betonoberfläche gedrückt. Durch einen Generator 6 wird eine oszillierende Spannung mit beliebiger Frequenz erzeugt, durch einen Verstärker 7 verstärkt und dem Schwingungserreger 3 zugeführt. Mit den Beschleunigungsaufnehmern 8 wird die Schwingbeschleunigung am Tisch des Erregers 3 und an der Auflast 4 aufgenommen, durch integrierende Meßverstärker 9 die Meßspannung verstärkt und die Amplituden der Beschleunigungen sowie deren Phasenverschiebung zur Erregerkraft, die durch Phasenwinkelmeßgeräte 10 gemessen werden auf einem Schreiber 11 aufgezeichnet.

Wird der Frischbeton als Kelvin-Voigt-Körper modelliert, ergibt sich folgender Ansatz für die Bewegungsgleichung des Zwei-Massen-Schwingungssystems.

+ (X₁ - X₂) K₂ + (Χι - X₂) C₂ + CiXi + kiXi = F sin(fl · t) m₂x₂ - Ix₁ - X₂) K₂ - (X₁ - X₂) C₂ + C₃X₂ = O

Die Lösung für die unbekannten Federkonstante c₂ und Dämpfungskonstante K₂ des Frischbetons ist:

[F + (rrii · ΧιΩ² - CiXi)cospi - KiXiflsinp] (X₁ · COSp₁ - x₂cosp₂) - [(-m-,ΧιΩ² + CiX₁)SInP₁ - K₁X₁UCOSp₁)I(Xi cosp-, - X₂COSp₂)

² X₁ ² + X₂ ² - 2X₁X₂COS(P₁ - p₂)

K₂ =

[F₀ + (ITi₁X₁U² - C₁X₁)COSp₁ - KiX₁USInPi](X₁ sinpi - x₂sinp₂) + CiXi)sinpi - K₁X₁QcOSp₁)] (Xi cospi - x₂cosp₂)

X₂ ² - 2x,x₂cos(pi -

Claims

Verfahren zur Ermittlung dynamischer Materialkennwerte, insbesondere von visko-elastischplastischen Materialien, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Material als geometrisch beliebig geformtes Prüfobjekt periodisch erregt wird, z. B. durch harmonische Schwingungen, Impulsfolgen, Sägezahnfunktion, wobei die Stärke und Frequenz der Erregung variierbar sind, die Prüfung mit oder ohne Auflast erfolgt und unter Verwendung geeigneter Meß- und Rechentechnik der Schwingungszustand des Prüfkörpers und der Prüfvorrichtung, vorzugsweise durch Sensoren, die außerhalb des Prüfobjektes angebracht sind, erfaßt wird, um die zeitliche Veränderung der Schwingungsgrößen zu registrieren und unter Berücksichtigung der Erregerfunktion und eines geeigneten rheologischen Modells für das Prüfobjekt z. B. Bingham-Körper, Kelvin-Voigt-Körper, die unbekannten Materialkennwerte berechnet werden.

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