DD255791A1

DD255791A1 - METHOD FOR DETERMINING DYNAMIC MATERIAL CHARACTERISTICS

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}The invention provides a method for determining dynamic material properties, with which representative material characteristics of visco-elastic materials can be determined under variable test conditions. These characteristics, which characterize the elastic and damping behavior, are determined directly and taking into account the rheological properties. {Dynamic material properties, rheological properties, vibration compaction, fresh concrete, harmonic vibrations, vibratory paver}

Description

Field of application of the invention

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.The application can be used everywhere, where visco-elastic-plastic materials, bulk materials and bulk materials are to be examined for their elastic and damping material properties, for. B. compaction processes optimally or z. B. concrete paver machine design.

Characteristic of the known technical solutions

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 the known technical solutions, there are various methods for the determination of material characteristics, which are usually bound to special test objects and test devices. The characteristics which are intended to describe the elastic and damping behavior of the materials are each determined for specific fields of application.

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.Patent specification 2320796 describes a method for determining dynamic material characteristics, in which the reaction of a test object to a shock pulse is measured and registered and, depending on the selected rheological model for the material, spring constant and damping constant are calculated as dynamic material characteristics.

Prüfobjekte sind Straßenbefestigungen, Erdstoffe, bituminöse Gemische und aus diesen hergestellte Konstruktionsschichten.Test objects are road fortifications, earth materials, bituminous mixtures and construction layers made from these.

Der Stoßimpuls auf die Oberfläche des Prüfobjektes wird durch eine Fallmasse erzeugt.The shock pulse on the surface of the test object is generated by a falling mass.

Nachteile dieses Verfahrens bestehen in folgendem:Disadvantages of this method consist in the following:

— die Messung erfolgt bedingt durch den Stoßimpuls nur in einem sehr kurzen Zeitraum und unter einer invariablen Prüfbedingung und ist dadurch nur bedingt repräsentativ;- The measurement is due to the shock pulse only in a very short period and under an invariable test condition and is therefore only conditionally representative;

— die Materialkennwerte können nicht unter Einwirkung periodischer Kräfte, wie z. B. bei der Vibrationsverdichtung, bestimmt werden;- The material properties can not under the action of periodic forces, such. B. in the vibration compression determined;

— die Bestimmung der Materialkennwerte an geometrisch kleinen Prüfobjekten, wie Betonsteinen, ist auf Grund der Bauart des Fallgerätes nicht möglich;- The determination of the material characteristics of geometrically small test objects, such as concrete blocks, is not possible due to the design of the dropping device;

— die zeitliche Veränderung der Materialkennwerte während Ver- und Bearbeitungsvorgängen ist nicht erfaßbar.- The temporal change of the material characteristics during processing and processing operations is not detectable.

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 werdenIn a number of methods, the dynamic elastic modulus is determined as the elastic material parameter. In this case, the visco-elastic-plastic material, in particular fresh concrete, which is in a form, conceived as a continuum and determines the speed of propagation of sound waves in the material. Knowing the density of the material, the dynamic modulus of elasticity can be calculated

Nachteile dieses Verfahrens sind: Disadvantages of this method are:

— Für die Messung ist es erforderlich, Schallaufnehmer in das Material einzubringen, was bei Prüfungen mit Auflast nicht möglich ist.- For the measurement, it is necessary to introduce acoustic sensors into the material, which is not possible in tests with load.

— Ein Kennwert für die Dämpfung läßt sich mit diesem Verfahren nicht bestimmen.- A characteristic value for the damping can not be determined with this method.

— Das Theologische Verfahren der Prüfobjekte bleibt unberücksichtigt.- The theological method of the test objects is disregarded.

Object of the invention

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.The aim of the invention is the determination of representative material properties of visco-elastic-plastic materials, with which the elastic and damping properties of the materials to be tested under sufficient conditions are sufficiently characterized.

Explanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu entwickeln, das es gestattet,The object of the invention is to develop a method which allows

— für visko-elastisch-plastische Materialien Kennwerte zu ermitteln, die sowohl elastische als auch dämpfende Materialeigenschaften kennzeichnen,- to determine characteristic values for visco-elastic-plastic materials that characterize both elastic and damping material properties,

— diese Kennwerte direkt zu ermitteln und ihre zeitliche Veränderung, z. B. während Verdichtungsvorgängen, zu erfassen,- to determine these characteristics directly and their temporal change, z. During compaction operations,

— die Theologischen Eigenschaften des Materials zu berücksichtigen,- to consider the theological properties of the material,

— Sensoren außerhalb des zu untersuchenden Materials anzubringen,- attach sensors outside the material to be examined,

— die Materialkennwerte unter variablen Prüfbedingungen zu bestimmen,- determine the material characteristics under variable test conditions,

— das Prüfobjekt in beliebiger Weise periodisch zu erregen, um die Kennwerte für unterschiedliche Anwendungsfälle, wie z.B. maschinentechnische Auslegung von Vibrationsmaschinen, zu bestimmen.- To periodically excite the test object in any way to the characteristics for different applications, such. Mechanical design of vibration machines to determine.

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.The essence of the invention is that visco-elastic-plastic materials such. As fresh concrete, are periodically excited as test objects in geometrically arbitrary shapes on Vibriervorrichtungen. The excitement can be achieved by the use of appropriate generators z. B. as harmonic oscillation, pulse sequences, sawtooth function done, the strength of the excitation and its frequency can be varied. The testing of the materials can be done with or without a surcharge. The vibration state of the test object and the vibrating parts of the vibrating device is detected by sensors which are mounted at corresponding locations outside of the material to be examined and using suitable measuring and computing technology, such as. As integrating amplifier, filters, oscilloscopes, microcomputer recorded and registered to temporal change in the vibration magnitudes z. B. to capture the vibration compression.

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, errechnetFor the test objects suitable theological models, which contain the required characteristic values, are set up and described mathematically. Taking into account the vibration state of the vibrating device, the theological material model and the exciter function, the unknown dynamic material characteristics, such. B. spring constant, damping constant, modulus of elasticity, calculated

Mit dem Verfahren ist es möglich: With the method it is possible:

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;1. the unknown material characteristics, such. B. Young's modulus, spring constant, damping constant, under various conditions such. B. variable excitation frequency and strength, with different load, with different geometric dimensions of the specimens, preferably prismatic body to determine;

2. die unbekannten Materialkennwerte in ihrer zeitlichen Veränderung z. B. während eines Verdichtungsvorganges zu erfassen;2. the unknown material characteristics in their temporal change z. B. to capture during a compression process;

3. die Theologischen Eigenschaften zu berücksichtigen;3. to consider the theological properties;

4. alle Sensoren außerhalb des zu untersuchenden Materials anzubringen;4. apply all sensors outside the material to be examined;

5. die ermittelten Materialkennwerte für die maschinentechnische Auslegung von Verdichtungsmaschinen oder für die Steuerung des Verdichtungsvorganges von Frischbeton heranzuziehen.5. use the determined material characteristics for the mechanical design of compaction machines or for the control of the compaction process of fresh concrete.

embodiment

Die Erfindung soll am Beispiel der Bestimmung von Federkonstante und Dämpfungskonstante eines Frischbetonelementes erläutert werden.The invention will be explained using the example of the determination of spring constant and damping constant of a fresh concrete element.

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.The fresh concrete 1 is filled in a mold 2, which is attached to an electrodynamic vibration exciter 3. A load 4 is pressed by a spring 5 on the concrete surface. By a generator 6, an oscillating voltage is generated at any frequency, amplified by an amplifier 7 and supplied to the vibration generator 3. With the accelerometers 8, the vibration acceleration is recorded at the table of the exciter 3 and the load 4, amplified by integrating measuring amplifier 9, the measurement voltage and the amplitudes of the accelerations and their phase shift to the excitation force, which are measured by Phasenwinkelmeßgeräte 10 recorded on a pen 11.

Wird der Frischbeton als Kelvin-Voigt-Körper modelliert, ergibt sich folgender Ansatz für die Bewegungsgleichung des Zwei-Massen-Schwingungssystems.Modeling the fresh concrete as a Kelvin-Voigt body yields the following approach to the equation of motion of the two-mass vibration system.

+ (X₁ - X₂) K₂ + (Χι - X₂) C₂ + CiXi + kiXi = F sin(fl · t) m₂x₂ - Ix₁ - X₂) K₂ - (X₁ - X₂) C₂ + C₃X₂ = O+ (X ₁ - X ₂₎ K ₂ + (Χι - X ₂₎ C ₂ + CiXi + kiXi = F sin (fl · t) m ₂ x ₂ - Ix ₁ - X ₂₎ K ₂ - (X ₁ - X ₂ ) C ₂ + C ₃ X ₂ = O

Die Lösung für die unbekannten Federkonstante c₂ und Dämpfungskonstante K₂ des Frischbetons ist:The solution for the unknown spring constant c ₂ and damping constant K _{2 of} the fresh concrete is:

[F + (rrii · ΧιΩ² - CiXi)cospi - KiXiflsinp] (X₁ · COSp₁ - x₂cosp₂) - [(-m-,ΧιΩ² + CiX₁)SInP₁ - K₁X₁UCOSp₁)I(Xi cosp-, - X₂COSp₂)[F + (rrii.fwdarw.Q ² -CiXi) cospi-KiXiflsinp] (X ₁ .COSp ₁ -x ₂ cosp ₂ ) - [(-m-, ΧιΩ ² + CiX ₁ ) SInP ₁ -K ₁ X ₁ UCOSp ₁ ) I (Xi cosp-, X ₂ COSp ₂ )

² X₁ ² + X₂ ² - 2X₁X₂COS(P₁ - p₂) ² X ₁ ² + X ₂ ² - 2X ₁ X ₂ COS (P ₁ - p ₂ )

K₂ =K ₂ =

[F₀ + (ITi₁X₁U² - C₁X₁)COSp₁ - KiX₁USInPi](X₁ sinpi - x₂sinp₂) + CiXi)sinpi - K₁X₁QcOSp₁)] (Xi cospi - x₂cosp₂) [F ₀ + (ITi ₁ X ₁ U ² - C ₁ X ₁ ) COSp ₁ - KiX ₁ USInPi] (X ₁ sinpi - x ₂ sinp ₂ ) + CiXi) sinpi - K ₁ X ₁ QcOSp ₁ )] (Xi cospi - x ₂ cosp ₂ )

X₂ ² - 2x,x₂cos(pi -X ₂ ² - 2x, x ₂ cos (pi -

Claims

A method for determining dynamic material properties, in particular of visco-elastic plastic materials, characterized in that the material to be examined is periodically excited as geometrically arbitrarily shaped test object, z. B. by harmonic oscillations, pulse trains, sawtooth function, the strength and frequency of the excitation are variable, the test is carried out with or without ballast and using suitable measuring and computing the vibration state of the test specimen and the test apparatus, preferably by sensors outside the Test object are mounted, is detected to register the temporal change of the vibration quantities and taking into account the exciter function and a suitable rheological model for the test object z. B. Bingham body, Kelvin-Voigt body, the unknown material characteristics are calculated.

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