Aus
der
DE 199 25 269
A1 ist ein Testfahrzeug bekannt geworden, mit dem eine
Tragsicherheitsbewertung von Bauwerken, wie z. B. Brücken, durchgeführt werden
kann. Dabei wird die Brücke schädigungsfrei
bis an die gewünschte
Ziellast belastet.
Daneben
gibt es rechnergestützte
Tragsicherheitsbewertungen. Diese setzen voraus, daß neben
der Geometrie, Lagerung und Belastung alle wesentlichen Werkstoffeigenschaften
einschließlich
des Baugrundes, vorhandene Schäden
oder Risse sowie die im Bauwerk vorhandenen Eigenspannungen ("eingefrorener" Spannungszustand)
aufgrund Eigengewicht, Setzungen am Baugrund, Materialkriechens,
Bauzuständen,
Umbauten und/oder Kriegsschäden
bekannt sind. Daneben ist es erforderlich, das Tragverhalten wirklichkeitsnah
mathematisch zu beschreiben. Dieses zeigt, daß mathematische Methoden aufgrund
vielfältiger
Unbekannter notwendigerweise sehr konservativ angewendet werden
müssen.
Aus diesem Grund sind Sicherheitszuschläge notwendig, die bei experimentellen
Methoden ohne Sicherheitseinbußen
vermindert werden dürfen.
Dieses führt
dazu, daß vorhandene
Bauwerke oft negativ bewertet werden, obwohl sie noch mit einer
ausreichend hohen Nutzlast weiterbetrieben werden könnten. Den
größten Unsicherheitsfaktor
stellen dabei die im Bauwerk vorhandenen Dehnungen respektive Spannungen
aus Eigengewicht und Fundamentsetzungen dar.
Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Hauptdehnung für die Tragsicherheitsbewertungen
von Bauwerken experimentell sicher zu ermitteln.
Zur
Lösung
dieses Problems werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Hauptdehnung
an Massivbauten in-situ bestimmt, indem zwei parallel zueinander
und in Richtung der Hauptdehnung verlaufende Längsschlitze in die Bauwerksoberfläche mit
vorbestimmter Tiefe gefräst
werden, so daß zwischen
den Längsschlitzen
ein in Hauptdehnungsrichtung verlaufender Steg verbleibt, vorher oder
anschließend
Wegaufnehmer oder Dehnungsmeßsteifen
auf dem Steg angebracht werden, sodann in Hauptdehnungsrichtung
gesehen vor und hinter dem Wegaufnehmer oder Dehnungsmeßstreifen
je ein quer zur Hauptdehnungsrichtung verlaufender Schlitz gefräst und die
Dehnung des Steges gemessen wird.
Die
Hauptdehnung wird demnach direkt am vorhandenen Bauwerk bestimmt.
Alle inneren und äußeren Einflüsse auf
das Bauerwerk sind dadurch berücksichtig.
Sicherheitszuschläge
können
dadurch vermindert werden. Ein ggf. noch vorhandener Einfluß der verbleibenden
rückseitigen
Verbindung des Steges mit dem übrigen
Bauwerk (Bauwerkskörper) wird
durch einen Korrekturfaktor berücksichtigt.
Die
Hauptrichtung, in denen die Hauptdehnung und damit die Hauptspannung
in einem Bauwerk verlauft, ist in der Regel bekannt. Die Hauptrichtung
ist dabei die Richtung, die für
die Tragsicherheitsbewertung maßgebend
ist. Hauptdehnung und Hauptspannung sind demnach die für die Tragsicherheitsbewertung
maßgebliche
Dehnung bzw. Spannung. Über
den Elastizitätsmodul
läßt sich
die Hauptspannung aus der Hauptdehnung errechnen, wobei mit Dehnung
jede Längenänderung
(Stauchung oder Dehnung) gemeint ist.
Bei
Mauerwerk werden die Querschlitze vorzugsweise in Fugen zwischen
benachbarten Steinen gefräst.
Auf diese Weise wird das Bauwerk geringstmöglich geschädigt. Durch Verfugen der Querschlitze
nach dem experimentellen Ermitteln der Hauptdehnung wird die Tragfähigkeit
des Massivbauwerks, welche es vor der Ermittlung gehabt hatte, wiederhergestellt.
Um
bei Massivbauten auch den Fugeneinfluß mit zu erfassen, werden die
Querschlitze soweit voneinander beabstandet gefräst, daß zwischen ihnen wenigstens
eine Fuge liegt. Da die Fugen untereinander nicht homogen sind,
ist eine möglichst
große
Anzahl von Fugen und damit von Schichten vorteilhaft. Mit dem Abstand
der Querschlitze voneinander und damit der erfaßten Schichten steigt aber auch
die notwendige Schnittiefe. Die Anzahl der erfaßten Schichten zur möglichen
Schnittiefe ist zu optimieren.
Nachdem
die Wegaufnehmer bzw. Dehnungsmeßstreifen angebracht sind,
kann das Bauwerk vor dem Fräsen
der Querschlitze mit externen Testlasten belastet werden. Die sich
dabei ergebenden Dehnungen werden gemessen und ergeben so weitere
wichtige Daten für
die mathematische oder experimentelle Tragsicherheitsbewertung.
Eine
weitere wichtige Größe für die Tragsicherheitsbewertung
ist der Elastizitätsmodul.
Soweit der Elastizitätsmodul
nicht bereits bekannt ist, kann er nach einem auch unabhängig denkbaren
Gedanken der Erfindung dadurch ermittelt werden, daß im Bereich
der Querschlitze Druckkräfte
auf den Steg eingebracht werden. Dieses geschieht vorzugsweise mit
einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, welche dadurch gekennzeichnet
ist, daß die
Stange und/oder eine der Kolbenstangen des Druckmittelzylinders
mit Dehnungsmeßstreifen
versehen ist. Mit der Vorrichtung wird geregelt Last auf den Steg
aufgebracht. Die sich dabei ergebende Dehnung der Stange wird mittels
des Dehnungsmeßstreifens
bestimmt. Die Dehnung der Stange ist proportional zur der in den
Steg eingebrachten Last. Die sich ergebende Dehnung (Stauchung)
des Steges wird gemessen und dient zur Ermittlung des Elastizitätsmoduls
des Bauwerksmaterials. Vorzugsweise werden die Druckkräfte mehrfach
auf den Steg aufgebracht. Dieses erhöht die statische Sicherheit
bei der Ermittlung des Elastizitätsmoduls.
Auch
die Bruchfestigkeit läßt sich
nach einem weiteren, auch unabhängig
denkbaren Gedanken der Erfindung auf einfache Weise ermitteln. Zu diesem
Zweck wird die Druckkraft auf den Steg fortlaufend gesteigert und
dabei die Dehnung des Steges fortlaufend gemessen. Es wird also
eine Kraft-Verformungskurve ermittelt. Die Druckkraft kann dabei
bis nahe an die Bruchfestigkeit gesteigert werden. Das Erreichen
der Bruchfestigkeit ist nämlich
aus der Kraft-Verfolgungskurve erkennbar.
Um
das Bauwerk wiederherzustellen, werden nach Durchführung der
obengenannten Verfahrensschritte die Längsschlitze und Querschlitze
wieder verfüllt
(verfugt).
Die
Erfindung wird nun nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
1 ein aus Ziegeln gemauertes
Bauwerk, welches zur Durchführung
des Verfahrens mit den Erfindungsmerkmalen vorbereitet ist,
2 das Bauwerk gemäß 1 mit einer Vorrichtung
zu Durchführung
eines Druckversuches.
1 zeigt einen Teil eines
Bauwerks, welches aus Ziegeln 10 gemauert ist. Die Ziegel 10 sind durch
Mörtelfugen 11 verbunden
In
das Bauwerk werden zwei parallel zueinander angeordnete und voneinander
beabstandete Längsschlitze 12 gefräst. Die
Längsschlitze 12 verlaufen
in Hauptdehnungsrichtung und damit in der Richtung der zu erwartenden
maßgeblichen
Eigenspannung (Hauptspannung). In dem Bereich zwischen den Längsschlitzen 12 wird
ein Wegaufnehmer auf das Bauwerk aufgebracht. 1 zeigt die beiden Meßmarken 13 des Wegaufnehmers.
Die Meßmarken 13 liegen
in Hauptdehnungsrichtung hintereinander.
Alternativ
ist es auch möglich,
zunächst
den Wegaufnehmer anzubringen und dann die Längsschlitze 12 zu
fräsen.
Die
Meßmarken 13 des
Wegaufnehmers sind so weit voneinander beabstandet, daß sie zwei Fugen 11 überspannen.
Auf diese Weise liegt ein vollständiger
Ziegel 10 mit seinen zwei benachbarten Fugen 11 im
Meßbereich.
Der
Abstand I0 zwischen den Meßmarken 13 wird
gemessen. Dabei wirken die im Bauwerk vorhandenen Eigenspannungen
noch auf den Bereich zwischen den Längsschlitzen 12. In
Hauptdehnungsrichtung gesehen werden nun vor und hinter den Meßmarken 13,
also vor und hinter dem Wegaufnehmer, je ein Querschlitz 14 gefräst. Die
Querschlitze 14 liegen dabei in den Fugen 11.
Jeder Querschlitz 14 kreuzt beide Längsschlitze 12. Es
entsteht ein durch die Längsschlitze 12 und Querschlitze 14 begrenzter
Steg 15. Die Tiefe der Querschlitze 14 ist so zu
bemessen, daß der
Steg 15 an seiner Oberfläche zumindest weitgehend frei
von Eigenspannungen ist. Dieses wird konkret wie folgt sichergestellt:
Zunächst wird
einer der beiden Querschlitze 14 gefräst. Während dessen wird mittels des
Wegaufnehmers fortlaufend die Dehnung des Steges 15 gemessen.
Dehnt sich der Steg 15 nicht mehr (Sattel in der Verformungskurve),
ist der erste Querschlitz 14 tief genug. Nun wird der andere
Querschlitz 14 gefräst. Der
Steg 15 beginnt sich weiter zu dehnen und diese Dehnung
wird ebenfalls mittels des Wegaufnehmers fortlaufend gemessen. Der
andere Querschlitz 14 ist tief genug, wenn die Dehnung
der Oberfläche
des Steges 15 zum Erliegen kommt. Die Oberfläche des Steges 15 ist
nun spannungsfrei. Der Abstand I1 zwischen
den Meßmarken 13 bei
spannungsfreier Oberfläche
liegt nun vor und daraus wird die Stauchung oder Dehnung ε = ΔI/I0 (mit ΔI
= I1 – I0) ermittelt. Wird der Abstand zwischen den
Meßmarken 13 nach
dem Fräsen
der Querschlitze 14 kürzer
(war der Steg 15 also gestaucht) waren Zugspannungen vorhandenen;
wird der Abstand zwischen den Meßmarken 13 größer (war
der Steg 15 also gedehnt) lagen Druckspannungen vor. Aus
Gründen
der Vereinfachung wird im Rahmen dieser Anmeldung für Stauchung oder
Dehnung einheitlich nur von Dehnung gesprochen.
Über den
Elastizitätsmodul
E lassen sich nun die Spannungen σ0 berechnen mit: σ0 =
E·ε.
Ist
der Elastizitätsmodul
E für das
Baumaterial nicht bekannt, kann er an einem Vergleichsmodell aus
dem Baumaterial ermittelt werden. Da der Elastizitätsmodul
E sich aber aufgrund des Herstellungsprozesses, von Alterungsprozessen
oder dergleichen verändern
kann, wird er vorzugsweise an dem Bauwerk selbst bestimmt. Dieses
geschieht mit dem in 2 gezeigten
Aufbau:
Von den stirnseitig an dem Steg 15 liegenden
Ziegeln 10 wird der Bereich zwischen den Längsschlitzen 12, wie
in 2 erkennbar, herausgebrochen.
Nun können
mit einer Druckvorrichtung 16 Druckkräfte auf den Steg 15 ausgeübt werden.
Die Druckvorrichtung 16 weist zu diesem Zweck zwei Hebel 17 auf,
welche an ihrem freien Ende Druckplatten 18 aufweisen.
Die Druckplatten 18 sind über Gelenke 19 mit
den Hebeln 17 verbunden und an ihren dem Steg 15 zugewandten
Flächen
mit einer den Druck gleichmäßig verteilenden
Zwischenlage 22, beispielsweise einer Gummiplatte, versehen.
Etwa in ihrer Mitte sind die Hebel 17 über eine Zugstange 20 miteinander
verbunden, an welcher die Hebel 17 gelenkig angebracht
sind. An ihren den Druckplatten 18 gegenüber liegenden Enden
können
die Hebel 17 mittels eines Druckmittelzylinders 21 gespreizt
und so über
die Hebelwirkung Druck auf den Steg 15 ausgeübt werden.
Dieser Druck wird mittels eines Dehnungsmeßstreifens 23 auf
der Zugstange 20 ermittelt. Durch den Druck wird nämlich eine
Zugkraft auf die Zugstange 20 ausgeübt, welche über die Querschnittsgeometrie
der Zugstange und deren Elastizitätsmodul proportional zur Dehnung
der Zugstange ist. Über
die Hebelverhältnisse
an den Hebeln 17 und die Geometrie der Druckplatten 18 ist
damit auch der auf den Steg 15 ausgeübte Druck bekannt.
Alternativ
können
Druckmittelzylinder 21 und Zugstange 20 vertauscht
werden, so daß der
Druckmittelzylinder 21 zwischen der Zugstange 20 und dem
Mauerwerk liegt. In diesem Fall zieht der Druckmittelzylinder 21 die
Hebel 17 zusammen und auf die Zugstange 20 werden
Druckkräfte
ausgeübt.
Ferner ist es auch möglich,
die Dehnungsmeßstreifen 23 einer
der Kolbenstangen 24 des Druckmittelzylinders 21 zuzuordnen.
Aus
dem sich bei bekanntem Druck auf den Steg 15 und damit
in den Steg eingeleitete Spannung σ ergebenden Dehnung ε, die hier
konkret eine Stauchung ist, läßt sich
der Elastizitätsmodul
E berechnen zu E = σ/ε.
Um
den Elastizitätsmodul
sicher zu bestimmen, wird der Druckversuch mehrfach wiederholt und
aus den so ermittelten Werten ein mittlerer Elastizitätsmodul
Em berechnet.
Um
auch die Bruchfestigkeit des Baumaterials zu ermitteln, wird der
auf den Steg 15 ausgeübte Druck
fortlaufend erhöht
und dabei die sich ergebende Dehnung gemessen. Es wird so eine fortlaufende Kraft-Verformungskurve
aufgezeichnet. Aus deren Verlauf erkennt der Fachmann, wann der
Steg 15 kurz vor dem Versagen steht und kann den Steg rechtzeitig
entlasten, bevor er versagt. Die dabei maximal aufgebrachte Druckspannung
liegt noch unterhalb der Bruchfestigkeit und ergibt damit eine untere Schranke
für die
Tragsicherheitsbewertung.
Gegebenenfalls
kann der vorstehend beschriebene Druckversuch auch bis zum Versagen des
Steges 15 (erreichen der Bruchfestigkeit) fortgesetzt werden.
Die dabei beschädigten
Ziegel 10 werden dann durch neue Ziegel ersetzt.
Sind
alle benötigten
Werte ermittelt, wird die Druckvorrichtung 16 abgebaut.
Die herausgebrochenen Ziegelteile werden wieder eingeklebt und die Längsschlitze 12 und
Querschlitze 14 mit Fugenmörtel verfüllt. Das Bauwerk hat wieder
die optischen Eigenschaften und Trageigenschaften wie vor dem Versuch.