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Die Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Verdichtungsgüte von viskosen Materialen, insbesondere von Frischbeton.
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Bei viskosen Materialien oder Mischungen aus Feststoffen und Flüssigkeiten, die als solche angesehen werden können, tritt das Problem auf, dass der Aufwand zur Verdichtung nur intuitiv abgeschätzt werden kann.
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Ein Beispiel für ein solches viskoses Material ist Frischbeton. Beim Einbringen von Beton in eine Schalung muss der Beton verdichtet werden, um Lufteinschlüsse zu vermeiden und nach dem Erhärten die gewünschte Festigkeit zu erreichen. Das Verdichten erfolgt vor dem Erhärten des Betons in dem flüssigen noch nicht erhärteten Beton, um nicht bereits entstandene oder sich gerade bildende chemische Verbindungen innerhalb der Betonmatrix zu zerstören. Der flüssige, noch nicht erhärtete Beton wird dabei als Frischbeton bezeichnet.
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Mischungen bzw. Suspensionen eines Feststoffs in einer Flüssigkeit haben die Eigenschaft, dass bei einem hohen Feststoffanteil eine gewisse Festigkeit vorhanden ist. Sobald Kräfte und Vibrationen auf die Suspension einwirken, kommt es zur Plastifizierung und die Mischung verhält sich insgesamt wie eine Flüssigkeit. Deshalb ist es zulässig, Beton als ein homogen viskoses Material anzusehen.
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Das Verdichten des Betons erfolgt durch Vibrationen bzw. Schwingungen, denen der Frischbeton ausgesetzt wird und die zu einer Plastifizierung führen. Dies geschieht, indem durch Vibration die innere Reibung im Beton aufgehoben wird. Dadurch wird der Feststoffanteil im Beton, etwa die Zuschläge, wie Gesteinsanteile, Kies und Sand, durch die Vibrationen beweglich und sucht sich die höchste Packungsdichte, wodurch zugleich Luft aus dem Frischbeton herausgetrieben wird, da der Platz, an dem vorher Luft war, durch die Feststoffanteile ausgefüllt wird. Der Frischbeton wird kompakter. Hierzu können beispielsweise Rüttelflaschen verwendet werden, die manuell in den flüssigen Frischbeton eingetaucht werden und solange dort belassen werden, bis nach einer gewissen Verdichtungszeit erkennbar ist, dass keine Luftblasen mehr an die Oberfläche aufsteigen und sich eine geschlossene Feinmörtelschicht an der Oberfläche gebildet hat. Jedoch ist eine ausreichende Quantifizierung des Verdichtungserfolges, insbesondere in der Tiefe, nicht möglich.
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Bei diesem Verfahren besteht jedoch die Gefahr, dass der Abstand der Eintauchstellen falsch gewählt wird und damit Regionen unverdichtet bleiben oder dass der Beton lokal oder insgesamt zu sehr gerüttelt wird, was zum einen zwar zum beabsichtigten Austreiben von Luft führt, aber gleichzeitig zu einer Entmischung des Zuschlags, meist Kies, innerhalb der Zementmatrix führt, da schwere Bestandteile zu sehr nach unten sinken oder ein Leichtbetonzuschlag zu sehr aufsteigt. Der Beton hat dann nach dem Aushärten nicht mehr die für die Statikberechnung vorausgesetzte Festigkeit.
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Bekannt ist weiterhin, dass an der Schalung oder generell an der Oberfläche des Betons mehrere flächige Rüttler oder Punktrüttler angesetzt werden. Die Energie dieser Rüttler dringt über die große Fläche der Schalung bzw. Oberfläche der Schalung in den Frischbeton ein und führt zu einer gleichmäßigeren und homogeneren Verdichtung im Frischbeton.
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An diesem Stand der Technik ist nachteilig, dass die Wirkung der Vibrationen, insbesondere wie tief die Wellen in den Frischbeton eindringen und wie stark sich die Gesteine-Zuschläge kompakt und ohne Lufteinschlüsse zusammengefügt haben und somit die Verdichtung nicht kontrolliert werden kann.
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Aus der
DE 103 55 867 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Verdichtungsprozessen bei der Vibrationsverdichtung von Gemengen, insbesondere Betongemengen bekannt. Dabei werden Werte von internen Verdichtungskenngrößen, die den Grad der Verdichtung des Gemenges eindeutig kennzeichnen, sowie die Verdichtung bewirkende physikalische Größen an einem Betonvolumenelement im Innern des Gemenges ermittelt und dargestellt.
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In einer Ausführungsform ist aus der Druckschrift bekannt, als eine erste interne Verdichtungskenngröße die dynamische Druckänderung im Gemenge und ihre zeitliche Variation zu ermitteln.
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In einer weiteren Ausführungsform wird offenbart, die Dämpfung bei der Übertragung von in das Gemenge eingeleiteten Schwingungen durch das Gemenge zu ermitteln.
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Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass ein Sensor in den Frischbeton eingebracht werden muss und somit eine zusätzliche Vorrichtung mit dem damit verbunden Aufwand notwendig ist. Vor allem sind jedoch keine Korrekturen mehr möglich, da nur an bereits eingebrachtem Frischbeton gemessen wird, während dieser gerüttelt wird. Ein Eingreifen in den laufenden Betonierprozess ist nur schwer möglich und wenn es bereits zu einem zu starken Rütteln und beispielsweise zu einer Entmischung gekommen ist, kann dies nicht mehr korrigiert werden.
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Bekannt ist weiter, nach dem eigentlichen Betonieren und dem Erhärten eine Kernbohrung zu entnehmen. Alternativ sind in jüngerer Zeit auch zerstörungsfreie Prüfverfahren vorgestellt worden, so beispielsweise mit Geräten, die über die Laufzeit von Ultraschallwellen im Beton auf nicht ausreichend verdichtete Fehlstellen schließen lassen.
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Bei nicht ausreichend festgestellter Qualität der Verdichtung bedeutet dies oft eine teuere Sanierung oder auch eine Zerstörung und nachfolgende Neuerstellung des Bauteils.
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Aus Schwabe, Jörg-Henry, ”Schwingungstechnische Auslegung von Betonrohrfertigern”, Dissertation TU Chemnitz, 2002, ist ein Verfahren zur Bestimmung der Verdichtung von Frischbeton bei Einsatz einer Schwingungsvorrichtung mithilfe eines Finite-Elemente-Modells bekannt.
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Aus der
DE 699 33 613 T2 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Maschine zum Herstellen von Gießformen aus Grünsand bekannt, bei dem eine Formmaschine in finite Volumenelemente zerlegt wird.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Vorausbestimmung der Verdichtungsgüte von viskosen Materialien, insbesondere für eine Feststoff-Flüssigkeitsmischung zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens werden in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bestimmen der Verdichtungsgüte von viskosen Materialen, insbesondere von Frischbeton, bei Einsatz mindestens einer Schwingungsvorrichtung gelöst, das die folgenden Schritte aufweist: Diskretisieren eines zu untersuchenden Volumens mithilfe von finiten Elementen, Festlegen von Randbedingungen, insbesondere von Orten an denen Schwingungsenergie durch die Schwingungsvorrichtung eingebracht wird, sowie Beschreiben des zeitlichen Verlaufs der Bewegung und/oder Kräfte der Schwingungsvorrichtung, Festlegen der Materialeigenschaften, insbesondere von Elastizitätsmodul, Dichte und spannungsabhängiger plastischer Dehnrate für jedes finite Element, wobei die spannungsabhängige plastische Dehnrate durch eine Gleichung beschrieben wird, Berechnen der Verschiebungen und der Spannungen für das Volumen jedes finiten Elements im Zeitbereich, Bestimmen einer plastischen Dehnung ε für das viskose Material für das Volumen jedes finiten Elements für ein Zeitintervall auf Basis der Spannungen und der Viskosität, Berechnen einer Beschleunigung für das Volumen jedes finiten Elements aus den Verschiebungen und der Länge des Zeitintervalls; Bestimmen der Randbedingungen für das nächste Zeitintervall und Wiederholen der drei vorherigen Schritte und Bewerten der Verdichtungsgüte anhand der Beschleunigung und/oder der Schubspannung, insbesondere dem Vorliegen von Schwellwerten für die Beschleunigung, für jedes finite Element.
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Bei der Berechnung dieser Simulation werden die Feldgleichungen aller finiter Elemente gleichzeitig für ein Zeitintervall gelöst und dann folgend für das nächste Zeitintervall. Vorteilhaft kann beim Überschreiten bestimmter Beschleunigungswerte für zum Beispiel Frischbeton als viskoses Material angenommen werden, dass die erwünschte Plastifizierung oder Verdichtung eingetreten ist. Es kann aber auch festgestellt werden, ob die Beschleunigungswerte zusammen mit einer Zeitdauer so groß sind, dass eine unerwünschte Entmischung an einem Ort des Kontrollvolumens eintritt. Dadurch ist es möglich, für eine bestimmte Geometrie des zu gießenden Betons zu simulieren, ob für jeden als finites Element dieser Geometrie beschriebenen Ort bei einer geplanten Anordnung und Leistung von Vibrationsvorrichtungen die Verdichtung fehlerfrei durchgeführt werden kann. Es kann auf dem Wege der Simulation eine Anordnung der Vibrationsvorrichtungen untersucht werden, ob eine bestimmte Anordnung von Vibrationsvorrichtungen ausreichend ist, so dass mit einer bestimmten Dauer der Vibration überall ausreichende Verdichtung, aber noch keine Entmischung eintritt.
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Die bei der Simulationsrechnung ermittelte spannungsabhängige plastische Dehnung, die oftmals auch als Kriechdehnung bezeichnet wird, ist irreversibel und kann nicht mehr in mechanische Energie zurückgeführt werden. Deshalb wird durch die Berücksichtigung der spannungsabhängigen plastischen Dehnung die Dämpfung der eingeleiteten Energie durch den Frischbeton abgebildet.
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Durch Versuche kann eine Korrelation zwischen der berechneten/simulierten Beschleunigung und dem Grad der Verdichtung für Frischbeton als viskoses Material gefunden werden. Dabei werden für eine bestimmte Betonkonsistenz und Betonsorte sowie einen beliebigen diskreten Punkt im Versuchsmodell der Verdichtungserfolg, z. B. durch Kernbohrung oder Ultraschall, bestimmt und das Ergebnis mit dem, an diesem Punkt im Modell berechneten, Beschleunigungswert verglichen. Dies kann für viele Betonsorten mit verschiedenen Viskositäten durchgeführt werden und in einer Tabelle festgehalten werden. Ebenso könnte man den Einfluss der Rüttelzeit auf die Verdichtung durch einen Test an einer beliebigen Stelle im Beton in Korrelation setzen zu den Beschleunigungswerten sowie Beschleunigungszeitraum in der Simulation an dieser Stelle.
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So kann zum Positionieren eines oder mehrer Rüttler eine numerische Simulation entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vorfeld stattfinden, wobei die Anzahl, der diskrete Ansatzpunkt und die Stärke des Rüttlers einfach oder mehrfach variiert werden kann. Es kann eine Aussage getroffen werden, an welcher Stelle ein Rüttler beispielsweise auf eine Betonschaltung bevorzugt aufzubringen ist, um den gewünschten Verdichtungseffekt in dem Frischbeton zu erreichen.
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Vorteilhaft wird als Gleichung für die spannungsabhängige plastische Dehnrate έ = A·σ mit σ gleich der Spannung und A gleich dem invertierten Wert der dreifachen Viskosität verwendet.
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Die spannungsabhängige plastische Dehnung wird auch allgemein als Kriechen oder Kriechverhalten bezeichnet.
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In einer günstigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für den Viskositätswert η des viskosen Materials ein fester vorgegebener Wert, insbesondere als Materialparameter bekannter oder durch Versuch ermittelter Wert verwendet.
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Eine Möglichkeit, die zeitaufwendigen numerischen Berechnungen um ein Mehrfaches zu beschleunigen besteht darin, anhand eines einfacheren Bauteilmodells, dass die Randbedingungen so gut wie nötig und so grob wie möglich abbildet, anhand der Betonviskosität die Kriechparameter zu bestimmen und dadurch eine Referenzlösung zu berechnen. Anhand der Ergebnisse sowie der Analyse der Referenzlösung kann ein globaler Dämpfungsparameter ermittelt werden. Dieser kann dann anstelle von Messwerten für die Dämpfung zum Kalibrieren eines Dämpfungsparameters in dem geometrisch aufwendigeren Modell der Simulationsrechnung benutzt werden. Dadurch sind dann wesentlich kürzere Rechenzeiten möglich. Der Rechenaufwand im Vorfeld einer Betonbaumaßnahme ist somit auf einen Bruchteil reduziert.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt für das viskose Material aufnehmende Vorrichtungen, insbesondere Schalungen, ebenfalls eine Diskretisierung in finite Elemente und Annahme einer spannungsabhängige Dehnrate wodurch die Dämpfung in diesen Bauteilen berücksichtigt werden kann. Die Größe der Dämpfung kann im Vorfeld durch Ausschwingversuche ermittelt werden.
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Die Berechnung der Simulation wird erheblich verbessert, wenn das Verhalten der weiteren Bauteile und insbesondere der Schalung berücksichtigt wird und nicht nur als Begrenzung des Frischbetons eine steife Wandfläche angenommen wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist das viskose Material Frischbeton.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt
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1 eine schematische Ansicht einer mit Beton gefüllten Schalung,
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2 den in der 1 gekennzeichneten Detailausschnitt als Zerlegung in finite Elemente,
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3 in einem Diagramm die Verschiebungen eines Knotenpunktes über der Zeit und
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4 die Beschleunigungswerte desselben Knotenpunktes über der Zeit.
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Die 1 zeigt schematisch eine Ansicht einer mit Beton 1 gefüllten Schalung 2, die aus Schalungsbrettern 3 und senkrechten Stützebalken 4 aufgebaut ist. An den senkrechten Stützbalken 4 sind eine Mehrzahl von Vibratoren 5 angeordnet, die mittels rotierender Unwuchtgewichte Vibrationen über die Stützbalken 4 und die Schalungsbretter 3 auf den Beton 1 übertragen. In dem Beton 1 wird die Schwingung gedämpft.
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Die 2 zeigt den in der 1 gekennzeichneten Detailausschnitt als Zerlegung in finite Elemente. Dabei ist sowohl das Schalungsbrett 3 durch finite Elemente beschrieben, als auch das Volumen des Betons 1. Die Schwingungen der Vibratoren 5 werden durch eine Abfolge von Kräften auf die äußeren Knoten dargestellt. Wie durch die dargestellte gedämpfte Schwingung angedeutet, setzt sich die Schwingung in das innere des Volumens des Betons 1 fort.
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Die 3 zeigt in einem Diagramm die Verschiebungen s eines Knotenpunktes im mittleren Bereich des Volumens des Betons 1 in der 2 Volumens über der Zeit t. Dabei ist die absolute Positionsveränderung in einer Achse, hier der Z-Achse des Knotenpunktes, aufgetragen.
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Die 4 zeigt die Beschleunigungswerte a des Knotenpunktes der 3 über der Zeit t. Sobald die Beschleunigungswerte bestimmte Mindestwerte überschreiten, kann angenommen werden, dass der Beton an dem Ort des Knotenpunktes Volumen ausreichend verdichtet ist. Da bei dem Beginn der Simulation alle Knotenpunkte in ihrer Nullposition sind, jedoch die Vibrationsanregung ohne Simulation eines Anlaufs erfolgt und sofort die volle Bewegungsamplitude aufweist, muss ein Einschwingverhalten berücksichtigt werden. Die Simulation des Anlaufs erfolgt so, als ob eine Stoßanregung erfolgt. Dies nivelliert sich jedoch nach wenigen Perioden und die Simulation ist dann aussagekräftig für die Schwingungsverteilung. Es ist auch denkbar, einen Anlauf der Vibratoren zu simulieren, indem eine entsprechende Abfolge von ansteigenden, sich ändernden Kräften oder Bewegungen verwendet wird.
