DE102019126725A1

DE102019126725A1 - Resonanzsäulengerät

Info

Publication number: DE102019126725A1
Application number: DE102019126725.0A
Authority: DE
Inventors: Meisam Goudarzy; Diethard König
Original assignee: Ruhr Universitaet Bochum
Current assignee: Ruhr Universitaet Bochum
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2019-10-02
Publication date: 2021-04-08
Anticipated expiration: 2039-10-03
Also published as: DE102019126725B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Resonanzsäulengerät (10) zum Bestimmen materialspezifischer Kenngrößen einer Probe (18) umfassend eine erste Probenendplatte (12), eine zweite Probenendplatte (14) und einen Aktuator (20), wobei die erste Probenendplatte (12) und die zweite Probenendplatte (14) derart ausgestaltet sind, dass zwischen der ersten Probenendplatte (12) und der zweiten Probenendplatte (14) die Probe (18) einbringbar ist, wobei bei eingebrachter Probe (18) die erste Probenendplatte (12) und die zweite Probenendplatte (14) im Wesentlichen parallel zueinander sind und eine kürzeste Verbindungsachse von der erste Probenendplatte (12) zur zweiten Probenendplatte (14) eine vertikale Richtung (16) definiert, wobei der Aktuator (20) an der zweiten Probenendplatte (14) derart angebracht ist und derart ausgestaltet ist, dass die eingebrachte Probe (18) durch den Aktuator (20) in vertikaler Richtung (16) verformbar ist, und wobei der Aktuator (20) ausschließlich zur zweiten Probenendplatte (14) eine feste Verbindung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Resonanzsäulengerät zum Bestimmen materialspezifischer Kenngrößen einer Probe.
Bei der Planung von Bauwerken wird in der Regel der Baugrund hinsichtlich seiner Eigenschaften untersucht, um beispielsweise das Bauwerk auf den Baugrund abstimmen zu können, oder das Verhalten des Baugrundes bei einem Erdbeben abschätzen zu können. Die Eigenschaften lassen sich durch materialspezifische Kenngrößen wie zum Beispiel die Steifigkeit und die Scherfestigkeit ausdrücken, wobei diese materialspezifischen Kenngrößen in Feldversuchen oder in Laborversuchen ermittelt werden können.
Um Laborversuche zu bodendynamischen Eigenschaften durchzuführen, haben sich Resonanzsäulengeräte bewährt. Bei Resonanzsäulengeräten wird in der Regel eine Material- bzw. Bodenprobe mit einem Aktuator in Schwingung versetzt und die Schwingungsantwort der Probe aufgenommen, um daraus die materialspezifischen Kenngrößen zu ermitteln. Die Bedingungen bei den Laborversuchen mit dem Resonanzsäulengerät sollten möglichst den Bedingungen der Bodenprobe in der Realität entsprechen. In Realität befindet sich die Bodenprobe in einer gewissen Tiefe im Baugrund, so dass auf die Bodenprobe aufgrund der Tiefe ein erhöhter Druck wirkt, was die Bodenprobe kompaktiert. Dies kann im Resonanzsäulengeräten nachgestellt werden, indem die Probe im Resonanzsäulengerät ebenfalls unter Druck gesetzt wird, um die Bedingungen mit der Realität vergleichbar zu machen. Dies ist für ein genaues Ermitteln der materialspezifischen Kenngrößen wichtig, da die Schwingungsantwort der Probe vom Druck auf die Probe abhängig sein kann.
Das Erhöhen des Druckes auf die Probe im Resonanzsäulengerät kann allerdings insbesondere bei weichen und/oder lockeren Bodenproben zu einer Deformation der Probe führen, was ein präzises Bestimmen der bodendynamischen Eigenschaften mit dem Resonanzsäulengerät verhindern kann.
Demnach ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Resonanzsäulengerät bereitzustellen, mit dem die materialspezifischen Kenngrößen präzise bestimmt werden können. Insbesondere soll ein Resonanzsäulengerät bereitgestellt werden, mit dem der Elastizitätsmodul sowie das Kompressionsdämpfungsmaß von weichen und/oder lockeren Bodenproben präzise bestimmt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird also ein Resonanzsäulengerät zum Bestimmen materialspezifischer Kenngrößen einer Probe umfassend eine erste Probenendplatte, eine zweite Probenendplatte und einen Aktuator bereitgestellt, wobei die erste Probenendplatte und die zweite Probenendplatte derart ausgestaltet sind, dass zwischen der ersten Probenendplatte und der zweiten Probenendplatte die Probe einbringbar ist, wobei bei eingebrachter Probe die erste Probenendplatte und die zweite Probenendplatte im Wesentlichen parallel zueinander sind und eine kürzeste Verbindungsachse von der erste Probenendplatte zur zweiten Probenendplatte eine vertikale Richtung definiert, wobei der Aktuator an der zweiten Probenendplatte derart angebracht ist und derart ausgestaltet ist, dass die eingebrachte Probe durch den Aktuator in vertikaler Richtung verformbar ist, und wobei der Aktuator ausschließlich zur zweiten Probenendplatte eine feste Verbindung aufweist.
Die Grundidee der Erfindung liegt darin, dass der Aktuator ausschließlich mit der zweiten Probenendplatte fest verbunden ist und über diese starre Verbindung die Probe durch den Aktuator in vertikaler Richtung verformt werden kann. Insbesondere ist der Aktuator nicht über weitere feste und/oder starre Verbindungen mit der ersten Probenendplatte oder mit weiteren Bestandteilen des Resonanzsäulengerätes verbunden. Zwischen der ersten und der zweiten Probenendplatte befindet sich bei einem Laborversuch mit dem Resonanzsäulengerät die verformbare Probe. Demnach ist die indirekte Verbindung des Aktuators von der zweiten Probenendplatte über die verformbare Probe zur ersten Probenendplatte im Sinne der Erfindung keine feste Verbindung vom Aktuator zur ersten Probenendplatte. In anderen Worten handelt es sich bevorzugt um eine aufhängelose und/oder rahmenlose Befestigung des Aktuators im Resonanzsäulengerät. Somit kann der Aktuator den Bewegungen der zweiten Probenendplatte und/oder den Verformungen der Probe nachfolgen. Die Bewegungsfreiheit des Aktuators ist bevorzugt nur durch die Verbindung zur zweiten Probenendplatte eingeschränkt. Anders formuliert wird der Aktuator bevorzugt nicht durch eine weitere feste Verbindung in seiner Bewegungsfreiheit gehindert. Insbesondere kann der Aktuator der Bewegung der zweiten Probenendplatte und/oder einer Verformung der Probe in vertikaler Richtung nachfolgen. Besonders bevorzugt kann der Aktuator der Bewegung der zweiten Probenendplatte in vertikaler Richtung hin zur ersten Probenendplatte nachfolgen und/oder einer Verformung der Probe in vertikaler Richtung hin zur ersten Probenendplatte nachfolgen. Wenn beispielsweise ein Druck höher als Normaldruck auf die Probe ausgeübt wird, um die Bedingungen zum Bestimmen der materialspezifischen Kenngrößen an die realen Druckverhältnisse der Bodenprobe in der Tiefe anzupassen, kann es zu einer Verformung der Probe, insbesondere zu einem Verkleinern des Probenvolumens kommen. Wenn sich das Probenvolumen aufgrund des erhöhten Druckes verkleinert, kann sich auch eine Ausdehnung der Probe in vertikaler Richtung verringern. Der aufhängelos und/oder rahmenlos befestigte Aktuator kann dieser Verformung der Probe bzw. den daraus resultierenden Bewegungen der zweiten Probenendplatte nachfolgen. Für dieses Beispiel befindet sich der Aktuator nach der Verformung der Probe somit etwas näher bei der ersten Probenendplatte als vor der Verformung der Probe. Anders formuliert wird der Aktuator bevorzugt nicht durch eine weitere feste Verbindung beispielsweise zur ersten Probenendplatte an der Bewegung in vertikaler Richtung gehindert. Wäre der Aktuator hingegen, wie im Stand der Technik bekannt, an einem Rahmen des Resonanzsäulengerätes montiert und über den Rahmen fest mit der ersten Probenendplatte verbunden oder hätte der Aktuator eine feste Verbindung zu weiteren Teilen des Resonanzsäulengerätes, könnte der Aktuator nicht der Verformung der Probe bzw. den Bewegungen der zweiten Probenendplatte nachfolgen. Als Folge davon wäre im obigen Beispiel der Aktuator nach der Verformung der Probe noch gleich weit von der ersten Probenendplatte entfernt wie vor der Verformung der Probe. Dies würde dazu führen, dass das Bestimmen der materialspezifischen Kenngrößen der Probe unpräzise würde. Da beim erfindungsgemäßen Resonanzsäulengerät der Aktuator ausschließlich zur zweiten Probenendplatte eine feste Verbindung aufweist, können die materialspezifischen Kenngrößen der Probe sehr präzise ermittelt werden.
Bevorzugt befindet sich die Probe zum Bestimmen der materialspezifischen Kenngrößen zwischen der ersten und der zweiten Probenendplatte. Bei eingebrachter Probe sind die erste Probenendplatte und die zweite Probenendplatte im Wesentlichen parallel zueinander. Im Wesentlichen parallel zueinander bedeutet, dass die erste und zweite Probenendplatten innerhalb von Abweichungen +/-5° parallel zueinander sind. Die kürzeste Verbindungsachse und somit die vertikale Richtung entspricht somit einer Richtung des Normalenvektors der ersten bzw. zweiten Probenendplatte. Bevorzugt weist die Probe eine zylinderförmige Form auf, wobei eine Längsachse der zylinderförmigen Form sich entlang der vertikalen Richtung erstreckt. Bevorzugterweise ist die Probe über die erste Probenendplatte fest in einer Ausgangsposition fixiert. Der Aktuator, der mit der zweiten Probenendplatte und somit mit der Probe verbunden ist, kann die Probe in vertikaler Richtung verformen. Hierbei handelt es sich bevorzugt um ein dynamisches Verformen, wobei die Probe durch den Aktuator in Schwingung versetzt wird. Weiter bevorzugt sind die Amplitude und Frequenz der Schwingung frei wählbar, wobei insbesondere die Frequenz der Schwingung veränderbar ist. Zum Bestimmen der materialspezifischen Kenngrößen wird bevorzugt die Frequenz der Schwingung verändert, bis die Resonanzfrequenz der Probe bzw. des Systems aus Probe und Resonanzsäulengerät erreicht wird, wobei die Schwingungsantwort und/oder Verformung der Probe aufgezeichnet wird. Bevorzugt ist es weiterhin möglich, durch Ausschalten des Aktuators nachdem der Aktuator die Probe in Schwingung versetzt hat, eine freie Schwingungsantwort und/oder ein Dämpfungsverhalten der Probe zu ermitteln.
Eine Verformung der Probe in vertikaler Richtung bedeutet bevorzugt auch, dass die Probe mit P-Wellen angeregt wird und/oder dass das Resonanzsäulengerät im Kompressionsmodus betrieben wird. P-Wellen, auch Kompressionswellen oder Primärwellen genannt, sind Raumwellen, die die Probe in Ausbreitungsrichtung der Welle verformen. Weiter bevorzugt bedeutet dies, dass durch den Aktuator eine Auslenkung der zweiten Probenendplatte in vertikaler Richtung erzeugt wird. Im Kompressionsmodus können insbesondere der Elastizitätsmodul E(ε), der Maximalwert des Elastizitätsmoduls E_max, das Kompressionsdämpfungsmaß D_c(s), der Grenzwert des Kompressionsdämpfungsmaßes D_c sowie die Ausbreitungsgeschwindigkeit von P-Wellen bestimmt werden.
Das Resonanzsäulengerät eignet sich somit besonders zum Bestimmen bodendynamischer Kenngrößen, insbesondere zum Bestimmen des Elastizitätsmoduls E(ε), des Maximalwerts des Elastizitätsmoduls E_max, des Kompressionsdämpfungsmaßes D_c(s), sowie des Grenzwertes des Kompressionsdämpfungsmaßes D_c insbesondere bei kleinen bis mittleren relativen Längenänderungen ε. Kleine bis mittlere relativen Längenänderungen sind bevorzugt relative Längenänderungen in der Größenordnung von 10^-6 bis 5·10^-4. Des Weiteren eignet sich das Resonanzsäulengerät zum Bestimmen von Ausbreitungsgeschwindigkeiten von P-Wellen.
Das Resonanzsäulengerät ist insbesondere zur Bestimmung der materialspezifischen Kenngrößen von weichen und/oder lockeren Proben geeignet, wobei selbstverständlich auch materialspezifische Kenngrößen von festen Proben bestimmt werden können. Weiche und/oder lockere Proben sind bevorzugt Proben aus Lockergestein. Lockergestein weist bevorzugt wenig Kombindung zwischen den Komponenten auf, wobei die Zwischenräume mit Wasser und/oder Luft gefüllt sein können. Insbesondere ist Lockergestein ein Gemenge aus Komponenten ohne mineralische Bindung, wobei zwischen den Komponenten eine überwiegende Punktberührung der Komponenten vorliegt. Bevorzugt handelt es sich bei Lockergestein um lockeren Sand, Ton, Schluff und/oder organischen Boden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aktuator wenigstens einen Schwingungserreger umfasst, wobei eine Schwingungsachse des Schwingungserregers parallel zur vertikalen Richtung ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Aktuator zwei oder mehr Schwingungserreger umfasst. Grundsätzlich kann der Schwingungserreger einen beliebigen Schwingungserreger, beispielsweise ein Piezoelement oder einen Ultraschallschwinger, umfassen. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass der Schwingungserreger einen Magneten und eine Spule umfasst. Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich um einen elektrodynamischen Inertial-Shaker handelt. Inertial-Shaker haben den Vorteil, dass sie besonders einfach zu montieren sind. Weiter bevorzugt ist vorgesehen das mit dem Schwingungserreger Schwingungen im Frequenzbereich von 20 Hz bis 2000 Hz erzeugbar sind. Die Schwingungsachse des Schwingungserregers liegt wie bereits erwähnt bevorzugt parallel zur vertikalen Richtung. So wird auf einfache Weise ein Verformen der Probe in vertikaler Richtung erwirkt.
Hinsichtlich der Ausgestaltung des Aktuators ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass durch ein Umschalten und/oder Umbauen des Aktuators die eingebrachte Probe durch den umgeschalteten und/oder umgebauten Aktuator senkrecht zur vertikalen Richtung verformbar ist oder um eine Drehachse parallel zur vertikalen Richtung verdrehbar ist. Eine Verformung der Probe senkrecht zur vertikalen Richtung, also in horizontaler Richtung, bedeutet bevorzugt, dass die Probe in einer Ebene senkrecht zur vertikalen Richtung verformt wird. Weiter bevorzugt bedeutet dies, dass durch den umgebauten bzw. umgeschalteten Aktuator eine Auslenkung der zweiten Probenendplatte in horizontaler Richtung erzeugt wird und/oder dass nach Umbau bzw. Umschalten das Resonanzsäulengerät im Biegemodus betrieben wird. Ein Verdrehen der Probe bedeutet bevorzugt, dass die zweite Probenendplatte gegenüber der Lage der ersten Probenendplatte und um die Drehachse parallel zur vertikalen Richtung gedreht wird und/oder dass nach Umbau bzw. Umschalten das Resonanzsäulengerät im Torsionsmodus betrieben wird. Verdrehen bedeutet also insbesondere nicht, dass die Probe um die Drehachse gedreht wird, wobei sich hierbei die erste Probenendplatte mit der zweiten Probenendplatte mitdrehen würde, sondern dass die Probe um die Drehachse verdreht wird, sprich dass eine Torsion der Probe durchgeführt wird. Es ist also bevorzugt vorgesehen, dass der Aktuator umschaltbar und/oder umbaubar ausgestaltet ist um vom Kompressionsmodus in den Biegemodus und/oder Torsionsmodus zu wechseln. Beispielsweise kann vorgesehen, sein, dass sich der Aktuator einfach öffnen lässt, um den bzw. die Schwingungserreger im Aktuator zu erreichen. Besonders bevorzugt umfasst der Aktuator einen umbaubaren und/oder umschaltbaren Schwingungserreger. Insbesondere ist vorgesehen, dass durch Umschalten und/oder Umbauen die Schwingungsrichtung des Schwingungserregers veränderbar ist. Der elektrodynamische Inertial-Shaker hat den Vorteil, dass die Richtung der Schwingungsachse bei der Montage gewählt werden kann. So ermöglichen Inertial-Shaker, dass durch einen einfachen Umbau des Resonanzsäulengerätes zwischen den Modi des Resonanzsäulengerätes gewechselt werden kann.
Mittels Torsionsmodus und/oder Biegemodus ermöglicht das Resonanzsäulengerät ein Bestimmen des Schubmoduls 0(γ) des Maximalwerts des Schubmoduls G_max, des Schubdämpfungsmaßes D_s(γ), sowie des Grenzwertes des Schubdämpfungsmaßes D_s, bevorzugt bei kleinen bis mittleren Schubdehnungen γ. Kleine bis mittlere Schubdehnungen sind bevorzugt relative Schubdehnungen in der Größenordnung von 10^-6 bis 5·10^-4.
Im Hinblick auf das Bestimmen der materialspezifischen Kenngrößen ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass der Aktuator wenigstens einen Beschleunigungssensor und/oder wenigstens einen Wegsensor umfasst. In anderen Worten ist der Aktuator bevorzugt mit Sensoren ausgestattet, mittels denen die Schwingungsantwort der Probe bzw. des Systems aus Probe und Resonanzsäulengerät aufgenommen werden kann.
Weiter bevorzugt ist vorgesehen, dass wenigstens ein Beschleunigungssensor im Schwingungserreger integriert ist. Diese ermöglicht, die Kraft, mit welcher die Probe angeregt wird, zu erfassen. Weiter ermöglicht dies, eine einfache Handhabung des Resonanzsäulengerätes, insbesondere beim Wechsel zwischen den verschiedenen Modi. Alternativ oder zusätzlich kann der Aktuator noch weitere Beschleunigungssensoren und/oder der Wegsensoren umfassen, die nicht im Schwingungserreger integriert sind. Dies erlaubt, an einem anderen Messort die Schwingungsantwort der Probe bzw. des Systems aus Probe und Resonanzsäulengerät zu ermitteln und die materialspezifischen Kenngrößen präzise zu bestimmen. Mit dem Beschleunigungssensor kann die Beschleunigung der Verformung der Probe, also die Ab- oder Zunahme der Geschwindigkeit der Verformung der Probe bestimmt werden. Grundsätzlich kann jede Art von Beschleunigungssensor verwendet werden, wie beispielsweise ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor oder ein miniaturisierter Beschleunigungssensoren auf Basis eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS). Bevorzugter Weise ermittelt der Beschleunigungssensor die Beschleunigung in alle drei Raumrichtungen. Alternativ können mehrere Beschleunigungssensoren, jeweils für die unterschiedlichen Raumrichtungen, verwendet werden. Mit einem Wegsensor kann die zurückgelegte Strecke bei der Verformung der Probe ermittelt werden. Bevorzugt wird ein Wegsensor verwendet, der ein elektrisches Signal erzeugt, das proportional zur zurückgelegten Wegstrecke ist. Beispielsweise kann von einem Wegsensor ein Spannungssignal erzeugt werden. Weiter bevorzugt wird vom Wegsensor eine lineare Verschiebung entlang einer Raumrichtung ermittelt. Weiter bevorzugt wird als Wegsensor ein Differentialtransformator verwendet, der auch als Linear Variable Differential Transformer, abgekürzt als LVDT, bezeichnet wird. Besonders bevorzugt wird ein berührungsloser Wegaufnehmer als Wegsensor verwendet, also ein Wegsensor, der erlaubt, ohne Berührung den zurückgelegten Weg des Aktuators zu ermitteln. Ein solcher Wegsensor ist besonders genau und robust. Bevorzugt umfasst der Aktuator mehrere Wegsensoren für die unterschiedlichen Raumrichtungen.
Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der Befestigung des Aktuators bevorzugt um eine aufhängelose und/oder rahmenlose Befestigung des Aktuators im Resonanzsäulengerät, denn der Aktuator ist ausschließlich mit der zweiten Probenendplatte verbunden. Somit ruht das Gewicht des Aktuators auf der Probe und kann das Schwingungsverhalten der Probe beeinflussen. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Aktuator nicht mehr als 1,5 kg wiegt. Besonders bevorzugt wiegt der Aktuator weniger als 1,1 kg. Der Aktuator ist also besonders leicht. Somit können mit dem Resonanzsäulengerät besonders präzise die materialspezifischen Kenngrößen der Probe ermittelt werden. Das geringe Gewicht des Aktuators kann bevorzugt erreicht werden, indem als Schwingungserreger miniaturisierte elektrodynamische Inertial-Shaker verwendet werden, die besonders leicht sind. Insbesondere wiegt ein miniaturisierter elektrodynamischer Inertial-Shaker in etwa 250 g +/- 20%. Weiterhin sind auch die verwendeten Wegsensoren und/oder Beschleunigungssensor besonders leicht, so dass das Gesamtgewicht des Aktuators nicht mehr als 1,5 kg beträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Resonanzsäulengerät eine Kammer umfasst, wobei sich die erste Probenendplatte, die zweite Probenendplatte und der Aktuator innerhalb der Kammer befinden und wobei die erste Probenendplatte eine feste Verbindung mit einer Wandung der Kammer aufweist. Eine feste Verbindung mit einer Wandung der Kammer bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Verbindung keine Bewegung der ersten Probenendplatte in horizontaler und in vertikaler Richtung zulässt. Bevorzugt ist die erste Probenendplatte mit der Wandung der Kammer verbunden, die einen Boden der Kammer bildet. Der Boden der Kammer ist bevorzugt, die Wandung der Kammer, mit der die Kammer durch die Erdanziehung auf der Erde aufliegt. Dies bedeutet, dass die erste Probenendplatte bevorzugt mit dem Boden der Kammer fest verbunden ist und derart die Probe am Boden der Kammer fixiert wird. Die erste Probenendplatte ist also bevorzugt derart mit dem Boden der Kammer verbunden, dass sie keine Bewegung in horizontaler und vertikaler Richtung durchführen kann. Weiterhin ist vorgesehen, dass die erste Probenendplatte drehbar mit dem Boden der Kammer verbunden ist, wobei eine Drehung der ersten Probenendplatte um eine Drehachse parallel zur vertikalen Richtung möglich ist. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Aktuator innerhalb der Kammer keine feste Verbindung mit einer Wandung der Kammer aufweist. Der Aktuator hat nur indirekt über die zweite Probenendplatte, die verformbare Probe und die erste Probenendplatte eine Verbindung zur Wandung der Kammer, die aber aufgrund der Verformbarkeit der Probe keine feste Verbindung im Sinne der Erfindung darstellt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Kammer ein Überdruck erzeugbar ist. Hierfür kann die Kammer mit einer entsprechenden Pumpe verbunden sein, um den Überdruck zu erzeugen. Die Kammer kann beispielsweise aus Stahl gefertigt sein, womit eine große Robustheit der Kammer einhergeht. Bevorzugt wird der Überdruck in der Kammer erzeugt, um die Bedingungen zum Bestimmen der materialspezifischen Kenngrößen an die realen Druckverhältnisse der Bodenprobe in der Tiefe anzupassen. Durch den erhöhten Druck in der Kammer wird bevorzugt eine isotrope Last auf die Probe erzeugt.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Resonanzsäulengerät einen Belastungserzeuger an einer der ersten Probenendplatte gegenüberliegenden weiteren Wandung der Kammer umfasst. Bevorzugt ist unter Belastungserzeuger eine Vorrichtung zu verstehen, mit der eine anisotrope Last auf die Probe erzeugt werden kann. Bevorzugt wird die Last in vertikaler Richtung auf die Probe erzeugt. Dies ermöglicht besonders gut die Bedingungen zum Bestimmen der materialspezifischen Kenngrößen an die realen Druckverhältnisse der Bodenprobe in der Tiefe anzupassen. Dafür ist der Belastungserzeuger an der der ersten Probenendplatte gegenüberliegenden weiteren Wandung der Kammer angebracht. Dies ist bevorzugt die dem Boden der Kammer gegenüberliegende weitere Wandung der Kammer, sprich ein Deckel der Kammer. Der Belastungserzeuger kann zum Beispiel auf der Wandung bzw. auf dem Deckel der Kammer angebracht sein. Der Belastungserzeuger umfasst bevorzugt einen Stößel, dessen Ende berührend auf dem Aktuator aufliegt. Der Stößel ist also nicht mit dem Aktuator fest verbunden. Der Aktuator wird durch den Stößel also nicht an einer Bewegung in vertikaler Richtung hin zur ersten Probenendplatte gehindert. Mit dem Stößel kann aber die anisotrope Last auf den Aktuator und somit auf die Probe erzeugt werden. Im Kompressionsmodus wird ein Berührungspunkt zwischen dem Ende des Stößels und dem Aktuator während der Verformung der Probe nicht in einer Ebene senkrecht zur vertikalen Richtung verschoben.
Grundsätzlich kann das Resonanzsäulengerät zum Bestimmen der materialspezifischen Kenngrößen verschiedenster Proben verwendet werden. So können beispielsweise die materialspezifischen Kenngrößen einer Aluminium-Probe bestimmt werden. Bevorzugt wird das Resonanzsäulengerätes verwendet um materialspezifische Kenngrößen einer Bodenprobe zu bestimmen. Besonders bevorzugt wird das Resonanzsäulengerätes verwendet um bodendynamische Kenngrößen der Bodenprobe zu bestimmen. Insbesondere wird das Resonanzsäulengerätes verwendet um bodendynamische Kenngrößen der weichen und/oder lockeren Bodenprobe zu bestimmen.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass das Resonanzsäulengerät zum Bestimmen der bodendynamischer Kenngrößen der Bodenprobe im Kompressionsmodus verwendet wird. So können auf präzise und einfache Art die bodendynamischen Kenngrößen Elastizitätsmodul E(ε), Maximalwert des Elastizitätsmoduls E_max, Kompressionsdämpfungsmaß D_c(s), sowie Grenzwert des Kompressionsdämpfungsmaßes D_c bestimmt werden, insbesondere bei kleinen bis mittleren relativen Längenänderungen ε in der Größenordnung von 10^-6 bis 5·10^-4.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines bevorzugen Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert.
In der Zeichnung zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Resonanzsäulengerätes wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist,
2 eine schematische Darstellung eines Resonanzsäulengerätes, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung eines Aktuators des Resonanzsäulengerätes aus 2 im Kompressionsmodus und den Effekt auf eine Probe,
4 eine schematische Darstellung des Effekts auf eine Probe nach Umschalten bzw. umbauen des Aktuators, und
5 eine schematische Darstellung des Resonanzsäulengerätes, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt ein Resonanzsäulengerät 1 wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Resonanzsäulengerät 1 weist eine erste Probenendplatte 2 und eine zweite Probenendplatte 3 auf, zwischen denen eine Probe 4 platziert ist. Die erste Probenendplatte 2 ist mit einem Boden 5 einer Kammer 6 verbunden, so dass die Probe 4 fixiert ist. Die zweite Probenendplatte 3 ist mit einem Aktuator 7 verbunden. Der Aktuator 7 ist selbst an einem starren Rahmen 8 befestigt, wobei der Rahmen mit dem Boden 5 der Kammer verbunden ist. Weiterhin wird der Aktuator 7 von zwei Stützen 9 gestützte, die ebenfalls eine Verbindung zum Boden 5 der Kammer 6 aufweisen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Resonanzsäulengerätes 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, zum Bestimmen materialspezifischer Kenngrö-ßen. Das Resonanzsäulengerät 10 umfasst eine erste Probenendplatte 12 und eine zweite Probenendplatte 14. Zwischen der ersten Probenendplatte 12 und der zweiten Probenendplatte 14 ist eine Probe 18 eingebracht, um die materialspezifischen Kenngrößen zu bestimmen. Bei eingebrachter Probe 18 sind die erste Probenendplatte 12 und die zweit Probenendplatte 14 parallel zueinander, wobei ein kürzester Abstand zwischen der ersten Probenendplatte 12 und der zweiten Probenendplatte 14 eine vertikale Richtung 16 definiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Probe 18 um eine Bodenprobe 18 aus Schluff. Das Resonanzsäulengerät 10 umfasst des Weiteren einen Aktuator 20, der derart an der zweiten Probenendplatte 14 angebracht ist, dass die Probe 18 durch den Aktuator 20 in vertikaler Richtung 16 verformbar ist, wobei der Aktuator 20 ausschließlich zur zweiten Probenendplatte 14 eine feste Verbindung aufweist. Der Aktuator 20, die erste Probenendplatte 12, die zweite Probenendplatte 14 und die dazwischen eingebrachte Probe 18 befinden sich innerhalb einer Kammer 22. Die erste Probenendplatte 12 ist mit einer Wandung 24 der Kammer 22, nämlich mit einem Boden 24 der Kammer 22 verbunden. Dem Boden 24 der Kammer 22 gegenüberliegend in vertikaler Richtung 16 umfasst die Kammer 22 eine weitere Wandung 26, nämlich einen Deckel 26. Im Gegensatz zum Resonanzsäulengerät 1 aus 1, wie es im Stand der Technik bekannt ist, weist das Resonanzsäulengerät 10 aus 2 also weder einen Rahmen noch eine Stütze auf, um den Aktuator 20 abzustützen oder aufzuhängen. Der Aktuator 20 ist auch nicht mit einer festen Verbindung mit dem Deckel 26 oder dem Boden 24 der Kammer 22 verbunden. Der Aktuator 20 ist nur über die zweite Probenendplatte 14, die verformbare Probe 18 und über die erste Probenendplatte 12 mit dem Boden 24 der Kammer 22 verbunden.
Die Probe 18 weist eine zylinderförmige Form auf, wobei eine Längsachse 28 der zylinderförmigen Form sich entlang der vertikalen Richtung 16 erstreckt. In der Kammer 22 ist ein Überdruck erzeugbar, um die Bedingungen zum Bestimmen der materialspezifischen Kenngrößen an die realen Druckverhältnisse der Probe 18 in der Tiefe anzupassen. Die Probe 18 ist durch die erste Probenendplatte 12 fest in einer Ausgangsposition fixiert. Der Aktuator 20, der mit der zweiten Probenendplatte 14 fest verbunden ist, kann die Probe 18 in vertikaler Richtung 16 verformen, indem die Probe 18 durch den Aktuator 20 in Schwingung versetzt wird.
Hierfür weist der Aktuator 20 wenigstens einen Schwingungserreger 30 auf, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel in 2 der Aktuator 20 zwei Schwingungserreger 30 umfasst. Bei den Schwingungserregern 30 handelt es sich um miniaturisierte elektrodynamischen Inertial-Shaker. Um die Anregung und die Schwingungsantwort der Probe 18 zu erfassen, weist der Aktuator 20 drei Beschleunigungssensoren 32 sowie zwei Wegsensoren 34 auf. Zwei der drei Beschleunigungssensoren 32 sind direkt in die zwei Schwingungserreger 30 integriert. Insgesamt wiegt der Aktuator nicht mehr als 1,1 kg. Beim Verformen der Proben 18 in vertikaler Richtung 16 wird das Resonanzsäulengerät 10 im Kompressionsmodus betrieben.
In 3 ist der Aktuator 20 und Teile der Probe 18 im Kompressionsmodus dargestellt, wobei in 3 analog zu 2 der Aktuator 20 von der Seite gezeigt ist. Weiterhin ist in 3 die Verformung der Probe 18 im Kompressionsmodus dargestellt. Im Kompressionsmodus wird die Probe 18 in vertikaler Richtung 16 verformt. Die Längsachse 28 der zylinderförmigen Form der Probe 18 wird also etwas komprimiert. Die Schwingungsachsen 36 der Schwingungserreger 30 im Aktuator 20 sind demnach parallel zur vertikalen Richtung 16.
Der Aktuator ist derart ausgestaltet, dass nach Umbau und/oder Umschalten das Resonanzsäulengerät im Torsionsmodus oder im Biegemodus betrieben werden kann. 4a) zeigt den Effekt des Torsionsmodus auf die Probe 18 und 4b) zeigt den Effekt des Biegemodus auf die Probe 18. Im Torsionsmodus wird die Probe 18 um eine Drehachse parallel zur vertikalen Richtung 16 verdreht. Im Biegemodus wird die Probe 18 in horizontaler Richtung also in einer Richtung senkrecht zur vertikaler Richtung 16 verformt. Die Längsachse 28 der zylinderförmigen Form der Probe 18 wird also etwas gebogen.
5 zeigt eine schematische Darstellung des Resonanzsäulengerätes 10, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Resonanzsäulengerät 10 umfasst alle Bestandteile des Resonanzsäulengerätes 10 aus 2 und zusätzlich dazu noch einen Belastungserzeuger 38 an dem Deckel 26 der Kammer 22. Im vorliegenden Fall ist der Belastungserzeuger 38 auf dem Deckel 26 der Kammer 22 montiert, wobei ein Stößel 40 durch den Deckel 26 in das Innere der Kammer 22 reicht. Mit dem Belastungserzeuger 38 kann eine anisotrope Last auf die Probe 18 erzeugt werden, wobei die anisotrope Last in vertikaler Richtung 16 erzeugt wird. Ein Ende des Stößels 40 liegt berührend auf dem Aktuator 20 auf, so dass über den Stößel 40 die anisotrope Last auf die Probe 18 erzeugt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Resonanzsäulengerät (Stand der Technik)
2: erste Probenendplatte (Stand der Technik)
3: zweite Probenendplatte (Stand der Technik)
4: Probe (Stand der Technik)
5: Boden (Stand der Technik)
6: Kammer (Stand der Technik)
7: Aktuator (Stand der Technik)
8: Rahmen (Stand der Technik)
9: Stütze (Stand der Technik)
10: Resonanzsäulengerät
12: erste Probenendplatte
14: zweite Probenendplatte
16: vertikale Richtung
18: Probe, Bodenprobe
20: Aktuator
22: Kammer
24: Wandung, Boden
26: weitere Wandung, Deckel
28: Längsachse
30: Schwingungserreger
32: Beschleunigungssensor
34: Wegsensor
36: Schwingungsachse
38: Belastungserzeuger
40: Stößel

Claims

Resonanzsäulengerät (10) zum Bestimmen materialspezifischer Kenngrößen einer Probe (18) umfassend eine erste Probenendplatte (12), eine zweite Probenendplatte (14) und einen Aktuator (20), wobei die erste Probenendplatte (12) und die zweite Probenendplatte (14) derart ausgestaltet sind, dass zwischen der ersten Probenendplatte (12) und der zweiten Probenendplatte (14) die Probe (18) einbringbar ist, wobei bei eingebrachter Probe (18) die erste Probenendplatte (12) und die zweite Probenendplatte (14) im Wesentlichen parallel zueinander sind und eine kürzeste Verbindungsachse von der erste Probenendplatte (12) zur zweiten Probenendplatte (14) eine vertikale Richtung (16) definiert, wobei der Aktuator (20) an der zweiten Probenendplatte (14) derart angebracht ist und derart ausgestaltet ist, dass die eingebrachte Probe (18) durch den Aktuator (20) in vertikaler Richtung (16) verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (20) ausschließlich zur zweiten Probenendplatte (14) eine feste Verbindung aufweist.
Resonanzsäulengerät (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (20) wenigstens einen Schwingungserreger (30) umfasst, wobei eine Schwingungsachse (32) des Schwingungserregers (30) parallel zur vertikalen Richtung ist.
Resonanzsäulengerät (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (20) derart ausgestaltet ist, dass durch ein Umschalten und/oder Umbauen des Aktuators (20) die eingebrachte Probe (18) durch den umgeschalteten und/oder umgebauten Aktuator (20) senkrecht zur vertikalen Richtung (16) verformbar ist oder um eine Drehachse parallel zur vertikalen Richtung (16) verdrehbar ist.
Resonanzsäulengerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (20) wenigstens einen Beschleunigungssensor (32) und/oder wenigstens einen Wegsensor (34) umfasst.
Resonanzsäulengerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (20) nicht mehr als 1,5 kg wiegt.
Resonanzsäulengerät (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche gekennzeichnet durch eine Kammer (22), wobei sich die erste Probenendplatte (12), die zweite Probenendplatte (14) und der Aktuator (20) innerhalb der Kammer (22) befinden und wobei die erste Probenendplatte (12) eine feste Verbindung mit einer Wandung (24) der Kammer (22) aufweist.
Resonanzsäulengerät (10) nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer (22) ein Überdruck erzeugbar ist.
Resonanzsäulengerät (10) nach Anspruch 6 oder 7 gekennzeichnet durch einen Belastungserzeuger (38) an einer der ersten Probenendplatte (12) gegenüberliegenden weiteren Wandung (26) der Kammer (22).
Verwendung des Resonanzsäulengerätes (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche zum Bestimmen bodendynamischer Kenngrößen einer Bodenprobe (18).
Verwendung des Resonanzsäulengerätes (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche zum Bestimmen bodendynamischer Kenngrößen einer Bodenprobe (18) in einem Kompressionsmodus.